DOI: https://doi.org/10.1007/s44195-026-00122-3
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Wen‐Hao Yeh وآخرون
الموضوع الرئيسي: أمواج المحيط والاستشعار عن بُعد
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على تقنية أنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية – الانعكاسية (GNSS-R)، التي تستخدم الإشارات المنعكسة عن سطح الأرض لجمع البيانات البيئية. التركيز هو على القمر الصناعي الصغير تريتون، الذي تم إطلاقه في 9 أكتوبر 2023، والذي تم تصميمه وتصنيعه في تايوان، والذي يستخدم جهاز استقبال GNSS-R تم تطويره ذاتيًا لمعالجة إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المنعكسة عن سطح المحيط. الناتج الرئيسي لمهمة تريتون هو خريطة تأخير دوبلر (DDM) تُستخدم لاسترجاع سرعة الرياح على سطح المحيط.
تبدأ عملية الاسترجاع بمعايرة DDM لتخفيف تأثيرات الأجهزة على قوة الإشارة، تليها حساب البيانات الداعمة مثل مقطع الرادار الثنائي المعياري (NBRCS). يتم أيضًا تطوير نموذج وظيفي جيوفيزيائي (GMF) قبل استرجاع سرعة الرياح. يتم إتاحة بيانات سرعة الرياح على سطح المحيط للجمهور من خلال مركز تحليل تايوان لـ COSMIC (TACC) ويتم التحقق منها مقابل بيانات من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى إعادة التحليل v5 (EAR5). تتناول الورقة منهجية الاسترجاع وتقدم بيانات داعمة لتعزيز فهم قدرات GNSS-R لقمر تريتون الصناعي.
مقدمة
تستعرض المقدمة التطبيقات المتعددة الجوانب لأنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية (GNSS) في الاستكشاف البيئي، مع التأكيد على فائدتها في تحديد المعلمات الجوية والإيونوسفيرية من خلال طرق استقبال الإشارات المختلفة. تسهل الإشارات المستلمة من اتجاهات مختلفة – للأعلى، والأفقي، والأسفل – قياس تأخير التروبوسفير الزينيث (ZTD)، ومحتوى الإلكترون الكلي (TEC)، وتمكن من ملاحظات الانكسار الراديوي (RO). بالإضافة إلى ذلك، يتم تسليط الضوء على GNSS-Reflectometry (GNSS-R) لدورها في مراقبة مستوى البحر، ورطوبة التربة، ونشاط الجليد البحري، وسرعة الرياح على سطح المحيط.
كما تتناول هذه القسم تطور المهام الفضائية المخصصة لـ RO و GNSS-R، مشيرة إلى مهام هامة مثل مهمة FORMOsa SATellite Mission-3 (FORMOSAT-3/COSMIC) ومهمة FORMOsa SATellite Mission-7 (FORMOSAT-7/COSMIC-2)، بالإضافة إلى الإطلاق الأخير لقمر تريتون الصناعي من قبل وكالة الفضاء التايوانية (TASA). تم تصميم تريتون لإظهار تقنيات الأقمار الصناعية المتقدمة مع استخدام جهاز استقبال GNSS-R تم تطويره ذاتيًا لمعالجة إشارات GPS المنعكسة عن سطح المحيط لاسترجاع سرعة الرياح. تختتم المقدمة بنظرة عامة على نظام عملية تايوان R/RO (TROPS)، الذي تم تعديله ليشمل وظائف GNSS-R، موضحة هيكله وقدراته التشغيلية لمعالجة البيانات ونشر المنتجات.
نقاش
في قسم النقاش، تتناول الورقة معايرة خرائط تأخير دوبلر (DDM) لتخفيف تأثير الأجهزة على قياسات قوة الإشارة في أجهزة استقبال GNSS-R. تستخدم عملية المعايرة لجهاز استقبال CYGNSS حمولة جسم أسود كمرجع، بينما يفتقر جهاز استقبال GNSS-R الخاص بتريتون إلى مثل هذا المرجع. وبالتالي، يتم استخدام طريقة إحصائية لاشتقاق قيم الكسب اللازمة وحسابات قوة الإشارة. يتم تقديم معادلات المعايرة، بما في ذلك العلاقة بين قيم DDM، وكسب الجهاز، وقوة الضوضاء. تتضمن التحليل إزالة القيم الشاذة من البيانات واستخراج المعاملات من خلال الانحدار، مما يؤدي في النهاية إلى DDMs المعايرة المستخدمة لحساب معامل الانعكاس المعياري (NBRCS).
ثم تتم مقارنة NBRCS مع بيانات سرعة الرياح (U10) من مجموعة بيانات ECMWF ERA5، مما يوضح فعالية عملية المعايرة. تتناول الورقة تطوير وظيفتين نموذجيتين جيوفيزيائيتين (GMFs) لاسترجاع سرعات الرياح على سطح المحيط، مع تسليط الضوء على أهمية استخدام كلا النموذجين لتحسين دقة الاسترجاع. تشير النتائج إلى أن الحد الأقصى لسرعة الرياح المسترجعة يصل إلى حوالي 20 م/ث، مع خطأ جذر متوسط المربعات يبلغ حوالي 2.25 م/ث عند مقارنتها ببيانات ECMWF. تختتم الدراسة بالتأكيد على القدرات التشغيلية لمهمة GNSS-R الخاصة بتريتون، التي تهدف إلى توفير منتجات سرعة الرياح على سطح المحيط بشكل متاح من خلال نظام الاسترجاع المخصص لها.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44195-026-00122-3
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Wen‐Hao Yeh et al.
Primary Topic: Ocean Waves and Remote Sensing
Overview
The section provides an overview of the Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry (GNSS-R) technique, which utilizes signals reflected off the Earth’s surface to gather environmental data. The focus is on the Triton micro-satellite, launched on October 9, 2023, designed and manufactured in Taiwan, which employs a self-developed GNSS-R receiver to process ocean surface reflected Global Positioning System (GPS) signals. The primary output of Triton’s mission is a delay-Doppler map (DDM) used for retrieving ocean surface wind speed.
The retrieval process begins with DDM calibration to mitigate the effects of payload hardware on signal strength, followed by the calculation of supporting data such as the normalized bistatic radar cross section (NBRCS). A geophysical model function (GMF) is also developed prior to the wind speed retrieval. The resulting ocean surface wind speed data is made publicly available through the Taiwan Analysis Center for COSMIC (TACC) and is validated against data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis v5 (EAR5). The paper elaborates on the retrieval methodology and presents supporting data to enhance the understanding of the GNSS-R capabilities of the Triton satellite.
Introduction
The introduction outlines the multifaceted applications of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in environmental exploration, emphasizing their utility in determining atmospheric and ionospheric parameters through various signal reception methods. Signals received from different directions—upward, horizontal, and downward—facilitate the measurement of zenith tropospheric delay (ZTD), total electron content (TEC), and enable radio occultation (RO) observations. Additionally, GNSS-Reflectometry (GNSS-R) is highlighted for its role in monitoring sea level, soil moisture, sea ice activity, and ocean surface wind speed.
The section also details the evolution of satellite missions dedicated to RO and GNSS-R, noting significant missions such as FORMOsa SATellite Mission-3 (FORMOSAT-3/COSMIC) and FORMOsa SATellite Mission-7 (FORMOSAT-7/COSMIC-2), along with the recent launch of the Triton satellite by the Taiwan Space Agency (TASA). Triton is designed to demonstrate advanced satellite technologies while employing a self-developed GNSS-R receiver to process ocean surface reflected GPS signals for wind speed retrieval. The introduction concludes with an overview of the Taiwan R/RO process system (TROPS), which has been adapted to include GNSS-R functionalities, detailing its architecture and operational capabilities for data processing and product dissemination.
Discussion
In the discussion section, the paper addresses the calibration of Delay-Doppler Maps (DDM) to mitigate the influence of payload hardware on signal strength measurements in GNSS-R receivers. The calibration process for the CYGNSS receiver utilizes a black body load as a reference, while the Triton GNSS-R receiver lacks such a reference. Consequently, a statistical method is employed to derive the necessary gain values and signal power calculations. The calibration equations are presented, including the relationship between DDM values, instrument gain, and noise power. The analysis involves removing outliers from the data and deriving coefficients through regression, ultimately leading to calibrated DDMs used for calculating Normalized Backscatter Coefficient (NBRCS).
The NBRCS is then compared with wind speed data (U10) from the ECMWF ERA5 dataset, demonstrating the effectiveness of the calibration process. The paper details the development of two empirical Geophysical Model Functions (GMFs) for retrieving ocean surface wind speeds, highlighting the importance of using both GMFs to enhance retrieval accuracy. The results indicate that the maximum retrieval wind speed reaches approximately 20 m/s, with a root mean square error of about 2.25 m/s when compared to ECMWF data. The study concludes by emphasizing the operational capabilities of the Triton GNSS-R mission, which aims to provide accessible ocean surface wind speed products through its dedicated retrieval system.