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          GPS衛星系統中的雙基雷達反射測量

          地理信息

          2020年03月25日

          GPS衛星持續向地球播發無線電信號,其中部分信號會被地球表面反射。從粗糙表面反射回來的GPS延遲信號可以提供直射和反射信號路徑的不同信息。這些信息包括反射信號的波形、幅值、相位和頻率等的變化,極化特征的變化直接與反射面相關,結合接收機天線位置和介質信息,利用延遲測量觀測和反射表面屬性可以確定表面粗糙度和表面特性,即GPS+R反射測量。


          GPS反射測量是由歐空局(ESA)Martin Neira于1993年首次提出來,即GPS地表反射信號和直射信號一起被接收機接收,它們之間延遲可以用于干涉測量,即PARIS(passive reflectometry and interferometry system)。

          1994年,法國科學家通過進行飛行試驗發現接收機可以接收到海面反射信號,但由于其對定位精度的影響,通常將其作為多路徑信號剔除。

          1996年,NASA蘭利研究中心的科學家利用雙頻GPS信號進行海面前向散射以獲取并剔除電離層延遲,彌補傳統衛星高度計的不足,但地基試驗表明傳統接收機難以進行長時間的跟蹤和有效鎖相,需研制新型的接收機。同年,歐空局(ESA)在荷蘭進行GPS+R海面測高試驗-PARIS高度計Zeeland橋I試驗。

          2000年10月,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的颶風獵人號飛機搭載了GPS+R設備從南卡來羅納州海岸飛入“邁克爾”颶風內,通過分析從熱帶氣旋海面上反射回來的GPS信號得到了風速結果。

          2003年英國UK-DMC衛星利用搭載的GPS+R設備成功獲得了海面粗糙度等地球表面物理系數;靜海區域的GPS反射信號同樣可以得到高精度的測高結果。同時,2014年第1顆GPS+R衛星(TDS-1) 發射,提供DDM數據產品,開啟了星載反射測量的應用。此外,許多其他科研機構也開展了一系列GPS反射信號的理論研究和試驗、新型GPS+R接收機的研制,以及基于地基、海岸、橋梁、飛機等不同平臺試驗,測試信號接收、原理驗證,以及檢驗利用GPS+R估計海面(如海面高和風速)和陸面等研究,獲得了一些初步結果和進展。


          GPS+R反射測量技術屬于雙基雷達,可獲得地表粗糙特征和地球物理參數,即利用GPS測量直射信號與地表鏡面反射的信號之間延遲,再根據GPS衛星、接收機和鏡面反射點之間的幾何位置關系,可反演地表特征。按照處理數據的方式,GPS+R測高可以分為傳統型GPS+R測高(GPS+R測高)和干涉GPS+R測高(AGPS+R)。

          前者是配置左右圓極化天線并利用接收機記錄的直射信號與反射信號的載波相位數據,通過固定模糊度和解算接收機鐘差等方式,確定兩者之間的傳播路徑延遲,進而計算天線至地球表面的高度。后者是利用直射信號與反射信號功率波形相關的原理,測得信號時延,進而計算天線到地球表面的垂直距離,但其涉及復雜的多普勒時延算法,數據處理方法復雜。



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