基于GNSS-R的积雪厚度测量理论与方法研究

发布时间：2020-10-14 22:50

　　 积雪厚度是一个重要的自然环境参数,准确的、高时空分辨率的积雪厚度监测数据可以为全球气候变化、政策制定、水资源管理等提供可靠的科学依据。经积雪表面反射的GNSS信号被接收机接收、处理后会导致GNSS观测值多路径误差的产生,GNSS-R积雪厚度测量技术可利用观测值的多路径误差实现对积雪厚度的反演。根据测量模式的不同,GNSS-R积雪厚度测量技术可分为两大类:基于干涉模式的GNSS-R积雪厚度测量技术和基于反射模式的GNSS-R积雪厚度测量技术。前者使用普通的测地型接收机就可以对积雪厚度进行测量,是实现经济、可靠以及高时空分辨率积雪厚度监测的一种现实可行的手段;然而,目前该技术所使用的方法相对单一,对GNSS多路径误差特性的研究尚不充分,也缺乏对不同导航卫星系统、不同频段积雪厚度测量结果精度与误差的对比分析以及有效的加权融合模型。针对上述问题,本文对基于干涉模式的GNSS-R积雪厚度测量原理和方法进行了系统深入的研究。首先对GNSS反射、干涉信号的模型及其特征进行了分析;然后,分别研究了基于SNR观测值、载波相位观测值组合、伪距和载波相位观测值组合的积雪厚度测量方法,并通过实测数据对北斗、GPS和Galileo系统的积雪厚度测量结果进行了对比分析;最后,提出了一种基于主频功率谱密度的积雪厚度测量结果定权与数据融合方法,并通过实测数据验证了该方法的有效性。本文的具体工作和创新点如下:(1)建立了衡量反射信号强度的振幅衰减因子的函数模型,完善了GNSS多路径误差的数学模型。(2)对基于SNR方法的北斗、GPS和Galileo系统的积雪厚度测量结果及误差进行了对比分析,结果表明:受电磁波透射后再反射的影响,SNR积雪厚度测量结果存在一定的系统性负偏差,对多颗卫星积雪厚度测量值取平均可以提高积雪厚度测量结果可靠性和准确性。(3)研究了双频和三频载波相位组合的多路径误差特征,给出了双频组合的适用范围,提出了基于滑动平均滤波的双频载波相位多路径误差组合序列提取方法,并明确了不同天线高度下三频载波相位组合的频谱特性;建立了北斗、GPS和Galileo系统不同组合频段的积雪厚度测量模型,并利用实测数据对其积雪厚度测量结果及误差进行了对比分析。结果表明:基于三频组合的积雪厚度测量精度优于双频组合。(4)提出了基于单频伪距和载波相位观测值组合、以及基于双频伪距和载波相位观测值组合的两种GNSS-R积雪厚度测量方法,分析了两种组合的多路径误差特性,建立了北斗、GPS和Galileo不同频段最优组合的积雪厚度测量模型,并利用实测数据对其积雪厚度测量结果和误差进行了对比分析。结果表明:GNSS伪距观测值的测量精度对积雪厚度测量结果有重要影响,测距码码片长度越短,伪距观测值测量噪声越小,积雪厚度测量结果越准确,(5)提出了一种基于主频功率谱密度的多卫星监测积雪厚度融合方法及其定权准则。系统总结了GNSS-R积雪厚度测量误差的种类,分析了观测噪声、主频功率谱密度及主频估计误差之间的关系,结果表明:测量噪声与主频估计误差成正比,测量噪声越大,主频估计误差越大,积雪厚度测量结果越不准确。建立了多卫星积雪厚度测量结果的加权融合模型,并利用实测数据对提出的数据融合方法进行了验证。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P228.4;P426.635
【部分图文】：

1.4 技术路线为了完成文章的研究内容、达到研究目的，本文首先开展 GNSS 观测值多路径误差建模与特性方面的研究，然后在此基础上分别开展基于 SNR 的积雪厚度测量方法、基于载波相位观测值的积雪厚度测量方法以及基于伪距和载波相位观测值的积雪厚度测量方法的研究；并通过实测数据对各方法的测量结果进行分析和评价；最后，对不同方法产生的测量误差的原因进行分析总结，研究了不同系统、不同卫星、不同频段积雪厚度测量结果的定权和数据融合模型。本文的研究技术路线如图 1-1 所示。

图 2-1 降雪前后 GNSS 直射和反射信号传播几何模型图2.2 GNSS 干涉信号2.2.1 GNSS 干涉信号模型对于图 2-1 所示的场景，GNSS 接收机收到的电磁波信号是直射信号 Sd(t)和反射信号 Sm(t)叠加后的干涉信号 S(t)，直射信号、反射信号和干涉信号可分别表示为[40]：( ) sin ( )( ) sin ( ) ( )( ) ( ) ( )d dm md mS t A tS t A t tS t S t S t （2-4）式中， (t)为直射信号的相位，且有： ( t ) 2 ( t ) N （2-5）

其中，干雪、湿雪和混凝土的复介电常数分别为：2.025-.80j、3-0.000228j。可以看出，右旋反射分量的反射系数随着卫星高减小；左旋反射分量的反射系数随着卫星高度角的增大而增大。对的反射面来说，当卫星高度角分别大于 18°、29°和 36°左右时旋分量的反射系数大于右旋分量的反射系数，且随着卫星高度角的于定值；两反射分量反射系数相等时对应的卫星高度角也称为 一角度是判定反射电磁波极化特性的重要依据。不同反射分量反射系数随高度角的变化趋势还可以看出，当卫星高右旋电磁波反射分量的强度大于左旋反射分量；而当卫星高度角相反；此外，由于一般的测地型 GNSS 接收机普遍采用右旋圆极线对右旋圆极化电磁波有较高的增益，而对左旋圆极化电磁波则有应。因此，在使用普通的测地型接收机采集反射信号数据时，必须角在较小的范围内。
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本文编号：2841303