DOI: https://doi.org/10.1186/s43020-024-00139-4
تاريخ النشر: 2024-05-26
المؤلف: Shuanggen Jin وآخرون
الموضوع الرئيسي: رطوبة التربة والاستشعار عن بعد
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التقدم في نظام الأقمار الصناعية للملاحة العالمية – الانعكاسية (GNSS-R)، الذي يستخدم الإشارات المنعكسة من GNSS لتطبيقات مختلفة في مراقبة الأرض. يبرز القدرات التي يوفرها GNSS، بما في ذلك GPS وBDS وGalileo وGLONASS، في تقديم بيانات تحديد المواقع والملاحة والتوقيت بدقة عالية. تستعرض الورقة التطورات الأخيرة في GNSS-R، مع التركيز على النمذجة النظرية ومعالجة الإشارات ونشر التجارب الأرضية والجوية. يتم مناقشة المعلمات الرئيسية المستخرجة من خلال GNSS-R، مثل سرعة الرياح وارتفاع سطح البحر ورطوبة التربة وسمك الجليد، جنبًا إلى جنب مع تطبيقاتها عبر مجالات مختلفة، بما في ذلك الغلاف الجوي والمحيطات والأرض والنباتات والبيئة الجليدية.
بالإضافة إلى ذلك، يتناول القسم التحديات التي تواجه تطوير تقنيات GNSS-R ويحدد الآفاق المستقبلية، مع التأكيد على الإمكانيات المتعلقة بالانعكاسية متعددة GNSS، وأجهزة استقبال GNSS-R المبتكرة، والبعثات الجديدة. كما يتم الإشارة إلى التطبيقات الناشئة، مثل مراقبة دوامات المحيطات المتوسطة الحجم، وازدهار العوالق البحرية، والميكروبلاستيك، وتدفق الأنهار، والبيئات الصحراوية، والمخاطر الطبيعية مثل الانهيارات الأرضية. تؤكد هذه المراجعة الشاملة على الإمكانيات التحويلية لـ GNSS-R في تعزيز فهمنا لأنظمة الأرض.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة تطور وتطبيقات أنظمة الأقمار الصناعية للملاحة العالمية (GNSS)، التي تشمل أنظمة مختلفة مثل GPS وBeiDou وGLONASS وGalileo. تُعرف هذه الأنظمة بقدراتها على تحديد المواقع والملاحة والتوقيت في جميع الأحوال الجوية وفي الوقت الحقيقي، ويمكن أيضًا استخدام إشاراتها في الاستشعار عن بعد من خلال نظام الأقمار الصناعية للملاحة العالمية – الانعكاسية (GNSS-R). توضح الورقة التطور التاريخي لـ GNSS-R، بدءًا من اقتراحه الأولي للاستخدام في قياس التشتت في عام 1988 إلى التقدم الكبير في قياس الارتفاع وتقدير خصائص السطح، بما في ذلك خشونة سطح البحر وسرعة الرياح، التي تم تسهيلها من خلال تجارب وبعثات مختلفة مثل نظام الأقمار الصناعية للملاحة العالمية الإعصارية (CYGNSS).
يبرز المؤلفون المعالم الرئيسية في أبحاث GNSS-R، بما في ذلك أول قمر صناعي لتقنية GNSS-R تم إطلاقه في الفضاء، وهو القمر الصناعي لتجربة تقنية GNSS-R-1 (TDS-1) في عام 2014، الذي قدم بيانات قيمة لخريطة التأخير-دوبلر (DDM). تستعرض الورقة المبادئ والأساليب والتطورات الأخيرة في تطبيقات GNSS-R عبر منصات مختلفة، مع التأكيد على أهمية تقنيات الاستقبال الجديدة والانعكاسية متعددة GNSS. تختتم المناقشة بنظرة على الآفاق المستقبلية لـ GNSS-R، بما في ذلك البرامج الفضائية المحتملة والتطبيقات في مراقبة البيئة واكتشاف الأهداف.
طرق
يستعرض هذا القسم منهجية نظام الأقمار الصناعية للملاحة العالمية الانعكاسية (GNSS-R)، والتي تتضمن جمع الإشارات المنعكسة من مصادر مختلفة لاسترجاع المعلمات الجيوفيزيائية للأسطح العاكسة. تعتبر نقطة الانعكاس المتناظرة، التي تُعرف بأنها الموقع الذي يمتلك أقصر وقت عبور للإشارات بين المرسل والمستقبل والسطح العاكس، مركزية في هذه العملية. نظرًا لصعوبة نمذجة السطح العاكس بدقة، يتم استخدام تقريبات مثل نماذج الجيود فوق المحيطات ونماذج الارتفاع الرقمية فوق اليابسة. تعترف المنهجية بأنه قد تحدث نقاط انعكاس متعددة فوق اليابسة بسبب انحدارات التضاريس، ولكن عادة ما تكون هذه النقاط متجمعة حول النقطة المتناظرة.
تُصنف منهجيات GNSS-R إلى مجموعتين: الأولى تستخدم أجهزة استقبال مزودة بعدة هوائيات للملاحظات في الموقع، والطائرات، والأقمار الصناعية، بينما تستخدم الثانية جهاز استقبال GNSS تقليدي بهوائي واحد، محدودًا بالملاحظات في الموقع أو الرحلات على ارتفاع منخفض. تشمل تقنيات معالجة الإشارات GNSS-R التقليدية (cGNSS-R) وGNSS-R التداخلية (iGNSS-R). يقوم cGNSS-R بمطابقة الإشارة المنعكسة مع نسخة من كود الضوضاء العشوائية الزائفة (PRN) الذي تم إنشاؤه بواسطة المستقبل، مما يعزز جودة الإشارة من خلال المتوسط غير المتماسك. في المقابل، يقوم iGNSS-R بمطابقة الإشارة المنعكسة مع الإشارة المباشرة، مما يوفر مزايا مثل تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) وزيادة عرض النطاق الترددي، على الرغم من أنه يتطلب هوائيات أكبر للعمل بشكل فعال.
مناقشة
تركز قسم المناقشة في ورقة البحث على الهندسة وتقنيات معالجة الإشارات لنظام الأقمار الصناعية للملاحة العالمية الانعكاسية (GNSS-R) لتطبيقات مختلفة، لا سيما في استرجاع المعلمات الجيوفيزيائية مثل محتوى رطوبة التربة (SMC) وخصائص السطح. يبرز الاختلافات في استقبال الإشارات بناءً على ارتفاع أجهزة استقبال GNSS-R، التي يمكن أن تكون أرضية أو جوية أو فضائية. تلتقط أجهزة الاستقبال الأرضية بشكل أساسي الإشارات المباشرة من الأعلى والإشارات المنعكسة من أسفل أفقها المحلي، بينما قد تتلقى أجهزة الاستقبال الجوية والفضائية أيضًا إشارات مباشرة من أسفل الأفق بسبب انحناء الأرض. يؤكد القسم على أهمية التأخير النسبي بين الإشارات المباشرة والمنعكسة، والتي يمكن استخدامها للتمييز بين الاثنين وتحسين دقة القياس.
تقدم الورقة تقنية نمط التداخل (IPT)، التي تستخدم هوائيًا واحدًا مع استقطاب مزدوج لتحليل التداخل بين الإشارات المباشرة والمنعكسة، مما يمكّن من تقدير SMC وخصائص النباتات. يُعزى فعالية IPT إلى قدرتها على التقاط التغيرات في سعة الإشارة وطورها، لا سيما عند زاوية بروستر، التي توفر معلومات حيوية حول خصائص السطح. بالإضافة إلى ذلك، يناقش القسم تكوينات الهوائيات المزدوجة التي تعزز قياس الإشارات المنعكسة ونعومة السطح، مما يسمح بفهم أكثر دقة لرطوبة التربة وخشونة السطح. كما يتم تلخيص التقدم في تكنولوجيا GNSS-R، بما في ذلك بعثات وأدوات مختلفة، مما يشير إلى الإمكانيات المتزايدة لـ GNSS-R في مراقبة البيئة والدراسات الجيوفيزيائية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s43020-024-00139-4
Publication Date: 2024-05-26
Author(s): Shuanggen Jin et al.
Primary Topic: Soil Moisture and Remote Sensing
Overview
The section provides an overview of the advancements in Global Navigation Satellite System-Reflectometry (GNSS-R), which utilizes reflected signals from GNSS for various Earth observation applications. It highlights the capabilities of GNSS, including GPS, BDS, Galileo, and GLONASS, in delivering high-precision positioning, navigation, and timing data. The paper reviews recent developments in GNSS-R, focusing on theoretical modeling, signal processing, and the deployment of ground and airborne experiments. Key parameters retrieved through GNSS-R, such as wind speed, sea surface height, soil moisture, and ice thickness, are discussed alongside their applications across different domains, including the atmosphere, oceans, land, vegetation, and cryosphere.
Additionally, the section addresses the challenges faced in the development of GNSS-R technologies and outlines future prospects, emphasizing the potential for multi-GNSS reflectometry, innovative GNSS-R receivers, and new missions. Emerging applications are also noted, such as monitoring mesoscale ocean eddies, ocean phytoplankton blooms, microplastics, river flow, desert environments, and natural hazards like landslides. This comprehensive review underscores the transformative potential of GNSS-R in enhancing our understanding of Earth’s systems.
Introduction
The introduction of the paper discusses the evolution and applications of Global Navigation Satellite Systems (GNSS), which encompass various systems like GPS, BeiDou, GLONASS, and Galileo. These systems are known for their all-weather, real-time positioning, navigation, and timing capabilities, and their signals can also be utilized for remote sensing through Global Navigation Satellite System-Reflectometry (GNSS-R). The paper outlines the historical development of GNSS-R, starting from its initial proposal for scatterometry in 1988 to significant advancements in altimetry and surface property estimation, including sea surface roughness and wind speed, facilitated by various experiments and missions such as the Cyclone Global Navigation Satellite System (CYGNSS).
The authors highlight key milestones in GNSS-R research, including the first space-borne GNSS-R Technology Demonstration Satellite-1 (TDS-1) launched in 2014, which provided valuable Delay-Doppler Map (DDM) data. The paper reviews the principles, methods, and recent advancements in GNSS-R applications across different platforms, emphasizing the importance of new receiver technologies and multi-GNSS reflectometry. The discussion concludes with a look at future prospects for GNSS-R, including potential satellite programs and applications in environmental monitoring and target detection.
Methods
The section outlines the methodology of Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R), which involves collecting reflected signals from various sources to retrieve geophysical parameters of reflecting surfaces. The specular reflection point, defined as the location with the shortest transit time for signals between the transmitter, receiver, and reflecting surface, is central to this process. Due to the impracticality of accurately modeling the reflecting surface, approximations such as geoid models over oceans and digital elevation models over land are employed. The methodology acknowledges that multiple reflection points may occur over land due to terrain slopes, but these are typically clustered around the specular point.
GNSS-R methodologies are categorized into two groups: the first utilizes receivers with multiple antennas for in-situ, aircraft, and satellite observations, while the second employs a single-antenna classical GNSS receiver, limited to in-situ observations or low-altitude flights. Signal processing techniques include conventional GNSS-R (cGNSS-R) and interferometric GNSS-R (iGNSS-R). cGNSS-R correlates the reflected signal with a replica of the receiver-generated Pseudo-Random Noise (PRN) code, enhancing signal quality through incoherent averaging. In contrast, iGNSS-R correlates the reflected signal with the direct signal, offering advantages such as improved signal-to-noise ratio (SNR) and increased bandwidth, albeit requiring larger antennas for effective operation.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the geometry and signal processing techniques of Global Navigation Satellite System Reflectometry (GNSS-R) for various applications, particularly in retrieving geophysical parameters such as soil moisture content (SMC) and surface characteristics. It highlights the differences in signal reception based on the altitude of GNSS-R receivers, which can be ground-based, airborne, or spaceborne. Ground receivers primarily capture direct signals from above and reflected signals from below their local horizon, while airborne and spaceborne receivers may also receive direct signals from below the horizon due to the curvature of the Earth. The section emphasizes the significance of the relative delay between direct and reflected signals, which can be utilized to distinguish between the two and improve measurement accuracy.
The paper introduces the Interference Pattern Technique (IPT), which employs a single antenna with dual polarization to analyze the interference between direct and reflected signals, enabling the estimation of SMC and vegetation characteristics. The IPT’s effectiveness is attributed to its ability to capture variations in signal amplitude and phase, particularly at the Brewster angle, which provides critical information about surface properties. Additionally, the section discusses dual-antenna configurations that enhance the measurement of reflected signals and surface reflectivity, allowing for a more nuanced understanding of soil moisture and surface roughness. The advancements in GNSS-R technology, including various missions and instruments, are also summarized, indicating the growing potential of GNSS-R in environmental monitoring and geophysical studies.