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GNSS-IR原理與應用 版權信息
- ISBN：9787030722768
- 條形碼：9787030722768 ; 978-7-03-072276-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
GNSS-IR原理與應用 內容簡介
本書在介紹優選導航衛星系統（GNSS）基本概況的基礎上，對優選導航衛星系統干涉反射（GNSS-IR）基本理論和方法進行了全面、系統的闡述，包括GNSS信號的電磁波理論、反射信號幾何原理、菲涅爾反射區域、直反射信號數學描述和接收處理方法等，并給出了其在植被含水量、土壤濕度等方面應用的效果。本書寫作過程中，參考了國內外相關研究成果，并融入了作者在這一領域的研究成果，反映了GNSS-IR技術的近期新進展。 本書的讀者對象主要為測繪科學、航空航天科學、計算機科學等導航衛星相關領域的高校師生，以及從事大氣環境遙感、陸地環境遙感、海洋環境遙感、植被環境遙感及其應用研究的科技工作者。
GNSS-IR原理與應用 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 GNSS系統概述 1
1.1.1 GPS系統 1
1.1.2 GLONASS系統 5
1.1.3 Galileo系統 6
1.1.4 BDS系統 7
1.2 GNSS-R/IR技術 7
1.2.1 GNSS-R/IR技術的定義 7
1.2.2 GNSS-IR技術的特點和優勢 9
1.3 GNSS-R/IR技術的發展 10
1.3.1 國外研究現狀 10
1.3.2 國內研究現狀 12
1.4 本書結構 13
參考文獻 14
第2章 GNSS信號基本理論 18
2.1 電磁波的極化和反射 18
2.1.1 電磁波的極化 18
2.1.2 電磁波的反射 19
2.2 GNSS反射信號基礎 22
2.2.1 GNSS-IR幾何關系描述 22
2.2.2 菲涅爾反射區域 25
2.3 直、反射信號數學描述 28
2.3.1 直射信號描述 28
2.3.2 反射信號描述 29
2.4 小結 31
參考文獻 31
第3章 GNSS信號處理 33
3.1 GNSS直、反射信號分離 33
3.1.1 信噪比 33
3.1.2 低階多項式反射信號分離模型 37
3.1.3 小波分析反射信號分離模型 39
3.1.4 雙正交Biorthogonal小波 46
3.1.5 Coiflet小波 48
3.1.6 SymletsA小波 48
3.2 反射信號相位提取 52
3.3 小結 52
參考文獻 53
第4章 GNSS-IR測植被含水量應用 54
4.1 概述 54
4.2 基于GNSS-IR的植被含水量測量技術 55
4.3 GNSS-IR和遙感點-面融合植被含水量反演方法 56
4.3.1 GNSS-IR和遙感點-面融合植被含水量反演流程 57
4.3.2 GNSS-IR和遙感點-面融合植被含水量反演實例 58
4.3.3 點-面融合反演結果分析 62
4.4 小結 64
參考文獻 64
第5章 GNSS-IR測土壤濕度應用 67
5.1 概述 67
5.2 基于GNSS-IR的土壤濕度測量技術 68
5.2.1 GNSS-IR基本原理 68
5.2.2 求解干涉相位基本步驟 70
5.3 基于單星的土壤濕度反演方法 70
5.4 基于多星融合的土壤濕度反演方法 78
5.4.1 多星融合的土壤濕度滾動式估算模型 78
5.4.2 利用GNSS-IR監測土壤濕度的多星線性回歸反演模型 90
5.4.3 基于GNSS-IR的土壤濕度多星非線性回歸估算模型 99
5.5 GNSS-IR和遙感點-面融合土壤濕度反演方法 105
5.5.1 GNSS-IR和遙感點-面融合土壤濕度反演流程 106
5.5.2 GNSS-IR和遙感點-面融合土壤濕度反演實例 108
5.5.3 點-面融合反演結果分析 114
5.6 小結 126
參考文獻 126
第6章 GNSS-IR/R在其他領域的應用 129
6.1 GNSS-IR測雪深應用 129
6.2 GNSS-R測海冰應用 137
6.3 小結 140
參考文獻 141
前言
第1章 緒論 1
1.1 GNSS系統概述 1
1.1.1 GPS系統 1
1.1.2 GLONASS系統 5
1.1.3 Galileo系統 6
1.1.4 BDS系統 7
1.2 GNSS-R/IR技術 7
1.2.1 GNSS-R/IR技術的定義 7
1.2.2 GNSS-IR技術的特點和優勢 9
1.3 GNSS-R/IR技術的發展 10
1.3.1 國外研究現狀 10
1.3.2 國內研究現狀 12
1.4 本書結構 13
參考文獻 14
第2章 GNSS信號基本理論 18
2.1 電磁波的極化和反射 18
2.1.1 電磁波的極化 18
2.1.2 電磁波的反射 19
2.2 GNSS反射信號基礎 22
2.2.1 GNSS-IR幾何關系描述 22
2.2.2 菲涅爾反射區域 25
2.3 直、反射信號數學描述 28
2.3.1 直射信號描述 28
2.3.2 反射信號描述 29
2.4 小結 31
參考文獻 31
第3章 GNSS信號處理 33
3.1 GNSS直、反射信號分離 33
3.1.1 信噪比 33
3.1.2 低階多項式反射信號分離模型 37
3.1.3 小波分析反射信號分離模型 39
3.1.4 雙正交Biorthogonal小波 46
3.1.5 Coiflet小波 48
3.1.6 SymletsA小波 48
3.2 反射信號相位提取 52
3.3 小結 52
參考文獻 53
第4章 GNSS-IR測植被含水量應用 54
4.1 概述 54
4.2 基于GNSS-IR的植被含水量測量技術 55
4.3 GNSS-IR和遙感點-面融合植被含水量反演方法 56
4.3.1 GNSS-IR和遙感點-面融合植被含水量反演流程 57
4.3.2 GNSS-IR和遙感點-面融合植被含水量反演實例 58
4.3.3 點-面融合反演結果分析 62
4.4 小結 64
參考文獻 64
第5章 GNSS-IR測土壤濕度應用 67
5.1 概述 67
5.2 基于GNSS-IR的土壤濕度測量技術 68
5.2.1 GNSS-IR基本原理 68
5.2.2 求解干涉相位基本步驟 70
5.3 基于單星的土壤濕度反演方法 70
5.4 基于多星融合的土壤濕度反演方法 78
5.4.1 多星融合的土壤濕度滾動式估算模型 78
5.4.2 利用GNSS-IR監測土壤濕度的多星線性回歸反演模型 90
5.4.3 基于GNSS-IR的土壤濕度多星非線性回歸估算模型 99
5.5 GNSS-IR和遙感點-面融合土壤濕度反演方法 105
5.5.1 GNSS-IR和遙感點-面融合土壤濕度反演流程 106
5.5.2 GNSS-IR和遙感點-面融合土壤濕度反演實例 108
5.5.3 點-面融合反演結果分析 114
5.6 小結 126
參考文獻 126
第6章 GNSS-IR/R在其他領域的應用 129
6.1 GNSS-IR測雪深應用 129
6.2 GNSS-R測海冰應用 137
6.3 小結 140
參考文獻 141
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GNSS-IR原理與應用 節選
第1章 緒論 1.1 GNSS系統概述 全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GNSS）是一種基于空基的無線電導航定位系統。它的*主要功能是為地表或近地空間任意地點的用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間等信息。目前全球存在四大GNSS系統，分別為美國的全球定位系統（global positioning system，GPS）、中國的北斗導航衛星系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、俄羅斯的格洛納斯導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS），以及歐盟的伽利略導航衛星系統（Galileo Navigation Satellite System，Galileo），目前在軌衛星多達百顆。除上述四大GNSS系統外，多國還建立了區域系統和增強系統，其中區域系統包括日本準天頂導航衛星系統（Quasi-zenith Satellite System，QZSS）以及印度區域導航衛星系統（Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS），增強系統包括美國的廣域增強系統（wide area augmentation system，WAAS）、日本星基增強系統（multi-functional transport satellite-based augmentation system，MSAS）、歐洲星基增強系統（European geostationary navigation overlay service，EGNOS）、印度星基增強系統（GPS and GEO augmented navigation system，GAGAN）以及尼日利亞的通信衛星一號（Nigeria communications satellite one，NIGCOMSAT-1）等[1]。目前，GNSS系統已經深入航空航天、航海、通信、定位導航、消費娛樂、車輛監控管理、測繪、授時以及信息服務等多方面，而且GNSS系統的發展目標是為實時應用提供更高精度的服務。 1.1.1 GPS系統 1957年10月4日，蘇聯成功發射了人類歷史上**顆人造衛星Sputnik 1。這顆衛星入軌運行后不久，美國約翰斯 霍普金斯大學應用物理實驗室利用地面跟蹤站的多普勒測量數據實現了衛星軌道的精確解算。在此項研究的基礎上，約翰斯 霍普金斯大學應用物理實驗室的麥克盧爾博士和克什納博士指出，對一顆軌道已經精確確定的衛星進行多普勒測量，則可以計算出用戶的位置坐標。上述研究為**代導航衛星系統的誕生提供了技術支持。1958年底，美國海軍委托霍普金斯大學應用物理實驗室研究用于潛艇導航服務的衛星系統，即海軍導航衛星系統（Navy Navigation Satellite System，NNSS），又稱子午儀衛導系統（transit navigation system），該系統的問世開創了導航新時代。1964年1月，該系統正式建成并交于美國海軍使用，該系統由6顆衛星組成，在近似圓形的軌道上運行，軌道傾角約為90°，軌道高度約為1 075 km，衛星的運行周期為107 min。1967年7月，美國政府解密該系統部分導航電文，以供民間使用。 作為**代導航衛星系統，子午儀衛導系統雖然具有劃時代意義，但還是存在一定的缺陷，如衛星數少、單次定位所需時間過長、定位精度低等，造成了無法實現全天候、全球范圍內高精度的連續導航。因此，美國軍隊迫切呼吁研制出一種新的導航衛星系統，在子午儀衛導系統的基礎上，美國陸海空三軍提出一種新的導航衛星系統，并將其稱為時距導航系統/全球定位系統（navigation system timing and ranging/global positioning system，NAVSTAR/GPS）。美國國防部于1973年正式開始研制GPS系統，1989年**顆GPS衛星發射成功，截至1995年4月系統達到全運行能力[2]。GPS衛星從建設開始，就一直處于不斷更新和完善之中，1997年，美國啟動了“GPS現代化”計劃，該計劃主要加強對美軍現代化戰爭的支持，并保持GPS在民用領域的全球主導地位。當前，美國正加緊部署研究GPS-III計劃，預計到2030年實現GPS授時精度1ns，定位精度達到0.2～0.5 m，實現更高的植被和陸地穿透能力，全面提高GPS的整體性能。GPS系統由空間部分、地面監測部分和用戶部分三部分組成。 GPS空間部分*初組網設計為（21 + 3）GPS星座，其中21顆為工作衛星，3顆為備用衛星，24顆衛星均勻分布在6個中圓地球軌道（medium earth orbit，MEO），每個軌道上有4顆衛星；軌道平均高度約為20 220 km；衛星軌道平面與地球赤道面的夾角為55°；相鄰兩個軌道的升交點赤經之差為60°；衛星運行周期為11 h 58 min。截至2020年10月，GPS在軌工作衛星共有31顆，其中GPS-IIR衛星9顆，GPS-IIR-M衛星7顆，GPS-IIF衛星12顆，第三代GPS-III/IIIF衛星3顆[3]。GPS系統在軌衛星信息如表1-1所示。 表1-1 GPS系統在軌衛星信息 目前，GPS衛星發射的信號包括載波信號、P碼（或Y碼）、C/A碼和數據碼（或D碼）等，其中載波信號包括L1（頻率為1 575.42 MHz）、L2（頻率為1 227.60 MHz）和L5（頻率為1 176.45 MHz）載波，三種載波的波長分別為0.190 3 m、0.244 2 m和0.254 8 m。L1載波上調制有C/A碼、P碼（或Y碼）和數據碼（或D碼），L2載波只調制有P碼（或Y碼）和數據碼，*初載波當作GPS信號傳輸測距碼和數據碼的載體，GPS信號之所以選取以上波段，主要是所選擇的載波具有穿透電離層能力較強的優點。另外，由于L載波還具有使用率低的優點，擴頻前景廣闊，有利于寬帶信號的傳送。 在無線電傳輸技術中，為了有效地傳輸信號，只有將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，將載波信號發射出去，這種做法稱為調制。GPS衛星信號傳輸時將測距碼和數據碼通過調相技術調制到載波上。GPS使用的測距碼包括P碼（或Y碼）和C/A碼，二者均屬于偽隨機碼。C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器組合產生的，C/A碼長Nu = 210？1 = 1 023 bit，碼元寬度 （ 為基礎頻率的1/10，即1.023 MHz），相對應的距離為293.1 m，周期為Tu = Nu tu = 1 ms，數碼率為1.023 Mbit/s。C/A碼主要用于測定衛星信號傳播的延遲，由于碼元寬度較大，易于捕獲，又稱為捕獲碼。P碼是由12級反饋移位寄存器組合構成的，碼長Nu≈2.35×1 014 bit，碼率f0 = 10.23 MHz，碼元寬度 ，相應的距離為29.3 m，周期為Tu = Nu tu≈267 d，數碼率為10.23 Mbit/s。因為P碼碼長較長，無法通過搜索C/A碼的方法捕獲P碼，因此，一般首先捕獲C/A碼，然后根據導航電文，捕獲P碼。由于P碼碼元寬度為C/A碼的1/10，若取碼元對齊精度仍為碼元寬度的1/100，相應的距離誤差為0.29 m，因此，P碼一般用于較高精度的導航和定位，由于美國政府對P碼保密，不提供民用，因此，一般用戶只能接收到C/A碼。具體GPS衛星信號組成見表1-2。 表1-2 GPS衛星信號組成 GPS地面監測部分包括1個主控站、5個衛星監測跟蹤站和3個地面信息注入站。主控站是*重要的部分，它是整個地面監測系統的運行管理中心和技術支持中心，其主要作用是收集每個監測站發送的數據，對GPS時間系統和衛星星歷進行編制，并將衛星星歷、時鐘誤差、姿態數據和大氣層延遲改正編制成導航電文傳送到注入站。主控站還能對衛星軌道和衛星鐘讀數進行修正，當衛星發生故障時，還要負責修復衛星或啟用備用件以維持其正常工作，當衛星故障過于嚴重導致無法修復時，則需要調用備用衛星去代替它，以確保整個系統能正常運作。衛星監測跟蹤站的主要任務是觀測每顆衛星并向主控站提供觀測數據。地面信息注入站也稱為地面天線，是主控站與衛星之間的通信鏈路，它的任務是將主控站計算的衛星星歷及時鐘修正參數等注入衛星。 GPS用戶部分主要由GPS接收機組成。GPS接收機包括主機、天線和電源，其主要任務是：捕獲、跟蹤并鎖定衛星信號，對接收的衛星信號進行處理，測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，并解譯出GPS衛星發射的導航電文，實時計算接收機天線的三維位置、速度和時間。在靜態定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。 1.1.2 GLONASS系統 GLONASS是蘇聯研制、組建的第二代導航衛星定位系統，該系統和GPS一樣，也采用距離交會原理工作。1982年10月12日，蘇聯成功發射**顆GLONASSA衛星。隨著蘇聯的解體，該系統大部分衛星停止運行。蘇聯解體后，該系統由俄羅斯接手并繼續研制完善，從2003年開始該系統進入全面升級和發展階段，并于2007年開始運營，但當時僅能實現俄羅斯境內的導航衛星定位服務，直到2011年才實現全球覆蓋。GLONASS空間部分設計與GPS相似，采用（21 + 3）GLONASS星座。24顆衛星均勻分布在3個軌道高度19 100 km、軌道傾角64.8°的中圓地球軌道上，相鄰軌道面的夾角為120°，軌道偏心率為0.01。衛星運行周期為11 h 15 min 44 s，地跡重復周期8 d，軌道同步周期17圈。由于GLONASSA衛星的軌道傾角大于GPS衛星的軌道傾角，所以在高緯度地區的可視性較好。 GLONASS系統使用的是頻分多址（frequency division multiple access，FDMA）的調制方式，與GPS采用的碼分多址（code division multiple access，CDMA）的調制方式不同。采用FDMA的調制方式使得不同衛星所占用的頻點不同，因此，GLONASS系統衛星播報的兩個頻段的頻率分別為L1 = 1602 + 0.5625×k（MHz）、L2 = 1246 + 0.4375×k（MHz），k為衛星編號。 GLONASS地面控制組包括一個系統控制站和一個指令跟蹤站，網絡分布于俄羅斯境內。指令跟蹤站跟蹤GLONASS的可視衛星，它遙測所有衛星，進行測距數據的采集和處理，并向各衛星發送控制指令和導航信息。在地面控制組內有激光測距設備對測距數據作周期修正，為此所有GLONASS衛星上都裝有激光反射鏡。 1.1.3 Galileo系統 歐盟于1999年首次公布Galileo導航衛星系統計劃，其目的是打破美國GPS的壟斷局面。Galileo系統由歐盟通過歐洲航天局（簡稱歐空局）（European Space Agency，ESA）建立，由歐洲GNSS機構（European GNSS Agency，GSA）經營。Galileo與美國GPS的軍事導向系統不同，Galileo主要是用于民用，是世界上**個具有商業性質的民用導航衛星系統，該系統除了提供基本的導航、定位及授時等服務外，還提供搜索與救援（search and rescue，SAR）服務以及付費的高精度服務（high accuracy service，HAS）。Galileo系統于2003年正式開始建立，由于歐盟內部成員國的分歧，計劃幾經推遲，直至2005年12月，才成功發射**顆測試衛星GIOVE-A，并于2008年4月發射第二顆測試衛星GI
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