基于gps-r海洋測高算法研究

1、基于 GPS-R 的海洋測高算法研究王書陽 1,2 郭金運(yùn) 1,2 李國偉 1,2 宗 干 1,2（1.山東科技大學(xué)測繪學(xué)院，青島 266590：2.海島（礁）測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266590）摘 要 GPS-R 是一種嶄新的海洋遙感技術(shù)，其中利用 GPS-R 進(jìn)行海洋測高具有成本低、獲取數(shù)據(jù)量多和快速等突出特點(diǎn)。在 GPS-R 海洋測高中，通過計(jì)算鏡面反射點(diǎn)的位置，從而得到海面高信息。本文主要對

2、 GPS-R 海洋測高中鏡面反射點(diǎn)的算法進(jìn)行研究，確定了算法步驟，導(dǎo)出了海面高的誤差理論傳播公式。結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)，解算出測站一天的海面高數(shù)據(jù)，根據(jù)衛(wèi)星高度角的范圍對解算的海面高誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明衛(wèi)星高度角在 55° - 90°范圍內(nèi)達(dá)到了 6cm 的精度，誤差理論值與實(shí)際解算的誤差有較好的一致性。關(guān)鍵詞 大地測量；GPS-R；海面高；鏡面反射點(diǎn)On Ocean Altimetry Algorithm base

3、d on GPS-RWang Shuyang 1,2, Guo Jinyun 1,2, Li Guowei 1,2, Zong Gan 1,2（1. College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China2. Key Laboratory of Surveying and Mapping

4、on Island and Reef of NASMG, Qingdao 266590, China ）Abstract: As a new remote sensing technology, GPS-R can get the information of ocean surface wind, ocean surface roughness and coean altimetry, etc. Ocean altimetry bas

5、ed on GPS-R is low cost and it is easy to obtain large amounts of data thanks to the global navigation satellite constellation. We can get the sea surface height by the location of the specular reflection point. This pap

6、er focuses on the study of the algorithm of the specular reflection point and has determined the steps of the algorithm. We can also derivate the error formula of the sea surface height based on error propagation theory.

7、 Finally, we calculate the sea surface height based on the simulated data within the whole day as well as classify the error of the sea surface height according to the scope of the satellite elevation angle, the results

8、show that the sea surface height can reach 6 centimeter precision between 55° and 90° and the theoretical error and the calculated error are in good agreement.Keywords: Geodesy, GPS-R, Sea Surface Height, Specu

9、lar Reflection Point.1 引言海面高是一個(gè)重要的幾何量，它是物理海洋、地球物理學(xué)、大地測量學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，國內(nèi)外對海面高的觀測手段主要依賴于衛(wèi)星雷達(dá)測高技術(shù)和分布于沿海各地的若干驗(yàn)潮站。衛(wèi)星高度計(jì)只能獲得衛(wèi)星星下點(diǎn)的海面高，而驗(yàn)潮站也只能以單點(diǎn)形式進(jìn)行測量，無法對大范圍海域進(jìn)行海面高測量。GPS-R（ Global Position System-Reflection ）技術(shù)是在 1993 年由科學(xué)家

10、 Martin-Neira[1]首次提出 PARIS（Passive Reflectometry and Interferometry System）的概念，用來進(jìn)行海洋測高。由于其采用無源探測方法,具有成本低、獲取數(shù)據(jù)量多和快速等突出特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星高度計(jì)和驗(yàn)潮站的不足。隨著對 GPS-R 技術(shù)的研究，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)利用GPS-R 的反射信號(hào)信息還可以獲得海面風(fēng)場[2]、海面粗糙度[3]、土壤濕度[4]等其他信息。在（1）?? ?

11、? ? ?GUHHRGRURGRUMGCUMGMUMGUM ' ' '（2） ) (? ? ? ?? ? ? ? U G H HH U MG UU求出 M 點(diǎn)的坐標(biāo)（M 為 UG 連線上且靠近接收機(jī)的一點(diǎn)） ，R 點(diǎn)的坐標(biāo)隨之確定，ar與角 ai 也隨之確定。根據(jù)鏡面反射定律，角 ar 與角 ai 是相等的，但通常情況下是不相等的，需進(jìn)行迭代計(jì)算直至角 ar 與角 ai 相等：1）首先建立本地坐標(biāo)系：坐標(biāo)原點(diǎn)位于

12、用戶接收機(jī)（U） ，Z 軸指向本地水平面的法向方向且向上為正，Y 軸垂直于 Z 軸并以指向 GPS 衛(wèi)星（G）方向?yàn)檎琘-Z 軸平面包括了用戶接收機(jī)（U） ，GPS 衛(wèi)星（G）和鏡面反射點(diǎn)（R） 。X 軸垂直于 Y-Z 平面并且服從左手螺旋法則。2）將用戶接收機(jī)（U） 、初值 M 點(diǎn)和 GPS 衛(wèi)星（G）轉(zhuǎn)換到本地坐標(biāo)系下。 （其中用戶接收機(jī)（U）的本地坐標(biāo)為零。 ）3）計(jì)算角 γi，重新計(jì)算點(diǎn) M（直線 OM 與直線 UG 的交點(diǎn)）

13、 。4）利用重新計(jì)算的點(diǎn) M，在通過直線 OM 與橢球的交點(diǎn)求出鏡面反射點(diǎn) R。5）計(jì)算角 ar 與角 ai。判斷角 ar 與角 ai 的值是否相等，通過調(diào)整角 γi 的值，將 3）至 5）進(jìn)行迭代直至角 ar與角 ai 的值在容許的誤差范圍內(nèi)（如 0.0001 弧度） 。步驟 2：通過以上步驟得到鏡面反射點(diǎn) R 是在橢球表面上搜索得到的信號(hào)入射角與反射角相等的點(diǎn)，因此得出的鏡面反射點(diǎn) R 的大地高為零。將其 GPS 衛(wèi)星、接收機(jī)與鏡面

14、點(diǎn)轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系，得到[18]：（4） ? ?? ?2 / 1r2 222 / 1i2 212 1cos h) (OR OU 2 ) (cos h) (OR OG 2 ) (??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ?h OR OU dh OR OG dd d D注：OG、OR、OU 分別為 GPS 衛(wèi)星、鏡面反射點(diǎn)，用戶接收機(jī)的地心距離，D 為反射信號(hào)的傳播距離。此公式里面只含有大地高 h 參數(shù)，通過

15、非線性函數(shù)中的二分法即可求解得到大地高h(yuǎn)。2.2 海面高誤差分析 海面高誤差分析在公式（4）中給出了計(jì)算海面高的方法，下面將其公式中各個(gè)變量的誤差對計(jì)算海面高產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。對其各個(gè)變量進(jìn)行求偏導(dǎo)并根據(jù)誤差傳播理論整理得到：（5） ?? ? ? ? ? ? ?? ?22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22sin 4r i e d c b a OU OR OG Dh? ? ? ? ? ?其中, cos ) ( , sin 4 ,