星载GNSS-R海面风速反演毕业论文
2020-04-25 08:04
摘 要
风速是一个非常重要的物理参数，有助于全球气候的变化研究、农业、气象学、航天事业和军事应用等应用领域。一般的探测方法是使用合成孔径雷达、辐射计和散射计等仪器。近几年来，GNSS-R作为一种新的遥感手段，可以被用来测量海面风速。GNSS-R利用导航卫星信号对海面进行遥感，具有成本低、功耗小、时空分辨率相对较高的优势。本文主要开展了星载GNSS-R海面风速研究，首先介绍了GNSS-R的基本理论知识，以及海面风速反演的原理与方法。然后，利用ASCAT卫星和CYGNSS卫星的实测已知数据来拟合出卫星的风速与LES、NBRCS的函数关系模型，最后求出实际的风速值与通过函数函数而求出的风速值之间的均方差RMSE，来验证模型的可行性。
关键词：星载 GNSS-R,海面风速,ASCAT,CYGNSS,经验模型
Satellite-borne GNSS-R sea surface wind speed inversion
Abstract
Wind speed is a very important physical parameter, which is helpful to the research of global climate change, agriculture, meteorology, aerospace and military applications. The general detection methods are using synthetic aperture radar, radiometer and scatterometer. In recent years, GNSS-R, as a new remote sensing method, can be used to measure sea surface wind speed. GNSS-R has the advantages of low cost, low power consumption and reLATively high spatial and temporal resolution when it remotely senses the sea surface using navigation satellite signals. In this paper, the research on sea surface wind speed of spaceborne GNSS-R is mainly carried out. Firstly, the basic theoretical knowledge of GNSS-R and the principle and method of sea surface wind speed inversion are introduced. Then, the functional reLATionship model between windspeed·, LES and NBRCS is fitted with the measured data of ASTCAT and CYGNSS satellites. Finally, the RMSE between the actual windspeed value and the windspeed value obtained through the function function function is obtained to verify the feasibility of the model.
Key words: Spaceborne GNSS-R ;sea surface wind speed ;ASTCAT ;empirical model
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 GNSS-R发展历程 2
1.3 本文研究内容 3
第二章 GNSS-R海面风速反演原理及方法 4
2.1 GNSS-R系统 4
2.1.1 GNSS-R原理 4
2.1.2 几何关系 4
2.2 GNSS-R散射模型 7
2.2.1 Z-V散射模型 7
2.2.2海浪谱模型 10
2.3 GNSS-R海面风速反演方法 11
2.3.1基于功率谱波形后沿匹配的方法 11
2.3.2 基于功率谱波形后沿斜率的方法 11
2.3.3经验模型方法 12
第三章 基于CYGNSS卫星的星载GNSS-R海面风速反演 13
3.1 研究数据 13
3.1.1 ASCAT卫星 13
3.1.2 CYGNSS卫星 15
3.2 处理数据 16
3.2.1要素提取 16
3.2.2 要素分析 17
3.3 风速反演及结果分析 19
3.4 模型的验证 20
第四章 结论与展望 21
参考文献 23
致谢 25
附录 26
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）是个综合性概念，泛指全球所有的卫星导航系统，包括全球导航系统、区域导航系统和星基增强系统[1]。
GNSS始于20世纪后半叶，并开启了航天和导航技术领域的新发展[1]。全球卫星导航系统还可以提供可长期使用并高度稳定的L波段信号资源[2]。
卫星定位系统在生活中应用非常广泛，广泛应用于大地与海洋测绘、地质勘探与考古挖掘、冰山跟踪与海洋渔业定位导航、地震监测与灾后搜索救援、石油等资源调查与开发、山地与森林旅游、公路与铁路等土建工程建设、以及智能交通等方面[3]。这些应用不仅方便了人们的生活，还加强了人们对于地球环境与资源的认识。卫星导航系统也有利于发展军事领域中的导弹制导研究。
到如今为止，GNSS系统包含全球定位系统、格洛纳斯系统、伽利略卫星导航系统和我国的北斗卫星导航系统。另外，日本的准天顶卫星系统与印度的导航定位系统是正在计划建设与完善中的区域增强型系统[4]。GNSS-R技术是利用经反射面反射后得到的卫星反射信号来探究反射面物理特性的技术[5]。基于电磁波传播学，GNSS-R技术实际就是利用导航卫星信号作为信号源，利用星载、机载及岸基等信号接收平台，通过特定的信号接收设备接收并处理来自陆海空中不同目标反射面上的反射信号，实现相关参数提取以达到估计反射面物理特性的目的[6]。
目前，海洋运输、海洋渔业的发展和海洋灾害预警都迫切需要关于海洋状况的准确信息。一般的探测方法是使用合成孔径雷达、辐射计和散射计等仪器 ，基于单基观测，结合了发射和接收装置的功能，以便在同一基础上传输和接收信号。利用全天候可持续监测的优势，填补了海上海洋状态监测中机载设备与高频雷达之间的空白增加了海风探测方法的多样性。中国自主开发和建设的导航和定位系统，增强了监测海洋气象要素和预报海洋台风等恶劣天气的能力。通常测量风速的方法有三种：热式探头、叶轮式探头、皮托管。如今传感器主要有星载微波散射计与微波辐射计，不过他们的空间分辨率较低，不能满足高分辨率风场探测的基本要求。 测量手段单一、范围较为狭窄、容易受到风向等复杂因素的干扰。随着探测技术的发展和要求的不断增加，提出发展了GNSS-R技术。
1.2 GNSS-R发展历程
表1-1 发展历程
时间 | 发展历程 |
1980年 | 欧空局（ESA）提出GPS的L波段信号可以作为海洋散射计。 |
1993年 | 欧空局Martin-Neria首次提出PARIS概念，利用被动式反射与干涉技术开展GPS 波段海L波段海洋遥感 |
1996 年 | 美国 NASA 兰利研究中心 Katzberg 和 Garrison 开展了利用双频 GPS信号海面前向散射获取电离层延迟的实验研究工作。实验采用低增益天线在38km高度成功检测到反射信号，海面风速反 演精度约2 m/s。 |
1997 年 | NASA 兰利研究中心与科罗拉多大学开始联合开展GNSS-R反演海面风场的算法研究，并利用专门的接收机DMR(delay mapping receiver)做了多次机载飞行实验 。 |
1999年 | 1999 年8 月 ，西 班牙 IEEC/CSIC、Star- lab与美国 NASA在地中海联合进行了气球实验，称 为 GPSR-MEBEX 实验。 |
2000 年 | Zavorotny 和 Voronovich 将GNSS-R 海洋研究技术应用在土壤水分反演方面，模拟了 GNSS-R 信号随土壤水分的变化进行了一系列试验，包括利用塔基GPS双基地雷达对土壤水分的季节性极化测量。 |
2003年 | 发射的UK-DMC灾害监测卫星上载有萨里卫星技术公司提供的 GPS反射信号接收设备， 目的是研究利用星载GNSS-R设备遥感海态参数、冰雪和陆地的可行性。 |
2004 年 | 中国渤海区域利用中国海监飞机成功进行了 GNSS-R 机载测量海面风场试验。 |
2006年 | 在厦门崇武建立了实验研究基地，开展岸基观测实验，反演海态、潮位和海面波浪高度，为开发我国星载 GNSS-R 观测技术提供了有益的经验。 |
2016年 | CYGNSS卫星开始发射，卫星导航系统由8颗小卫星组成，间断地持续观测眼壁内和眼壁附近的风力。 |
1.3 本文研究内容
通过海面反演相关原理的研究，可以分别建立LES及NBRCS与风速之间的模型，通过这个研究，可以促进卫星反射信号遥感应用到研究海面的各个领域。主要内容如下
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