基于CYGNSS的DDM海面测高方法的研究

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近些年,海啸的发生给世界很多沿海地区人民的生活和生产造成了严重的威胁和恶劣的影响,并且带了来不可估量的经济危机。随着全球变暖的情况日益严重,极地区域越来越多的冰川、积雪的消融也随之接踵而来,最后可能会造成了全球海面平均高度的上涨。由于海平面高度的上涨最直接可能影响的是风暴潮灾害的频次增加亦或是灾害的强度增大,因此会给世界广大沿海地区的人员带来人身安全和财产的危害。因此,如何简单、快速、准确的进行海平面高度变化测量是我们亟不可待的任务。本文首先模拟发射卫星和反射信号接收平台。模拟了北斗三号在轨卫星(Beidou System 3,BDS3)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)空间星座和不同轨道参数的低轨接收卫星,分析低轨卫星的反射信号在各仿真场景下的海洋覆盖特性。主要结论有:当仿真周期168h,卫星高度550km,轨道倾角为35°,波束角度±45°时,GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星反射信号在±65°纬度带的海洋覆盖率约为58%;3颗LEO卫星同时发生反射事件卫星数的平均值较单颗LEO卫星相比约为3倍。可以通过设计LEO多星来增加反射事件的数量,提高海洋覆盖率。CYGNSS(Cyclone Global Navigation Satellite System)8卫星星座卫星星座的轨道倾角为35°,轨道高度为510km的圆形轨道,具有丰富的信号源,CYGNSS数据集为研究平均海面高度提供了一个潜在的机会。CYGNSS卫星可以接收地球表面反射的GNSS卫星信号,利用这些反射信号可以对地球表面特征进行反演。本文研究基于CYGNSS卫星的海面测高方法,利用CYGNSS L1级DDM(Delay Doppler Map)数据反演海面高度,使用DTU15(Technical University of Denmark,丹麦技术大学)全球平均海面、海潮模型建立验证模型,验证了星载GNSS-R(Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry)海面高度反演模型。通过小波阈值去噪和1°网格平均方法优化海面高度结果。本文的主要研究内容如下:1.使用仿真工具模拟不同参数设置场景下的GNSS-R平台,分析LEO卫星的反射信号的空间分布和海洋覆盖率。CYGNSS作为8卫星低轨星座,具备良好的反射信号重访性能,将作为本文海面高度反演实验的数据集。2.采用星载CYGNSS DDM测高技术反演海面高度,使用DTU15全球平均海面、海潮模型建立验证模型,验证了星载GNSS-R海面高度反演模型。3.以单轨数据为例,经过误差修正之后得到的海面高度的MAE提升了5.44米;再使用小波阈值去噪的方法优化海面高度反演结果,使MAE(平均绝对误差)又提高了1.1米。结果表明通过小波阈值去噪方法可以提升海面高度反演精度。4.实验研究表明CYGNSS的不同卫星测高结果的MAE最大相差仅10%左右,不同CYGNSS卫星对海面高度反演精度影响较小;卫星姿态和风速与SSH反演结果误差没有线性关系。5.最后对2018~2020年印度尼西亚附近区域和中国南海区域的一周的网格平均海面高度进行了反演,相应的反演结果与验证模型的海面高度的相关性分别在99%和95%以上,证明了CYGNSS测量海面高度的有效性。
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