北斗反射信號海面測高技術(shù)的研究.pdf

1、作為一種新興的測高技術(shù)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號的應(yīng)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(diǎn)，自上世紀(jì)90年代初以來就引起了世界多國研究學(xué)者的眷注。目前，GNSS-R技術(shù)的應(yīng)用主要包括海面測高，冰雪監(jiān)測，海面風(fēng)場反演，海面溢油探測等。
　　全球性海平面上升和海嘯災(zāi)害的監(jiān)測，大洋環(huán)流的確定、大洋潮汐模型的構(gòu)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(dāng)前，GNSS-R技術(shù)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(chǔ)的方法，具有穩(wěn)定性高，處理數(shù)據(jù)少，反演計(jì)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(fù)雜，但其反演的精度較高。然而，關(guān)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(jìn)行的。
　　與其他導(dǎo)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(dǎo)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(lǐng)域提供一個(gè)穩(wěn)定的信號源，進(jìn)一步增強(qiáng)GNSS-R測高的時(shí)空分辨率。同時(shí)，北斗系統(tǒng)獨(dú)特的混合星座也將為該領(lǐng)提供一個(gè)更廣闊的研究與應(yīng)用平臺。
　　目前，我國的研究學(xué)者針對使用北斗反射信號進(jìn)行海面測高

4、的相關(guān)研究比較少。因此，本文將重點(diǎn)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(jìn)行分析。在過去的三年內(nèi)，我們的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地利用GPS反射信號進(jìn)行基于碼相位測高和載波相位測高的高度反演實(shí)驗(yàn)和利用北斗反射信號進(jìn)行碼相位高度反演實(shí)驗(yàn)，并嘗試著改進(jìn)我們的接收機(jī)中軟件處理模塊的運(yùn)算能力。立足于這些成功的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)和北斗反射信號信噪比（SNR）海面測高實(shí)驗(yàn)。載波相位測高實(shí)驗(yàn)中，我們結(jié)合北斗混合星座的特點(diǎn)，分別對IGSO/MEO和GEO載波相位測高模型進(jìn)行分析，成功地實(shí)現(xiàn)海面高度反演。在信噪比（ SNR）測高實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)SNR測高模型，我們也成功地實(shí)現(xiàn)海面高度反演。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1、簡單地描述了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)混合星座及其信號的結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)

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(jìn)行反演。在與實(shí)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(jié)果總體上實(shí)現(xiàn)了亞米級精度，而基于GEO載波相位測高模型的反演結(jié)果則在部分時(shí)間段內(nèi)達(dá)到厘米級精度。
　　3、在大洋山海域，我們采用單個(gè)普通的測量型天線和接收機(jī)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，依據(jù)信噪比（SNR）