论文总字数：13409字

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2海冰监测技术发展概况 1

1.3论文技术路线 2

1.4论文的主要工作和内容安排 3

第2章 GNSS-R海洋遥感技术原理 3

2.1 GNSS-R接收机 3

2.2 GNSS海冰冰面散射信号的理论模型 4

2.3 GNSS反射信号特点 4

2.4 GNSS-R的相关函数 5

2.5 GNSS-R技术相关功率波形 5

第3章GNSS-R海冰反演流程 7

3.1天线安装 7

3.2接收机内部信号处理 8

第4章实验过程 9

4.1实验基本原理 10

4.2接收机系统硬件接收部分 10

4.2.1天线相关参数 10

4.2.2双射频前端 11

4.2.3AD转换模块 11

4.3接收机系统软件处理部分 11

4.3.1数字基带信号处理过程 11

4.3.2控制及信息处理模块 11

4.4 信号数据软件处理 12

4.4.1 GPS卫星信号数据处理 12

4.4.2北斗卫星信号数据处理过程 15

4.4.3 不同卫星的信号反射率比较 18

第5章实验结果分析 19

第6章总结 20

参考文献： 21

致谢 22

GNSS-R海冰反演原理及卫星信号数据处理分析

田松

,China

Abstract: the global navigation satellite positioning system (GNSS) is one of the most pioneering space high technology in recent years. It is also one of the most influential and practical value of space technology. It as a new means of remote sensing, global satellite navigation and positioning system of GNSS in addition to have the traditional navigation and positioning of the role of, in the field of geodesy, disaster monitoring, geological exploration, geophysics, marine meteorology has also been a very wide range of applications, has become one of the information industry is developing fastest in the world. From the domestic and foreign sea ice research status of the sea ice research progress and technology, GNSS-R sea ice retrieve the theoretical basis and on GPS and Beidou satellite system signal experimental data were analysis and processing, finally analysis reflectance characteristics of satellite signals and points out the application and development prospect of GNSS-R technique.

Keywords: GNSS-R, receiver, reflected signal, reflected rate

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

海冰是冬季海上气候环境系统重要的组成部分之一，近年来日益受到研究者的关注。在早期，海冰监测主要是靠岸上建设的固定观测站点，临时设立的观测平台和雷达接收站。通过海上移动平台的配合，用声纳探测技术和光学望远镜获得海面冰层资料。包括海冰的大小，密度等信息。

随着最近遥感技术的发展，光学遥感和微波遥感成了海冰探测常用的手段。但云对光学遥感影响非常大，这就限制了此观测方法的时效性；微波遥感则用电磁波对海冰信息进行监测，它不受云层和光照的影像，有全天候的优点，是常用的海冰检测手段。

GNSS技术除了定位，其反射信号也包含着大量有用信息。因此利用其反射信号探测反射面信息成了一种可行的海冰监测手段。

1.2海冰监测技术发展概况

合成孔径雷达与微波辐射计是海冰检测常用的方法，除此之外还有雷达散射计雷达高度计测量海面信息。还有最新研究的GNSS-R技术。

（1）SAR海冰观测技术：微波辐射计接受的是被动遥感图像、通过AVHRR的可见光或者热红外辐射计可以得到海表面海冰信息的图像。它的优点是合成孔径雷达对光照条件影响不大，并且不怕天上云层覆盖。它能全天候，全天时进行海冰信息监测。合成孔径雷达的分辨率也很高，海冰覆盖密度的变化能够很清楚的被检测到。合成孔径雷达得到的信息有冰层边界线、冰的种类、海冰的移动方向、海面海冰覆盖率和海冰表面光滑程度信息等。

（2）微波辐射计：海冰信息的监测除了孔径雷达数据，微波辐射计数据也常被用来分析处理。从20世纪中后，海冰信息就常用SMMR与SSM/I两种微波辐射计通过卫星平台搭载来监测。海面的结冰和海冰融化情况可以通过此方法监测，而且海冰周期变化也可以用此法监测记录。但是微波辐射计有空间分布率较低的缺点。因此，微波辐射计适合大面积海冰的监测。

（3）雷达高度计雷达高度计通过发射和接收反射回来的微波信息，从而获得冰面的信息。获取的信号属于后向散射信号，可获取反射面的亮度信息。缺点是离地面远，精度差，不适合小区域目标探测。

（4）雷达散射计雷达散射计向地面发射脉冲信号，然后接收反射回来的电波信号从而探测反射面信息。此方法属于主动遥感。因为离地面较远，故而使得在小范围内的测量精度不够准确。

（5）多微波传感器多微波传感器就是上面介绍的多种传感器的组合，互相取长补短。已有研究者用这种方法进行过实验。但是它还是具有上面介绍的传感器的缺点，如小范围精度不高。

（6）海冰航空遥感监测航空遥感就是飞行器如飞机携带遥感传感器探测目标区域的信息。在海冰探测中此方法精度高、灵活。但是缺点也很明显，就是贵。因此不适合常年连续的自动监测，只能有目的，有计划的对特定区域进行探测。

（7）GNSS-R技术与上面方法相比，GNSS-R技术优点多了。首先它是被动遥感，不需要发射电波信号，这减小了成本；其次GNSS信号数据来源广，例如现在随处可以接收到的GPS信号；GNSS信号强，L1和L2波段携带信息丰富。此技术通过接收经反射面反射的卫星信号信息，可以通过与直射信号相比较反演出反射面的信息。这位海冰探测又添加了一种可行的途径。

GNSS-R有两条天线，它不发射信号，只是接受直射和反射卫星信号。所以它与其他接收方式比较优点在体积、重量、功耗及成本等方面。

表1微波遥感方法和GNSS-R技术比较表

1.3论文技术路线

图1技术路线流程图

1.4论文的主要工作和内容安排

论文的第一章绪论，介绍了常规海冰信息探测的方法，并对这些方法进行了优缺点的比较。本论文第二章第三章分别介绍了GNSS-R遥感技术的原理和GNSS-R海冰反演的流程。第四章根据接收到的GPS和北斗卫星系统卫星反射和直射信号数据，并用软件根据相应的原理和公式对这些数据进行处理分析。第五章是对一些现象的分析和对这些现象的原理进行解释。最后第六章是对该技术的发展前景的展望。

第2章 GNSS-R海洋遥感技术原理

GNSS-R海洋遥感技术的基本方法是利用反射的导航卫星伪随机码信号或者载波信号，通过码延迟和信号反射相位极性变化分析相关函数功率波形及其后延迟性分析，并结合海面不同介质对卫星电波信号的散射原理，提取反射信号中携带的来自于目标反射面的物理特性信息，包括反射信号波形、极化特征、频率、幅值和相位等参量的变化，从而应用于海面目标信息的提取与监测。

2.1 GNSS-R接收机

在GNSS反射信号测量系统中，GNSS（本实验为GPS和北斗）卫星、海面和接收机构成一个信号收发系统结构，GNSS-R接收机利用多个通道可同时接收一定范围内多颗导航卫星的直射、经过海面（海水，海冰）反射的反射信号。这在遥感探测模式原理方面属于双基雷达观测模式，利用这个方法大大提升了时空分辨率。

为接收来自高仰角的 GNSS卫星直射和反射的信号，接收机需要采用两副天线，一副设置向上的低增益右旋圆极化天线，用于接收卫星的直射信号；另一副设置向下的高增益左旋圆极化天线，用于接收来自卫星并经海面反射的反射信号。

对于GPS系统来讲，天线设计指标为天线中心频率为1575.42MHz,此为GPS L1信号频率。增益12dB,波束角30°。因为GPS工作在L波段,穿透性较强,这为雪冰监测提供了有效手段。

GNSS-R左旋反射接收机天线得到的反射信号属于前向散射，是直射信号通过对经海表散射的信号所携带有的反射面信息从而对海况进行监测，从而获取海洋表面的信息。

图2 GNSS信号反射的几何关系

2.2 GNSS海冰冰面散射信号的理论模型

GNSS反射信号在海面上以镜反射分量为主，由镜面反射物理性质可知在镜面反射点处信号入射角等于反射角。闪烁区则是以镜面反射点为反射中心，闪烁区的形状是同心椭圆，它们的性质是一系列的延迟等值线，图3中的曲线是多普勒频移等值线，同一曲线上多普勒频移值相等。因此相邻两个延迟等值线之间的环形区内的点被认为是码延迟相同的，也就是说与镜面反射点相差相同码片的延迟值。

同样两条多普勒频移线，曲线之间的多普勒区内的点，同样被认为是多普勒频移相同的。闪烁区被分割成许多个面元，分割线是等延迟和等多普勒频移等值线。图2中等延迟线和等多普勒线的分割情况，原理是分别从时间和频率两个不同变化的角度对海面散射区域进行划分。

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