[论文解读] The GNSS-R Eddy Experiment I: Altimetry from Low Altitude Aircraft

Giulio Ruffini, F. Soulat+3 more|ArXiv.org|Oct 20, 2003

Soil Moisture and Remote Sensing参考文献 10被引用 6

一句话总结

本论文表明，利用低空飞机进行全球导航卫星系统反射测量（GNSS-R），通过追踪直射和反射的GPS信号，应用大地测量波形模型进行重跟踪，并采用差分几何高度计模型，可在海面高度（SSH）测量中实现10 cm的精度。该方法实现了3 m的测距精度，并证实了GNSS-R在中尺度海洋高度计测量中的潜力。

ABSTRACT

We report results from the Eddy Experiment, where a synchronous GPS receiver pair was flown on an aircraft to collect sampled L1 signals and their reflections from the sea surface to investigate the altimetric accuracy of GNSS-R. During the experiment, surface wind speed (U10) was of the order of 10 m/s, and significant wave heights of up to 2 m, as discussed further in a companion paper. After software tracking of the two signals through despreading of the GPS codes, a parametric waveform model containing the description of the sea surface conditions has been used to fit the waveforms (retracking) and estimate the temporal lapse between the direct GPS signals and their reflections. The estimated lapses have then been used to estimate the sea surface height (SSH) along the aircraft track using a differential geometric model. As expected, the precision of GNSS-R ranges was of 3 m after 1 second integration. More importantly, the accuracy of the GNSS-R altimetric solution with respect to Jason-1 SSH and in situ GPS buoy measurements was of 10 cm, which was the target with the used experimental setup. This new result confirms the potential of GNSS-R for mesoscale altimetric monitoring of the ocean, and provides an important milestone on the road to a space mission.

研究动机与目标

• 验证利用低空飞机数据进行高精度海面高度（SSH）测量的GNSS-R可行性。
• 评估包含海面大地物理参数的参数化波形模型在提升重跟踪精度方面的性能。
• 将GNSS-R的SSH估算值与Jason-1卫星高度计数据及现场GPS浮标测量结果进行对比，以评估精度。
• 研究飞行高度和飞机引起的多径效应对重跟踪可靠性及高度计精度的影响。
• 为未来针对中尺度海洋环流监测的星载GNSS-R任务奠定基础。

提出的方法

• 采用软件定义接收机，通过应用时延和多普勒门限窗口，并与干净信号副本互相关，追踪L1频段GPS的直射和反射信号。
• 从追踪信号中以1秒为间隔进行非相干平均，生成表示海面反射功率返回的波形。
• 应用包含风速（10 m/s）、风向（0°）和海面坡度概率密度函数（PDF）各向同性系数（0.65）的参数化波形模型，对波形进行拟合。
• 重跟踪过程估计直射与反射信号之间的时间延迟，随后通过差分几何模型计算SSH。
• 将高度计解算结果与Jason-1的SSH数据及同一路线上GPS浮标测量结果进行验证。
• 进行敏感性分析，以评估恒定大地物理参数假设和飞行高度对最终误差预算的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 GNSS-R能否利用低空飞机数据实现海面高度估计的亚分米级精度？
• RQ2 在波形模型中引入大地物理参数（如风速、波面坡度PDF）对重跟踪精度有何影响？
• RQ3 飞机引起的多径效应对信号追踪和高度计解算可靠性有何影响？
• RQ4 飞行高度如何影响反射区域的角展宽以及重跟踪过程的鲁棒性？
• RQ5 GNSS-R高度计在多大程度上可达到类似Jason-1等单基地雷达高度计的精度？

主要发现

• GNSS-R高度计解算结果相对于Jason-1 SSH测量的均方根（RMS）误差为10.5 cm，偏差为1.9 cm。
• 经过1秒积分后，GNSS-R测距精度达到3米，与理论预期一致。
• 采用包含风速和海面坡度PDF的大地物理波形模型显著提升了重跟踪精度，解释了为何早期未采用此类模型的研究表现较差。
• 发现飞行高度并非最优，低空飞行增加了反射区域的角展宽，并加剧了飞机多径效应。
• 实验结果证实，GNSS-R可实现10 cm的SSH估计精度，满足中尺度海洋监测的目标要求。
• 建议采用更高空飞行以减少大地物理参数变化和飞机多径效应的影响，从而提升未来星载任务高度计解算的鲁棒性。