基于GPs-R的海洋测高理论与算法研究

摘要

海面高是物理海洋、地球物理学、大地测量学等领域的基础数据。目前卫星高度计只能获得卫星星下点的海面高，而验潮站也只能以单点形式进行测量，无法对大范围海域进行海面高测量。GPS-R(Global Position System-Reflection)是一种崭新的海洋遥感技术，利用GPS反射信号进行海洋测高具有成本低、获取数据量多和快速等突出特点，有效的弥补了卫星高度计和验潮站时空分布的不足。基于GPS-R海洋测高系统，本文的主要工作及结论包括:
　　(1)通过对GPS-R海洋遥感相关理论与算法的研究，确定了利用GPS-R进行海洋测高的两种算法模型，包括简化模型和精确模型，并最终都利用Fortran完成了数据的自动处理。由于观测数据无法获取，本文首先利用Bernese对观测数据进行模拟，得到观测数据。考虑到模拟数据的理想性，对观测数据人为的加入10cm的观测误差来进行海面高的数据解算。通过与已知海面高相比较可得:对于简化模型，在卫星高度角为55°至90°得到了18.56cm的精度，此精度可以远远满足GPS-R接收机用于搜索反射信号的目的。而对于精确模型来说，在卫星高度角为55°至90°得到了5.54cm高精度的海面高，在较高的卫星高度角下达到了卫星高度计的精度。通过实验也验证了算法的可行性与程序的正确性。
　　(2)为了对海面高误差有较好的预测，根据海面高的计算公式，利用误差传播定律，推导出了用于计算海面高误差的理论公式。根据2010年1月16日全天的观测数据，提取出卫星高度角在53°至54°的可见卫星，考虑到精密星历的精度，对卫星位置加入3cm的误差解算海面高，得到了海面高误差精度为5.12cm，而理论公式计算的误差在高度角为53°时为5.17cm，在高度角为54°时为5.08cm。通过比较可以看出误差理论公式与实际计算的海面高误差有较好的一致性。
　　(3)对多普勒频移和闪烁区大小进行了模拟。在多普勒频移模拟中，对接收机速度为0.15km/s，高度3km模拟中得到结论:当入射角为90。时，最大多普勒频移范围约为900HZ，大于多普勒频宽，对于反射信号的能量有一定的影响，而当入射角为40°、20°时其远小于多普勒频宽，对于反射信号能量的影响可以忽略不计。而对于GPS-R接收机速度为0.15km/s，高度为0.05km的模拟得到结论:当入射角接近90°时，多普勒频移对于反射能量有一定的影响，而当入射角接近或者小于40°时，其影响可以忽略不计。当GPS-R接收机速度为零时，多普勒频移的变化很小，不需要考虑多普勒频移的影响。对于闪烁区大小模拟得出的结论:对于相同的码延迟量，GPS-R接收机高度越高，闪烁区越大，而对于同样高度的GPS-R接收机，码延迟量越大，闪烁区也越大。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 本文章节安排

1．5 本章小结

2 GPS-R理论基础

2．1 GPS-R遥感原理

2．2 GPS-R接收机

2．3 GPS-R散射信号模型

2．4 本章小结

3 GPS-R海洋测高研究

3．1 GPS-R海洋测高算法

3．2 算法实现

3．3 海洋测高实验模拟及分析

3．4 本章小结

4 海面高误差分析

4．1 海面高误差公式推导

4．2 海面高误差公式验证

4．3 本章小结

5 散射区域研究

5．1 闪烁区域

5．2 多普勒频移区域

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 本文创新点

6．3 展望

参考文献

攻读学位期间的主要成果

致谢