北斗反射信號海面測高技術的研究.pdf

1、作為一種新興的測高技術，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)反射信號的應用（GNSS-R）因其成本低廉，擁有多無償信號源，具備全天候，寬區(qū)域覆蓋等特點，自上世紀90年代初以來就引起了世界多國研究學者的眷注。目前，GNSS-R技術的應用主要包括海面測高，冰雪監(jiān)測，海面風場反演，海面溢油探測等。
　　全球性海平面上升和海嘯災害的監(jiān)測，大洋環(huán)流的確定、大洋潮汐模型的構建以及中尺度氣候模型的研究都離不開海面高度的測量。當前，GNSS-R技術在海面測高中主要有

2、三種方法，分別為碼相位測高，載波相位測高和信噪比（SNR）測高。其中，碼相位測高作為 GNSS-R測高中比較基礎的方法，具有穩(wěn)定性高，處理數(shù)據(jù)少，反演計算速度快的優(yōu)勢，但是其反演的精度較低。載波相位測高和信噪比（SNR）測高的反演模型則較復雜，但其反演的精度較高。然而，關于這些測高模型的研究絕大多數(shù)是采用GPS信號和Galileo信號進行的。
　　與其他導航衛(wèi)星系統(tǒng)（例如GPS系統(tǒng)）所不同的是，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是通過

3、三種不同的衛(wèi)星星座組建成的混合星座，囊括了地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星。從2012年12月27起，北斗系統(tǒng)在亞太地區(qū)有很好的覆蓋率。隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，北斗系統(tǒng)將為GNSS-R測高領域提供一個穩(wěn)定的信號源，進一步增強GNSS-R測高的時空分辨率。同時，北斗系統(tǒng)獨特的混合星座也將為該領提供一個更廣闊的研究與應用平臺。
　　目前，我國的研究學者針對使用北斗反射信號進行海面測高

4、的相關研究比較少。因此，本文將重點對北斗反射信號載波相位測高和信噪比（SNR）測高的可行性進行分析。在過去的三年內，我們的團隊已經(jīng)成功地利用GPS反射信號進行基于碼相位測高和載波相位測高的高度反演實驗和利用北斗反射信號進行碼相位高度反演實驗，并嘗試著改進我們的接收機中軟件處理模塊的運算能力。立足于這些成功的實驗和牢固的理論知識，我們開展了數(shù)次基于北斗反射信號載波相位測高和信噪比（測高）的實驗。本文介紹了在大洋山海域，相對具備代表性的北斗

5、反射信號載波相位海面測高實驗和北斗反射信號信噪比（SNR）海面測高實驗。載波相位測高實驗中，我們結合北斗混合星座的特點，分別對IGSO/MEO和GEO載波相位測高模型進行分析，成功地實現(xiàn)海面高度反演。在信噪比（ SNR）測高實驗中，依據(jù)SNR測高模型，我們也成功地實現(xiàn)海面高度反演。
　　本文的主要研究內容如下：
　　1、簡單地描述了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)混合星座及其信號的結構，并分別對GNSS-R測高中三種主要測高模型——碼相位測

6、高，載波相位測高和信噪比（SNR）測高進行闡述；分別對GNSS-R測高中主要的誤差模型——粗糙度，電離層誤差，對流層誤差，地球曲率等進行介紹，并在一定程度上分析這些誤差模型對測高方法的影響程度和適用范圍。
　　2、在大洋山海域，我們采用D-RHCP（左旋圓極化直射信號）和R-LHCP（左旋圓極化反射信號）天線和 GNSS-R軟件接收機分別接收和處理衛(wèi)星信號，開展了基于北斗系統(tǒng)IGSO和GEO衛(wèi)星反射信號的載波相位海面測高實驗。實驗

7、中，分別依據(jù)IGSO/MEO和GEO載波相位測高模型的數(shù)據(jù)處理流程對海面高度進行反演。在與實際潮位數(shù)據(jù)對比后，基于IGSO/MEO載波相位測高模型的反演結果總體上實現(xiàn)了亞米級精度，而基于GEO載波相位測高模型的反演結果則在部分時間段內達到厘米級精度。
　　3、在大洋山海域，我們采用單個普通的測量型天線和接收機分別接收和處理衛(wèi)星信號，開展了基于北斗系統(tǒng)IGSO和MEO衛(wèi)星反射信號信噪比（SNR）測高實驗。實驗中，依據(jù)信噪比（SNR）