基于GNSS-R的卫星高度计精密标定关键技术研究

Development of GNSS-R altimetry provides a new technical means to obtain high-precision, high spatial and temporal resolution sea surface height information, as well as precision calibration and quantitative study of global climate change. Compared to traditional methods for altimeter calibration, GNSS-R altimetry can achieve the high net-shaped regional sea sampling observations. The regional average sea surface height derived from which is more approximate to the actual sea average height from satellite altimeter footprint. Also it overcome the satellite altimeter observations area surface average contradiction between traditional altimeter calibration and sea-level high-point sampling. This project ,with a theme of "satellite height meter accurately calibrated", breaking though the limitations in the traditional altimetry calibration methods' theory and data processing, aim to develope GNSS-R altimetry measurements mechanism of research, then establish a set of coastal GNSS-R altimetry algorithm model through researching on the time delay and the waveform and its trailing edge characteristics of the correlation function analysis between GNSS direct signal and the sea surface reflection signal. With precise GNSS constellations and rich marine reflection information,we can carry out GNSS-R altimetry error characteristics analysis, and research satellite altimeter precision calibration program based on GNSS-R altimetry .

GNSS-R海洋测高技术的发展为获取高精度、高时空分辨率的海面高信息、为卫星高度计精密标定和定量研究全球气候变化提了一种全新的技术手段。相比传统卫星高度计标定方法，利用GNSS-R测高技术，可以实现区域海面高的网形采样观测，由其观测结果计算的区域海面平均高度，与卫星高度计星下点足迹内实际海面平均高度，更加近似；克服了传统高度计标定中，海平面高的点采样与卫星高度计观测区域面平均的矛盾。本项目研究围绕"卫星高度计精确标定"这一主题，突破传统高度计定标方法理论及数据处理方法的局限，深入开展GNSS-R 测高测量机理的研究；通过对GNSS 直接信号和海面反射信号间的时间延迟和相关函数波形及其后沿特性进行分析，建立一套适用的岸基GNSS-R 测高算法模型；利用GNSS 精密星座和丰富的海洋反射信息，开展GNSS-R 测高相关误差特征分析；研究基于GNSS-R 测高的卫星高度计精密标定方案。

鉴于GNSS-R观测有低成本、低功耗、多信号源和宽覆盖等特点，高精度GNSS-R测高可有效提升水面高度测量观测的时空分辨率和精度。项目研究提出了利用载波相位观测值进行逐历元GNSS-R测高算法，包括单差和双差方法，测高精度为3-4cm；并提出了利用载波相位宽巷组合观测量的方法来计算整周模糊度，宽巷组合中的整周模糊度更易确定,测高精度与单独处理L1或者L2数据结果精度相当；利用外接原子钟的方法来消除接收机钟差项的影响，提高测高精度至1cm。利用美国PBO网络SC02 GPS观测站海面SNR数据，反演了海水面高。将SC02的测高反演结果与附近验潮站结果相比，结果显示：RMS为17cm，相关系数为0.98。提出了GNSS±R测高的概念，利用武汉东湖清河桥高高度角的GNSS-R（载波相位）测高以及低高度角的GNSS+R（SNR）测高结果，说明了结合这两种方式的GPS验潮站测量的优势。研究讨论了GNSS-R测高对海潮反演的影响。利用模拟的站基GNSS-R测高数据，利用球谐分析法得到了部分分潮的振幅和相位，与验潮站独立观测结果进行验证，相对于传统卫星测高，星载GNSS-R测高具有较高的时空分辨率，在反演海潮时，不仅有助于较小周期海潮的反演，还可以减弱潮汐混频现象。