GNSS-R海洋遥感技术研究

论文摘要

全球卫星导航定位系统（GNSS）除了传统的导航和定位作用外,还可以利用其反射信号提取海洋表面地球物理信息。本文对利用GNSS海洋反射信号（GNSS-R）反演海面要素的理论和方法进行了详细讨论。论文首先详细说明了GNSS-R的研究现状,然后在海面高度服从正态分布,海面反射满足基尔霍夫散射近似条件的假设前提下推导了GNSS信号海面散射系数,建立GNSS-R信号的功率波形与海面散射几何和海面粗糙度（使用海面均方坡度来描述）等因素的关系。采用了Elfouhaily模型来求解海面均方斜度,进而建立了GNSS-R反演海面风场的理论模型,同时也是空基和星载GNSS-R反演海面高度再跟踪处理的理论模型。对等码距环、等多普勒区域和闪烁区域的形状和大小进行了详细讨论。文中系统地阐述了GNSS-R海面风场遥感的原理和方法,以及反演流程,介绍了几个反演海面风场的例子,试验表明GNSS-R反演海面风场精度约为2m/s和20°。GNSS-R反演高度主要有两种方法,一种是利用直接信号和反射信号的码延迟来测高,另一种利用载波相位来测高。利用码延迟来测高的方法比较稳健而且适用于地面、空基和星载等各种情况,所以本文详细阐述了在不同接收机高度下利用码延迟反演测高的方法。通过岸基小麦岛试验（结果精度为5分钟平均高度RMS为39cm）和空基Eddy试验（结果精度在20km范围内高度RMS为10cm,均值偏差为2cm）举例阐述了码延迟测高的方法和精度。在小麦岛岸基试验的基础上,国内首次开发了GNSS-R的软件接收机预处理程序,为进一步的GNSS-R海洋遥感研究奠定了基础。此外,文中还研究了LEO（低轨卫星）星载GNSS-R技术的时间和空间分辨率和利用该技术探测和预警海啸的可能性。GNSS-R技术作为一种新型的遥感手段还在不断的完善中,因此,在文章最后提出了下一步的工作设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 GNSS-R 海洋遥感的意义及方法
• 1.2 GNSS-R 海洋遥感国内外情况
• 1.2.1 GNSS-R 反射模型理论研究
• 1.2.2 GNSS-R 海洋测风场试验
• 1.2.3 GNSS-R 海洋测海面高试验
• 1.2.4 GNSS-R 在其他遥感领域中的应用
• 1.2.5 GNSS-R 接收机发展情况
• 1.2.6 星载GNSS-R 情况
• 1.2.7 国内GNSS-R 遥感发展情况
• 1.3 本人主要工作
• 1.4 主要内容和章节安排
• 第2章 GNSS 信号特征
• 2.1 GPS 系统
• 2.1.1 GPS 系统概述
• 2.1.2 GPS 系统的构成
• 2.1.3 GPS 卫星信号的特征
• 2.2 GLONASS 系统
• 2.3 Galileo 系统
• 第3章 GNSS-R 海洋遥感基础理论
• 3.1 海面散射几何关系
• 3.1.1 散射坐标系及其转换
• 3.1.2 GNSS 散射信号传播的几何结构
• 3.2 粗糙海洋表面描述
• 3.2.1 海浪谱模型
• 3.2.2 其它描述粗糙面的统计参量
• 3.3 海面散射系数及散射信号模型
• 3.3.1 KM（Kirchhoff）近似方法
• 3.3.2 极化属性及菲涅耳散射系数
• 3.3.3 KM GO：Kirchhoff 几何光学近似
• 3.3.4 在高斯海面模型下KM GO 推导的散射系数
• 3.3.5 Z-V 散射信号模型
• 3.3.6 散射区域研究
• 第4章 GNSS-R 海面风场反演
• 4.1 海面风场反演原理
• 4.2 海面散射模型仿真
• 4.3 海面风场反演流程
• 4.3.1 归一化方法
• 4.4 海面风场反演典型试验
• 第5章 GNSS-R 海面高度反演
• 5.1 岸基测量海面高
• 5.1.1 码延迟岸基测高方法
• 5.1.2 小麦岛岸基试验
• 5.2 空基测量海面高
• 5.2.1 空基测高方法
• 5.2.2 典型试验数据处理
• 5.3 星载海面高度反演理论研究
• 5.3.1 星载测高时间和空间分辨率分析
• 5.3.2 星载测高精度分析
• 第6章 结论
• 6.1 本论文的研究贡献
• 6.2 展望
• 参考文献
• 主要符号对照表
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢