GNSS海面高度測(cè)量與誤差分析

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1、學(xué)校代碼：10264研究生學(xué)號(hào)：M150551701上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文（國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，編號(hào)：41376178;41401489;41506213）題目：GNSS海面高度測(cè)量與誤差分析英文題目：SeaSurfaceAltimetryUsingGNSSSignalandAnalysisofDeviation專業(yè)：計(jì)算機(jī)技術(shù)研究方向：導(dǎo)航遙感姓名：沈思明指導(dǎo)老師：韓彥嶺張?jiān)贫栆话四晁脑铝丈虾：Ｑ蟠髮W(xué)碩士學(xué)位論文上海海洋大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在

2、導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對(duì)所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日上海海洋大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)上海海洋大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制

3、手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于保密□，在年解密后適用本版權(quán)書。不保密□學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日I上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文答辯委員會(huì)成員名單姓名工作單位職稱備注II上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文GNSS海面高度測(cè)量與誤差分析摘要海面高度是海洋重要物理參數(shù)之一，對(duì)沿海人們的生活和生產(chǎn)有著重要影響。海面高度測(cè)量是GNSS技術(shù)的重要應(yīng)用之一，海面高度的監(jiān)測(cè)對(duì)海嘯、風(fēng)暴潮預(yù)警等有著重要意義。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GN

4、SS）包括了GPS、北斗、GLONASS，伽利略等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行定位、導(dǎo)航，并且能夠提供持續(xù)，穩(wěn)定，無償?shù)男l(wèi)星信號(hào)。當(dāng)GNSS信號(hào)在經(jīng)過地球表面反射時(shí)，會(huì)與地球表面發(fā)生相互作用產(chǎn)生隨機(jī)散射，導(dǎo)致信號(hào)之間的反射分量混合重疊，信噪比、碼延遲相位、載波相位等衛(wèi)星信號(hào)的物理信息都會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)GNSS反射信號(hào)的信號(hào)延遲與多普勒頻移均攜帶了地球表面反射面的物理信息，因此可以根據(jù)GNSS反射信號(hào)的特性來反演地球表面的各種物理參數(shù)，這種技術(shù)稱之為GNSS反射信號(hào)技術(shù)。GNSS技術(shù)主要依賴于全球?qū)Ш叫l(wèi)星源源不斷的衛(wèi)

5、星信號(hào)，是一種無源遙感技術(shù)，其有著時(shí)空分辨率高，價(jià)格低，不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，在近些年來成為國內(nèi)外航天，遙感，海洋科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前該技術(shù)在海面測(cè)高、海面風(fēng)場(chǎng)反演、海冰監(jiān)測(cè)、土壤濕度檢測(cè)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前的GNSS海面測(cè)高主要有偽碼測(cè)高和相位測(cè)高兩種方法。偽碼測(cè)高使用的是衛(wèi)星信號(hào)的C/A碼，其模型簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用較廣，但是受限于C/A碼的碼片長度（一個(gè)碼片長度約為291.3m），偽碼測(cè)高的精度較低。相位測(cè)高的精度較高，但是其要求反射信號(hào)的相位連續(xù)，當(dāng)反射面比較粗糙的情況下難以實(shí)現(xiàn)高度反演。GNSS反射信

6、號(hào)海面高度測(cè)量的誤差源主要包括電離層延遲、大氣延遲、接收天線誤差以及海面粗糙度，目前尚沒有學(xué)者對(duì)反射面的粗糙度對(duì)測(cè)高誤差的影響進(jìn)行深入的分析，因此本文提出了利用反射信號(hào)的相位差表征海面粗糙度的方法，根據(jù)該方法建立了一種粗糙度誤差修正模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成功驗(yàn)證了利用反射信號(hào)相位差表征反射面粗糙度的可行性以及粗糙度修正模型的性能，利用本文建立的誤差修正模型，可將碼測(cè)高精度提高10%以上。本文的主要研究內(nèi)容如下：1.詳細(xì)的介紹了GNSS系統(tǒng)擴(kuò)頻通信技術(shù)的相關(guān)原理，結(jié)合軟件接收機(jī)的模塊結(jié)構(gòu)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與跟蹤做了簡(jiǎn)要的介紹。

7、III上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文2.對(duì)假設(shè)地球表面為水平面和考慮地球曲率對(duì)測(cè)高精度的影響的兩種測(cè)高幾何模型進(jìn)行了闡述，并分析了兩種模型的使用場(chǎng)景，重點(diǎn)介紹了目前GNSS測(cè)高的兩種方法，碼測(cè)高以及相位測(cè)高。3.分析了GNSS海面高度測(cè)量中常見的誤差源，并著重闡述了反射面粗糙度在海面高度測(cè)量中的重要性，對(duì)電磁波的傳播、極化、反射做了詳細(xì)的介紹，對(duì)海面粗糙度的統(tǒng)計(jì)描述進(jìn)行了重點(diǎn)分析，主要研究了如何利用海浪譜，有效波高測(cè)量方法ICF進(jìn)行海面粗糙度的描述，在此基礎(chǔ)上提出本文的核心部分：提出了一種新的表征反射面粗糙度的方法，并在此方法的基

8、礎(chǔ)上，建立了碼測(cè)高的粗糙度誤差修正模型。4.進(jìn)行了兩次實(shí)驗(yàn)，上海市滴水湖湖面實(shí)驗(yàn)，舟山市朱家尖海面實(shí)驗(yàn)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析后，我們發(fā)現(xiàn)，北斗10號(hào)衛(wèi)星，使用了粗糙度修正模型后，測(cè)高精度提升了0.02m，約提升了14%；對(duì)于GPS7號(hào)衛(wèi)星，在使用了誤差修正模型后，反演高度誤差RMS值從0.45