北斗反射信号海面高度的反演技术研究

发布时间：2017-10-14 23:27

  本文关键词：北斗反射信号海面高度的反演技术研究

  更多相关文章： 北斗反射信号 海面高度 GEO 伪码 湖面测高 海面测高

【摘要】：GNSS反射信号的应用(GNSS-R)是一个新兴的技术领域,由于其低成本,多信号源,全天候,宽覆盖等特点,自1993年以来得到了世界各国的关注。目前海面测高,海冰检测,海面波高,溢油监测等是GNSS-R技术的主要应用。海面平均高度是影响人类生活和生产重要的海洋物理参数之一。海面测高技术是GNSS-R重要的应用之一,它对于研究全球气候变化有着极其重要的意义。目前,GNSS-R海面测高主要有两种方法:1.伪码测高;2.载波测高;而载波测高又可分为载波延迟测高,载波频率测高和载波干涉测高。很多研究机构已经在这个领域取得了卓越的成就。但是,这些研究大都是利用的是GPS L1信号和Galileo E1信号,这些信号大多来源于高速度运转的中地球轨道(MEO)卫星,接收机,卫星信号和镜面反射点之间不能有稳定的几何关系。和现有的其他卫星系统相比,我国自主研发的北斗卫星导航系统,现在已经日渐趋于成熟,北斗系统与GPS系统不同,它是由同步地球轨道(GEO)卫星、MEO卫星和倾斜地球轨道(IGSO)卫星组成的混合星座,在亚太地区有更好的覆盖率。不仅如此,其所具有的星座GEO具有相对静止的特点,其高度角变化率较低,可以提供一个相对稳定的几何关系,这些特点使其将在GNSS-R研究领域具有重要的地位。近几年,国内学者对于北斗反射事件的研究相对较少。李伟强等人利用北斗GEO反射信号进行了海风实验取得很好的精度,而目前还没有研究证明利用北斗反射信号海面高度反演的可行性。本文将重点对北斗反射信号伪码测高可行性进行深入研究。在过去的两年里,我们团队已经成功地利用GPS反射信号进行高度反演实验,并改进我们的现有的反射信号软件接收机的处理速度。而基于这些成功实验以及扎实的基础知识,我们进行了利用北斗反射信号进行多次测高实验,本文介绍了比较具有代表性的北斗反射信号滴水湖湖面测高实验和在大洋山实验基地的海面测高实验,并首次利用北斗反射信号软件接收机对北斗直射信号和两路反射信号(左旋圆极化和右旋圆极化两路反射信号)进行海面绝对高度的反演,通过对大量有益的数据的分析,验证了岸基北斗反射信号海面测高的可行性。结果表明,利用北斗GEO反射左旋圆极化信号进行海面测高更具稳定性和精确性。本文的主要研究内容如下:1、详细介绍了北斗星座概况以及信号组成原理、结合北斗直射信号与反射信号的跟踪捕获原理,介绍了北斗直射和反射信号相关功率的计算;2、结合电磁波特性以及其反射性质,反射面(假设地球表面为水平,不考虑地球曲率)上的北斗反射信号高度反演模型进行公式推导。介绍了利用北斗卫星信号进行伪码测高的基本原理,最后详细介绍镜面反射点的计算。3、采用北斗GEO和IGSO卫星的D-RHCP(直射右旋圆极化信号),R-LHCP(反射左旋圆极化信号)和R-RHCP(反射右旋圆极化信号)进行滴水湖湖面的伪码测高。经过湖面实验数据分析,我们知道了北斗GEO卫星反射信号的测高结果均方根为0.11米,而IGSO反射信号的为1.61米。4、在湖面实验的基础上,利用IGSO和GEO卫星的D-RHCP,R-LHCP,和R-RHCP信号进行长达28小时的海面的测高实验,分析其中的可能存在的误差,将北斗GEO信号和IGSO反射信号,R-LHCP和R-RHCP得到信号进行横向纵向对比分析。得到北斗GEO卫星的反射左旋极化信号测得数据的均方根为0.37米,远远高于从IGSO左旋圆极化计算的精度。经过对比分析,我们得出。在岸基海面测高的实验中,GEO比IGSO的测高精度要高,更适合进行长时间的定性的测高实验。当然对于机载实验,由于多径效应的影响,其结论可能是不同的。
【关键词】：北斗反射信号 海面高度 GEO 伪码 湖面测高 海面测高
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 引言10-16
• 1.1 北斗反射信号研究背景及意义10-12
• 1.2 导航卫星反射信号海面测高国内外研究12-14
• 1.3 主要任务14
• 1.4 论文结构14-16
• 第二章 北斗信号的接收与处理16-23
• 2.1 北斗星座简介16-17
• 2.2 北斗信号结构17-18
• 2.3 北斗信号处理18-22
• 2.3.1 北斗信号的捕获18-19
• 2.3.2 北斗信号的跟踪19-21
• 2.3.3 反射信号互相关函数21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 北斗反射信号测高原理23-32
• 3.1 电磁波原理23-27
• 3.1.1 电磁波定义23
• 3.1.2 电磁波类型23-24
• 3.1.3 电磁波极化24-25
• 3.1.4 电磁波反射25-27
• 3.2 反射信号测高几何关系模型27-28
• 3.3 码相位测高28-29
• 3.4 镜面反射点29-31
• 3.5 本章小结31-32
• 第四章 北斗反射信号地基海面测高实验32-49
• 4.1 实验参数设置32-35
• 4.1.1 实验场景参数32
• 4.1.2 实验设备参数32-35
• 4.2 湖面伪码相位延迟测高35-42
• 4.2.1 数据采集35-36
• 4.2.2 卫星选取及镜面反射点的计算36-37
• 4.2.3 数据处理37-40
• 4.2.4 实验数据结果分析40-42
• 4.3 大洋山海面测高实验42-47
• 4.3.1 数据采集42-44
• 4.3.2 卫星选取44-45
• 4.3.3 数据处理与结果分析45-47
• 4.4 结论47-49
• 第五章 总结与展望49-51
• 参考文献51-56
• 附录56-57
• 致谢57-58

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本文编号：1033784