發(fā)布時間：2020-10-14 22:50

　　 積雪厚度是一個重要的自然環(huán)境參數(shù),準確的、高時空分辨率的積雪厚度監(jiān)測數(shù)據(jù)可以為全球氣候變化、政策制定、水資源管理等提供可靠的科學依據(jù)。經積雪表面反射的GNSS信號被接收機接收、處理后會導致GNSS觀測值多路徑誤差的產生,GNSS-R積雪厚度測量技術可利用觀測值的多路徑誤差實現(xiàn)對積雪厚度的反演。根據(jù)測量模式的不同,GNSS-R積雪厚度測量技術可分為兩大類:基于干涉模式的GNSS-R積雪厚度測量技術和基于反射模式的GNSS-R積雪厚度測量技術。前者使用普通的測地型接收機就可以對積雪厚度進行測量,是實現(xiàn)經濟、可靠以及高時空分辨率積雪厚度監(jiān)測的一種現(xiàn)實可行的手段;然而,目前該技術所使用的方法相對單一,對GNSS多路徑誤差特性的研究尚不充分,也缺乏對不同導航衛(wèi)星系統(tǒng)、不同頻段積雪厚度測量結果精度與誤差的對比分析以及有效的加權融合模型。針對上述問題,本文對基于干涉模式的GNSS-R積雪厚度測量原理和方法進行了系統(tǒng)深入的研究。首先對GNSS反射、干涉信號的模型及其特征進行了分析;然后,分別研究了基于SNR觀測值、載波相位觀測值組合、偽距和載波相位觀測值組合的積雪厚度測量方法,并通過實測數(shù)據(jù)對北斗、GPS和Galileo系統(tǒng)的積雪厚度測量結果進行了對比分析;最后,提出了一種基于主頻功率譜密度的積雪厚度測量結果定權與數(shù)據(jù)融合方法,并通過實測數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性。本文的具體工作和創(chuàng)新點如下:(1)建立了衡量反射信號強度的振幅衰減因子的函數(shù)模型,完善了GNSS多路徑誤差的數(shù)學模型。(2)對基于SNR方法的北斗、GPS和Galileo系統(tǒng)的積雪厚度測量結果及誤差進行了對比分析,結果表明:受電磁波透射后再反射的影響,SNR積雪厚度測量結果存在一定的系統(tǒng)性負偏差,對多顆衛(wèi)星積雪厚度測量值取平均可以提高積雪厚度測量結果可靠性和準確性。(3)研究了雙頻和三頻載波相位組合的多路徑誤差特征,給出了雙頻組合的適用范圍,提出了基于滑動平均濾波的雙頻載波相位多路徑誤差組合序列提取方法,并明確了不同天線高度下三頻載波相位組合的頻譜特性;建立了北斗、GPS和Galileo系統(tǒng)不同組合頻段的積雪厚度測量模型,并利用實測數(shù)據(jù)對其積雪厚度測量結果及誤差進行了對比分析。結果表明:基于三頻組合的積雪厚度測量精度優(yōu)于雙頻組合。(4)提出了基于單頻偽距和載波相位觀測值組合、以及基于雙頻偽距和載波相位觀測值組合的兩種GNSS-R積雪厚度測量方法,分析了兩種組合的多路徑誤差特性,建立了北斗、GPS和Galileo不同頻段最優(yōu)組合的積雪厚度測量模型,并利用實測數(shù)據(jù)對其積雪厚度測量結果和誤差進行了對比分析。結果表明:GNSS偽距觀測值的測量精度對積雪厚度測量結果有重要影響,測距碼碼片長度越短,偽距觀測值測量噪聲越小,積雪厚度測量結果越準確,(5)提出了一種基于主頻功率譜密度的多衛(wèi)星監(jiān)測積雪厚度融合方法及其定權準則。系統(tǒng)總結了GNSS-R積雪厚度測量誤差的種類,分析了觀測噪聲、主頻功率譜密度及主頻估計誤差之間的關系,結果表明:測量噪聲與主頻估計誤差成正比,測量噪聲越大,主頻估計誤差越大,積雪厚度測量結果越不準確。建立了多衛(wèi)星積雪厚度測量結果的加權融合模型,并利用實測數(shù)據(jù)對提出的數(shù)據(jù)融合方法進行了驗證。
【學位單位】：武漢大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P228.4;P426.635
【部分圖文】：

1.4 技術路線為了完成文章的研究內容、達到研究目的，本文首先開展 GNSS 觀測值多路徑誤差建模與特性方面的研究，然后在此基礎上分別開展基于 SNR 的積雪厚度測量方法、基于載波相位觀測值的積雪厚度測量方法以及基于偽距和載波相位觀測值的積雪厚度測量方法的研究；并通過實測數(shù)據(jù)對各方法的測量結果進行分析和評價；最后，對不同方法產生的測量誤差的原因進行分析總結，研究了不同系統(tǒng)、不同衛(wèi)星、不同頻段積雪厚度測量結果的定權和數(shù)據(jù)融合模型。本文的研究技術路線如圖 1-1 所示。

圖 2-1 降雪前后 GNSS 直射和反射信號傳播幾何模型圖2.2 GNSS 干涉信號2.2.1 GNSS 干涉信號模型對于圖 2-1 所示的場景，GNSS 接收機收到的電磁波信號是直射信號 Sd(t)和反射信號 Sm(t)疊加后的干涉信號 S(t)，直射信號、反射信號和干涉信號可分別表示為[40]：( ) sin ( )( ) sin ( ) ( )( ) ( ) ( )d dm md mS t A tS t A t tS t S t S t （2-4）式中， (t)為直射信號的相位，且有： ( t ) 2 ( t ) N （2-5）

其中，干雪、濕雪和混凝土的復介電常數(shù)分別為：2.025-.80j、3-0.000228j�？梢钥闯觯倚瓷浞至康姆瓷湎禂�(shù)隨著衛(wèi)星高減�。蛔笮瓷浞至康姆瓷湎禂�(shù)隨著衛(wèi)星高度角的增大而增大。對的反射面來說，當衛(wèi)星高度角分別大于 18°、29°和 36°左右時旋分量的反射系數(shù)大于右旋分量的反射系數(shù)，且隨著衛(wèi)星高度角的于定值；兩反射分量反射系數(shù)相等時對應的衛(wèi)星高度角也稱為 一角度是判定反射電磁波極化特性的重要依據(jù)。不同反射分量反射系數(shù)隨高度角的變化趨勢還可以看出，當衛(wèi)星高右旋電磁波反射分量的強度大于左旋反射分量；而當衛(wèi)星高度角相反；此外，由于一般的測地型 GNSS 接收機普遍采用右旋圓極線對右旋圓極化電磁波有較高的增益，而對左旋圓極化電磁波則有應。因此，在使用普通的測地型接收機采集反射信號數(shù)據(jù)時，必須角在較小的范圍內。
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本文編號：2841303