GNSS-R卫星星座设计及其测高数据处理系统仿真研究

The GNSS-R receiver on the LEO satellite can receive the reflected GNSS signals from the sea surface. Using these measurements, global ocean altimetry information can be derived. Since there are many on-orbit GNSS satellites, if there is a constellation consisted of several GNSS-R LEOs, accurate sea surface heights with high spatial and temporal resolution can be obtained. Shandong University is making cooperation with Aerospace Dongfanghong Satellite Company to launch GNSS-R LEO NanoSat. To achieve the objective of this mission, the main parts of this project include: 1) GNSS-R LEO constellation orbit design and develop a method of computing reflected points spatial and temporal resolution; 2)develop the algorithm for finding position of the reflected points based on GNSS-LEO precise orbit and actual sea surface; 3) simulate the GNSS-R carrier phase measurements and the time delay, and then develop the algorithm for resolving the sea surface height of the reflected points based on simulated data. A theory of GNSS-R mission design and GNSS-R data process will be given out by this project. Software for simulated GNSS-R will be developed. The achievement of this project promotes the development of China's marine satellite business and improve our ability to safeguard its maritime rights and interests.

利用低轨卫星上的GNSS-R设备所接收到的经海水面反射的GNSS信号，能获取准确的全球海洋测高信息。由于目前GNSS卫星众多，利用多颗低成本的GNSS-R卫星构成星座，可以获得高时空分辨率、高精度的海面高信息，以期监测和研究中小尺度海洋现象。鉴于山东大学正在与航天东方红公司合作计划发射我国的GNSS-R微小卫星星座，本项目围绕这一任务展开下列研究：1） GNSS-R低轨卫星星座设计与反射点时空分辨率的计算方法研究；2）基于GNSS-LEO精密星历和实际海水面精确寻找反射点位置的算法研究；3）模拟星载GNSS-R载波相位和时延观测值，并开发解算海面高的相关算法。本课题最终形成一套完整的GNSS-R低轨卫星轨道设计与GNSS-R测高数据处理的理论方法，并开发相应的仿真软件平台。研究成果能推动我国海洋卫星事业的发展，提高我国维护海洋权益的能力。

近年来，GNSS卫星无论在数量还是在导航信号的质量上都得到了较大的提升，因此地球空间中可用的L波段测距信号越来越丰富。通过收集和分析经海面反射的GNSS信号，能获取海面粗糙度和海面高度等海洋动力环境参数。在本项目开始之前，英美等国就已经成功发射了多颗GNSS-R LEO卫星用于此项研究。值得庆幸的是，在2019年6月5日，由中国航天科技集团五院研制的我国首颗GNSS-R卫星——捕风一号也成功发射。本项目针对GNSS-R 低轨卫星星座设计和测高数据处理算法进行了深入研究，完成了以下四个方面的工作：1)GNSS-R低轨卫星星座设计与观测能力评估；2）与国内航天优势部门联合研制GNSS-R地面实验设备；3) GNSS-R码相位延迟测高软件接收机设计4) GNSS-R海面测高反演算法研究。通过仿真分析得出当四个主要的GNSS系统均可用时，该技术的空间采样率和重访间隔都将大幅提高，利用由8颗GNSS-R LEO卫星组成的星座可以使平均重访间隔缩短至2.8小时左右。另外，利用与国内航天部门联合研制的GNSS-R地面实验设备（其原理与星载GNSS-R设备一致），开展了船载和岸基实验，基于GPS C/A码和BDS B1I码的码相位延迟信息反演得到了海面高度信息，结果表明其精度在0.7 m左右。若采用未来更高精度的测距码信号，其测量结果有望提升至厘米级。本项目的研究为我国将来实施星载GNSS-R测高计划，打下了一定的理论和实践基础。随着研究的进一步推进，GNSS-R测高技术有望在验潮、海啸预警、风暴潮预警以及海洋水面准精化等方面发挥作用。