GNSS 反射信号测高技术研究

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GNSS 反射信号测高是一项新型微波遥感技术，其优势是利用了导航卫星系统的多信号源和全球覆盖能力，使得高时空分辨率的全球探测成为可能，在地震预报、监视中等尺度漩涡和冰山跟踪等领域中具有广泛的应用，是雷达高度计和微波散射计等传统测高手段的重要补充。本文以利用GNSS 反射信号的载波和码信息测量接收平台至水面高度为目的，重点研究了GNSS 反射信号测高模型、利用频域处理与自适应滤波处理估计多径参数的方法、GNSS 反射信号测高的信息处理方法和GNSS 反射信号测高平台的设计实现等。具体完成了以下研究工作：1. 对GNSS 反射信号测高模型进行了研究，包括测高的水面散射模型、几何关系模型、直射与反射路径延迟模型、接收的射频信号模型和数字信号处理模型等，基于几何关系模型推导了在远距离情况下由直反路径延时差求接收平台距离反射面高度的数学公式；并结合数字信号处理的跟踪误差和直射与反射路径延迟模型等对测高模型的精度进行了分析和总结，给出了提高测高精度的方法。2. 建立了频域估计GNSS 多径参数算法的精密数学模型，提出了在实现多径估计的重要组成单元中所进行的信号处理流程，包括解调单元中进行的复数混频和低通滤波操作，多径处理单元中进行的FFT 变换、同步码FFT 的生成、复数除法、IFFT 和时域判别操作，及闭环控制单元中进行的反馈控制操作等。3. 由于GNSS 多径参数频域估计算法应用环境的信噪比较低，提出了噪声处理模型，在此基础上提出了基于原有频域估计GNSS 多径参数算法的信噪比增强方法，并推导了信噪比增强幅度和累加参数的关系、多径分辨率和处理带宽的量化关系，通过MATLAB仿真，验证了信噪比增强方法的有效性、推导的分辨率与处理带宽之间关系的正确性；给出了将此参数估计方法应用于平静湖面反射信号测高的方案。4. 研究了自适应滤波器实现GNSS 多径估计的原理，建立了数字中频信号处理的数学模型，提出了用解扩解调后的信号作为期望信号构造自适应滤波器的方法，将提出的方法与其他三种滤波器构造方法进行了理论上的分析比较，得出了本方法具有信噪比高和估计精度高等优点；比较了各种自适应算法的特点，结合本应用需求，选用递归最小二乘算法实现了提出的自适应滤波器，通过MATLAB 仿真，验证了该方法能达到较高的估计精度；给出了将此参数估计方法应用于平静湖面反射信号测高的方案。5. 研究了利用反射信号的相干载波相位测量平静湖面高度变化的信息处理方法，首先建立了载波相位观测方程，提出了对载波观测量进行线性组合处理消除大量误差，以较小的计算量和较高的精度估计湖面高度变化的方法，然后提出了将由各颗卫星测得的湖面高度变化值进行加权平均以提高测量系统的精度和可靠性的处理方法，仿真验证了提出的方法具有复杂度低、计算量小和测量精度高的优点；给出了利用GPS 反射信号的码信息进行海洋测高的信号处理方法。6. 研究GNSS 反射信号测高处理平台的具体实现，提出了平台的体系结构和重要信号的流向关系，给出了天线模块、射频前端模块、数字信号处理和应用信息处理模块的软件和硬件平台实施方案，使得直射信号和反射信号的处理在多层次、多层面进行融合，并对射频前端的噪声功率进行了详细的推算；给出了FFT 捕获和载波相位跟踪的具体实现方案；用硬件平台进行载波同步试验，达到了1%周直射信号的载波相位跟踪精度；在软件平台上利用相干载波测量平静湖面高度可以达到直射和反射路径延迟差小于2%周的测量精度，对应于距离差的精度小于4mm。

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