全球导航卫星系统(GNSS)信号的三大应用

青田石头

全球导航卫星系统（GNSS）信号的三大应用

全球导航卫星系统（GNSS）信号的第一个应用当然是卫星导航定位。但是，GNSS信号还可以用于遥感。最近，刘经南院士一直倡导将导航信号来用于遥感。

SAR的原理就是发射无线电信号以后接收反射信号，然后成像。而导航信号一直在发射，用卫星导航的反射信号作为遥感信息源GNSS-R现在成为遥感和导航一个新的研究方向，科技部“十四五”的科技规划将会设立一个GNNSS-R重点研发项目。

GNSS：不仅用于导航定位，还可以用于遥感

大气探测是全球导航卫星系统（GNSS）应用的一个新领域，它基于对全球导航卫星系统卫星发出的无线电信号的分析，这些信号在穿过大气层时会发生折射，可以提供有关其物理特性的信息。



根据信号（直接或反射）的使用方式，GNSS遥感可大致分为两类：GNSS反射计（GNSS-R）和GNSS折射计（称为GNSS无线电掩星或GNSS-RO）。

GNSS-R涉及分析从地球表面反射的GNSS信号的测量值；GNSS-RO则利用倾斜传播路径接近地球边缘时被大气折射的GNSS信号的测量值。

GNSS-R

GNSS-R反射测量技术属于双基雷达，可获得地表粗糙特征和地球物理参数，即利用GNSS测量直射信号与地表镜面反射的信号之间延迟(时间延迟或相位延迟)，再根据GNSS卫星、接收机和镜面反射点之间的几何位置关系，可反演地表特征。



按照处理数据的方式，GNSS-R测高可以分为传统型GNSS-R测高(cGNSS-R测高)和干涉GNSS-R测高(iGNSS-R)。前者是配置左右圆极化天线并利用接收机记录的直射信号与反射信号的载波相位数据，通过固定模糊度和解算接收机钟差等方式，确定两者之间的传播路径延迟，进而计算天线至地球表面的高度。后者是利用直射信号与反射信号功率波形相关的原理，测得信号时延，进而计算天线到地球表面的垂直距离，但其涉及复杂的多普勒时延算法，数据处理方法复杂。

GNSS-R原理与方法

SNR技术

多路径效应是GNSS高精度定位的主要误差，它与反射面的结构和电介质参数密切相关。当卫星高度角低于10°时，GNSS接收到的反射信号是右旋极化。这时具有相同频率的反射信号与直射信号会发生相干作用。这一相干现象反映在信噪比SNR的变化上，信噪比SNR观测值是衡量GPS接收机天线接收到的信号的大小的一个量值，反映多路径与多路径误差的大小受卫星信号的发射功率、天线增益、卫星与接收机间的距离及多路径效应等因素的影响。

DDM技术

GNSS-R海洋遥感主要利用反射信号时延多普勒二维相关功率。其原理是通过计算本地载波信号与散射区域内不同时间延迟和多普勒频率的接收信号的相关功率值。DDM多用于机载和星载GNSS-R，考虑到其距离地面高度较高，首先介绍GNSS-R的镜面反射测量几何关系。GNSS-R几何关系要用到镜面反射点，即从反射区域反射的反射信号中路径延迟最短的理论反射点。

GNSS-R最新应用进展

在环境遥感的各个领域，高时空分辨率、准实时的GNSS-R将得到更多的应用，如海洋测高、海面测风、监测海冰、海况、海洋涡流、海面浮油、地质灾害及航天飞机测控、土壤湿度、植被探测、积雪厚度等。

这些准实时的GNSS反射数据将向公共领域开放，而对这些数据的分析将在预报强风、危险海况、洪涝灾害、海洋涡流以及风暴潮等方面发挥重要作用。

此外，高采样率的海面粗糙度数据也将从未来大量的GNSS反射信号中估计出来，这将加深人们对洋面海气通量、浮冰脊、霜花、破冰以及冰雪交界处的粗糙度的认识，尤其是在那些无法接近且环境恶劣的海冰区域。

GNSS-RO

“掩星” 的掩即遮掩， 所谓掩星，是指空间中原本两个直视可见的星体，被其他星体或物质所遮掩， 导致一个星体发射的电波信号不能直接到达另一个星体。



例子：月掩星

月球在围绕地球运行期间， 经常会掩蔽背景的恒星。由于月球没有大气， 恒星的视面积又非常微小， 因此，被掩恒星会近乎一瞬间的消失或重现于月面边缘。



何为GNSS掩星技术？

GNSS掩星（GNSS- Radio  Occultation ）是一种新的遥感技术。

主要用于气候研究、大气条件和地震研究。



以地球大气GPS/LEO掩星探测为例， 是指GPS卫星发射的电波信号被地球大气所遮掩， 经过地球大气和电离层折射后到达LEO卫星， 也即对GPS卫星的临边观测。

接收的GPS信号中包含了地球大气和电离层的信息， 从而可通过相关的科学反演方法反演得到大气和电离层剖面。

掩星技术的原理

无线电波在真空中的传播速度等于光速c， 在对流层大气中， 大气的介电特性是不均匀的， 在其中传播的无线电波和真空中不同， 会发生路径弯曲， 传播速度也小于真空中的光速c， 即对无线电波有折射作用。



大气对无线电波的折射作用通常用折射指数来表征， 折射指数是指当光从真空射入介质时， 入射角i与折射角r的正弦之比， 也可以表示为电磁波在真空中速度与在介质中的速度之比， 如公式所示：



与大气压强、 温度和湿度之间近似满足：

观测数据分级及处理流程

在GPS/LEO掩星观测中， LEO卫星上安装了掩星接收机和定位接收机（有时二者也共用一个接收机） ， 当未进入掩星状态时，掩星接收机通常不工作， 当处于电离层掩星状态时， 掩星接收机以1Hz采样进行观测， 当处于大气掩星状态时， 掩星接收机以50Hz或更高采样率进行观测；而定位接收机则在掩星和非掩星状态时都始终以0.1Hz采样率进行观测。

在掩星观测过程中， 所有数据都以压缩格式存放， 在卫星过顶卫星地面站时， 压缩的遥测数据通过下行通信通道传到卫星地面站， 卫星地面站再将数据传到掩星数据处理中心。

掩星数据处理就是利用这些掩星观测的原始数据， 通过一系列处理过程， 最终反演得到大气和电离层参数产品， 还包括生成一些中间数据产品。

研究历史

九十年代初GPS星座的成功发射和运行促进了 地球大气掩星探测思想在实践中的应用。

1995年4月， 美国大学大气研究联合会UCAR成功发射了 搭载Turbo/Rogue GPS接收机的Microlab-1低轨卫星（LEO),以掩星探测为建议的GPS/MET实验拉开了 序幕。GPS/MET实验之后， 各国也都竞相发射低轨卫星， 对地球大气进行掩星探测。

1999年2月， 丹麦的rsted卫星

1999年2月， 南非与美国合作的Sunsat卫星

2000年7月， 德国的CHAMP卫星

2000年11月， 阿根廷的SAC-C卫星

2001年9月， 英国和美国合作的IOX电离层掩星试验卫星

2001年9月， 美国的PICOsat卫星

2002年3月， 美国和德国的GRACE卫星

2002年12月， 澳大利亚的Fedsat卫星

2006年4月， 美国与中国台湾合作的COSMIC星座

2006年10月， 丹麦的Metop-A卫星

2007年6月， 德国的TerraSAR-X

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