北斗反射信号海面测高技术的研究

发布时间：2019-06-13 10:22

【摘要】：作为一种新兴的测高技术,全球卫星导航系统反射信号的应用(GNSS-R)因其成本低廉,拥有多无偿信号源,具备全天候,宽区域覆盖等特点,自上世纪90年代初以来就引起了世界多国研究学者的眷注。目前,GNSS-R技术的应用主要包括海面测高,冰雪监测,海面风场反演,海面溢油探测等。全球性海平面上升和海啸灾害的监测,大洋环流的确定、大洋潮汐模型的构建以及中尺度气候模型的研究都离不开海面高度的测量。当前,GNSS-R技术在海面测高中主要有三种方法,分别为码相位测高,载波相位测高和信噪比(SNR)测高。其中,码相位测高作为GNSS-R测高中比较基础的方法,具有稳定性高,处理数据少,反演计算速度快的优势,但是其反演的精度较低。载波相位测高和信噪比(SNR)测高的反演模型则较复杂,但其反演的精度较高。然而,关于这些测高模型的研究绝大多数是采用GPS信号和Galileo信号进行的。与其他导航卫星系统(例如GPS系统)所不同的是,我国自主研发的北斗卫星导航系统是通过三种不同的卫星星座组建成的混合星座,囊括了地球静止轨道(GEO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星和倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星。从2012年12月27起,北斗系统在亚太地区有很好的覆盖率。随着北斗系统的发展,北斗系统将为GNSS-R测高领域提供一个稳定的信号源,进一步增强GNSS-R测高的时空分辨率。同时,北斗系统独特的混合星座也将为该领提供一个更广阔的研究与应用平台。目前,我国的研究学者针对使用北斗反射信号进行海面测高的相关研究比较少。因此,本文将重点对北斗反射信号载波相位测高和信噪比(SNR)测高的可行性进行分析。在过去的三年内,我们的团队已经成功地利用GPS反射信号进行基于码相位测高和载波相位测高的高度反演实验和利用北斗反射信号进行码相位高度反演实验,并尝试着改进我们的接收机中软件处理模块的运算能力。立足于这些成功的实验和牢固的理论知识,我们开展了数次基于北斗反射信号载波相位测高和信噪比(测高)的实验。本文介绍了在大洋山海域,相对具备代表性的北斗反射信号载波相位海面测高实验和北斗反射信号信噪比(SNR)海面测高实验。载波相位测高实验中,我们结合北斗混合星座的特点,分别对IGSO/MEO和GEO载波相位测高模型进行分析,成功地实现海面高度反演。在信噪比(SNR)测高实验中,依据SNR测高模型,我们也成功地实现海面高度反演。本文的主要研究内容如下:1、简单地描述了北斗卫星导航系统混合星座及其信号的结构,并分别对GNSS-R测高中三种主要测高模型——码相位测高,载波相位测高和信噪比(SNR)测高进行阐述;分别对GNSS-R测高中主要的误差模型——粗糙度,电离层误差,对流层误差,地球曲率等进行介绍,并在一定程度上分析这些误差模型对测高方法的影响程度和适用范围。2、在大洋山海域,我们采用D-RHCP(左旋圆极化直射信号)和R-LHCP(左旋圆极化反射信号)天线和GNSS-R软件接收机分别接收和处理卫星信号,开展了基于北斗系统IGSO和GEO卫星反射信号的载波相位海面测高实验。实验中,分别依据IGSO/MEO和GEO载波相位测高模型的数据处理流程对海面高度进行反演。在与实际潮位数据对比后,基于IGSO/MEO载波相位测高模型的反演结果总体上实现了亚米级精度,而基于GEO载波相位测高模型的反演结果则在部分时间段内达到厘米级精度。3、在大洋山海域,我们采用单个普通的测量型天线和接收机分别接收和处理卫星信号,开展了基于北斗系统IGSO和MEO卫星反射信号信噪比(SNR)测高实验。实验中,依据信噪比(SNR)测高模型数据处理流程,分别对北斗系统的三个频段上的反射信号(B1,B2,B3)对海面高度进行长期(约1个月)的反演。在与实际潮位数据对比后,三个频段反演结果的相关系数皆高于96%;反演精度总体上达到亚米级。同时,针对岛上复杂的环境(多山,多植被等)和极端的天气(暴雨,狂风)对该测高方法的影响做了相关的分析。
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【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN967.1

【参考文献】