复杂环境下GNSS海洋反射信号模型与仿真

GNSS Reflectormetry (GNSS-R) is a new passive detection technology. It has been demonstrated to be used to retrieve physical parameters such as sea surface wind speed and height through a larger number of theorotical studies and ground-based, airborne or spaceborne experiments. Simulations are low-cost and effective way to do this kind of research，which needs high accuracy model. At present, there are two available ways as follows: 1) modeling sepecified feature of GNSS reflected signals, such as correlation power, and polarization et.al. 2) simulating GNSS reflected signals. The former one lacks generality to represent the reflections, however, the latter one is complicated and time-consuming. To overcome the shortcomings of the above methods, this project will explore the following points: 1) developing high accuracy GNSS reflected signals model for the complex enviroment. 2) developing dynamic model of GNSS reflected signals for studying the spaceborne GNSS-R applications. 3) presenting the self-adaptive and dynamic selection algorithm for the scattering region and unit size. 4) giving the parallel computation algorithm to improve the simulation efficiency of GNSS reflected signals.

GNSS-R是一种新型的无源被动式探测技术。通过大量的理论研究和岸基、机载以及星载试验验证该技术可用于海面粗糙度、海面高度等物理参数的反演。模型仿真是研究该技术的低成本方法，但是需要高准确的模型支撑。目前主要存在两种类型的模型：1）针对GNSS反射信号某一信号特征（相关功率、极化等）进行建模；2）从信号层面对GNSS反射信号进行模拟。前者不具有研究GNSS反射信号的通用性，而后者计算复杂度大、耗时多，不利于仿真电大尺寸粗糙面散射，且仅考虑某个单因素影响模拟场景。针对已有模型存在的不足，本课题开展如下研究：1）建立复杂环境下高准确度的GNSS反射信号模型；2）建立用于研究星载GNSS-R应用的动态模型；3）提出散射单元/散射区尺寸自适应调整、动态选取算法；4）为了提高模型仿真的时间效率，提出GNSS反射信号模型的并行数值计算算法。

近年来随着全球导航卫星系统（GNSS）技术的发展，利用GNSS反射信号探测地表参数的GNSS反射测量（GNSS-R）技术已经成为遥感领域的一个新方法。目前，GNSS-R技术已经广泛应用在海风反演、海冰探测、测高、土壤湿度反演、海面溢油探测等遥感领域。随着星载任务的大量开展，如UK TDS-1、CYGNSS等计划的执行，GNSS-R技术进入了一个高速发展时期。而在GNSS-R技术中，对GNSS-R信号进行仿真模拟可以为GNSS-R技术的研究降低成本和提供数据。特别是对于未来的星载探测，仿真分析能够为其发射前期的测试校对、指标分析和系统设计优化等工作提供支撑和保障。因此，研究有效的GNSS反射信号模型及快速仿真技术不仅是当前科研需求，也是未来发展的工程需求。. 本课题研究内容属卫星导航遥感应用领域，旨在针对已有GNSS反射信号模型存在的不足以及现有仿真计算复杂度大、耗时长的缺点，通过分析影响GNSS海面反射信号的多种因素，研究复杂环境下的GNSS反射信号模型，使其能够适合于分析降雨、泡沫等复杂环境因素对GNSS-R测高、风速反演精度的影响，以及在海杂波干扰下物理参数检测性能的提升方法；在建立反射事件几何关系两阶动态模型的基础上，构建GNSS反射信号动态模型，使其能够适合于分析搭载在卫星等高动态平台的GNSS-R应用性能；通过研究散射区和散射单元尺寸对GNSS反射信号的影响，提出散射单元/散射区的自适应调整、动态选取算法，使其在能够准确仿真GNSS反射信号的基础上，最大限度的减小散射区域面积和增大散射单元尺寸，以便减少计算量；针对GNSS反射信号仿真过程中数据密集和存在大量并行的特点，开展并行数值计算提高GNSS反射信号仿真效率的研究，并提出相应的并行数值计算的模型和算法，为研制快速GNSS-R反射信号发生器奠定理论基础和研究GNSS反射信号逆问题提供模型支撑。