北斗反射信号海冰厚度检测与海面粗糙度误差分析

论文摘要

北斗卫星导航系统（BeiDou Satellite Navigation System,BeiDou System）是我国自建的独立卫星导航系统,是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）的重要组成部分,是我国最重要的空间基础设施之一。当北斗卫星信号传播到地球表面时,导航信号会与地球表面发生相互作用产生随机散射,从而携带了反射面的物理信息。根据北斗卫星反射信号的信噪比、伪随机码延迟、载波相位和多普勒频率等信息可以反演地球表面的各物理参数,这种技术被称为北斗卫星反射信号（BeiDou-R）遥感技术。海冰是地球冰冻圈的重要组成部分,随着全球温室效应加剧,海冰研究受到广泛关注。许多方法用于海冰检测的研究,其中也包括全球导航卫星系统反射信号（GNSS-R）遥感技术。GNSS-R海冰检测技术的热点主要集中在海冰厚度探测和海冰密集度检测两个大方向上。而将BeiDou-R海面测高技术与海冰静力平衡模型结合起来反演海冰厚度的方法在国内外未见类似研究。岸基BeiDou-R海面测高的误差源主要来自海面粗糙度,国内外很少有学者定性分析海冰表面粗糙度对海面测高误差的影响。本文的研究建立了海冰厚度反演模型,利用BeiDou-R信号进行海面载波相位测高,建立海面粗糙度误差修正模型,开展了岸基实验验证了反演海冰厚度的正确性,并分析了误差修正的精度。本文的主要研究内容如下:1.介绍了北斗卫星导航系统的扩频通信技术特点,结合北斗卫星信号体制对卫星信号的捕获与跟踪过程进行了简要概括。2.介绍了岸基实验场景下的海面测高几何模型,根据GNSS-R海面测高技术和海冰静力平衡模型,建立了基于BeiDou-R技术的海冰厚度反演模型,简要介绍并对比了四种常见的BeiDou-R海面测高方法,根据海冰厚度反演研究的需要着重介绍了载波相位测高的技术原理和数据处理流程。3.分析了海面粗糙度误差对BeiDou-R海面测高的影响。对电磁波反射的特性进行了介绍,对海冰表面粗糙度的数学物理表示进行重点分析,结合BeiDou-R信号在反射面产生的相位缠绕现象的分析,提出了本文的研究重点:载波相位测高技术在数据处理过程中剩余干涉相位（相位差）解缠时产生假缠绕点的现象,提出了根据不同情况下假缠绕点的分布特点,对缠绕的剩余干涉相位的解缠策略,建立海面粗糙度误差修正模型,对载波相位测高的结果进行修正以获得正确的海冰厚度反演结果。4.利用渤海湾实验中收集到的BeiDou-R数据进行海冰厚度反演,并利用粗糙度修正模型对海面测高结果进行修正。对实验结果进行分析后发现,短时间（一天）内,海面测高误差RMSE值表示的精度提高了50%以上,经过修正的海面高度反演结果为3.105m3.135m之间,平均海面高度反演结果为3.11m,计算得到的海冰厚度为11.12cm,与采集到的海冰样本厚度相一致;长时间（两周）内,海面测高结果误差RMSE值表示的精度提升了70%以上,经过修正后的海面高度反演结果在2.9m3.15m,平均海面高度反演结果为3.10m,计算得到的海冰厚度数据在4cm22cm,计算出的平均海冰厚度为14.62cm,与采集到的海冰样本厚度相一致。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杭斯加

导师: 张云,杨树瑚

关键词: 北斗导航卫星系统,反射信号,海冰厚度,海面粗糙度,相位测高

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,电信技术

单位: 上海海洋大学

基金: 国家自然科学基金项目资助,编号:41376178,41401489,41506213

分类号: P715.7;TN967.1

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000565

总页数: 63

文件大小: 3176K

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