基于北斗/GPS信号的多星联合成像及土壤湿度监测研究

Nowadays the global navigation system has been developed quickly, especially recently our country's Beidou system has provided services for the Asia-Pacific region, the GNSS-R imaging technology for a wide range monitoring of spatial and temporal distribution of surface soil moisture has the advantages of low cost, wide coverage and plays important roles in agriculture application, climate research, disaster prevention and Beidou application..But so far this technology faces three major challenges: 1) how to build a high-precision dual station scattering imaging model when taking into account the motion of the satellite and the receiving platform containing the geometric parameters ; 2) how to build a function of the image feature and the soil moisture and invert soil moisture accurately using the imaging method; 3) how to enhance the signal to noise ratio in weak signal conditions and explore the signal processing method to improve GNSS-R range resolution and azimuth imaging. The project intends to establish an imaging model based on the three spatial locations of the satellite, the surface and the receiver, study the high resolution processing methods for reflected signal, and develop soil moisture inversion technique based on the characteristics of elements and image. Finally, the project will test the proposed methods for quality assessment by the ground based observation and UAV equipped experiments.

在全球导航系统蓬勃发展，特别是我国的北斗系统已经为亚太地区提供服务的今天，采用GNSS-R成像技术实现对大范围地表土壤湿度时空分布信息的监测，具有成本低、覆盖范围广的优点，对于农业、气候、防灾减灾应用以及北斗系统产业化都具有重要的意义。但是该技术面临三大挑战：1）如何顾及发射卫星和接收平台的运动，构建高精度的含几何参数的双站前向散射成像模型；2）如何建立图像特征量与土壤湿度之间的函数关系，利用成像法准确反演土壤湿度；3）如何在弱信号条件下增强信号信噪比，探索提高GNSS-R成像的距离分辨率和方位向分辨率的信号处理方法。本项目拟建立基于卫星、地表与接收机三者空间位置的成像模型，研究针对反射信号的高分辨处理方法，并发展基于像元要素和图像特征反演土壤湿度的技术。项目最后将建立地基观测平台，进行无人机搭载实验，对所提出的方法进行质量评估。

项目背景： 利用导航信号作为信号源的对地成像以及实现地面土壤湿度的遥感理论近年来成为研究热点，它具有成本低、覆盖范围广的特点，目前各宇航大国都逐渐投入较大力量，例如欧洲空间局ESA发射了实验小卫星TDS-1，而美国NASA则发射了CYGNSS的卫星星座，开展了利用导航反射信号遥感地球的研究。我国在这方面的研究还刚刚起步，与国际相关研究的技术差距很大。不过我国自主发展的北斗系统发展迅猛，为导航反射信号的研究提供了很好的机遇。本项目针对利用GNSS反射信号的成像以及土壤湿度监测问题的迫切需要，提出了一系列相关的新理论、新方法和新技术，完成了基于GNSS反射信号的土壤湿度监测理论和实验研究，并且完成了基于GNSS反射信号的成像理论和实际实验，解决了GNSS成像和土壤湿度监测等理论难题，取得了系列理论研究和关键技术创新。 主要研究内容和关键数据包括： （1）建立了基于北斗系统的成像模型。针对GEO卫星（静止卫星）和IGSO卫星（运动卫星）的不同情况，提出了成像理论，给出了实现算法，并通过了实验验证；（2）提出了成像超分辨方法，以及运动补偿和能量累积方法，提高了成像分辨率和图像信噪比；（3）研究了多种利用GNSS-R信号提取土壤湿度的方法，包括地基和星基的数据，并通过长期的实验验证了其有效性；（4）研究了利用GNSS信号反演大气参数的方法，研究成果应用于国家重点项目中。.科学意义： 1、利用GNSS估计大气参数的成果成功应用于“云海星座计划”等国家级重大项目，解决重要问题。 2、利用北斗信号反演湿度的研究成果成功应用于青藏高原湿地监测计划中，取得良好的社会经济效益。 3、研发了GNSS-R处理系统；发表研究论文近20篇，获批相关专利4项，以项目成果为基础获得多项省部级奖励，同时为我国卫星导航领域培养大批高素质科技人才。