基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统，该方法包括：构建电离层改正模型和对流层改正模型；根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟；根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟与直射信号的对流层延迟的差值；解算得到电离层和对流层对测高过程的影响，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。本发明专利技术消除了大气延迟误差(电离层和对流层)对测高过程的影响，提高了海面测高精度。提高了海面测高精度。提高了海面测高精度。

【技术实现步骤摘要】
基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统


[0001]本专利技术属于卫星测高学、海洋测绘学等交叉
，尤其涉及一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统。

技术介绍

[0002]海面高度是研究海洋动力学、气象学、大地测量学、地球物理学等领域的基础数据。全球海面高度数据可以用于监测全球气候变化，获取大地水准面，确定大洋环流，反演海洋重力场，建立大洋潮汐模型以及进行中尺度气候模型研究等。监测海平面高度变化具有重要意义。目前，海面高度可以从传统的船测、潮位站到现在中分辨率成像光谱仪、合成孔径雷达、雷达高度计等方法获得。然而，船舶测量和潮汐站模式受限于空间，数据采样方面效率低下，适用于局部观测，无法达到全球海洋覆盖。合成孔径雷达高度计和雷达高度计都只能测量出星下点的目标高度，使用条件较为局限。雷达高度计虽然能获得高精度的全球海面高度，但其缺乏中尺度空间分辨率导致此尺度地表水体信息无法长时间稳定观测到，无法满足当前新型海洋观测的应用需求。
[0003]全球导航卫星系统反射遥感(GNSS
‑
R)是新一代测高技术，其利用GNSS信号在海面的反射实现测高。在GNSS导航定位中，在接收直射信号的同时，反射信号作为多路径干扰通常认为有害，需要进行抑制和消除处理。但是，从电磁波传播理论来看，反射信号中携带着反射面的物理特性信息，通过反射信号波形、极化特征、幅值、相位、频率等参量的变化，可以直接反映出反射面的物理特性。因此，对反射信号进行精确估计和接收处理，可以实现对反射面物理特性的估计和反演。基于此理论，1993年，欧空局科学家Martin
‑
Neira首次提出并叙述了利用海面反射信号测高PARIS(passive reflectometry and interferometry system)的概念。主要思想是将GPS海面反射波作为测距信号来进行海洋测高。1994年，法国科学家Auber通过飞行试验意外发现接收机可以接收到GPS海面反射信号。美国NASA的兰利研究中心分别在1996年8月6日、8日、27日通过实验得出接收GPS反射信号需要特制接收机的结论。Martin
‑
Neira分别于1997年9月、2001年6月和2003年2月在荷兰进行了PARIS高度计桥Ⅰ、桥Ⅱ、桥Ⅲ试验，分别利用C/A码相关函数延迟和相位测量的方法，验证了GNSS
‑
R测高的可能性。2003年，英国UK
‑
DMC卫星利用搭载的GNSS
‑
R设备成功获得海面粗糙度等地表物理系数。2014年，发射了第一颗GNSS
‑
R卫星(TDS
‑
1)。这些成果激发了众多科研人员对GPS反射信号的兴趣，促使各国开始了对GNSS
‑
R技术的探索与研究，GNSS
‑
R技术得以飞速发展。
[0004]GNSS
‑
R作为一种新型有效的双(多)基地雷达无源遥感技术，与传统的遥感技术相比，以其信号源丰富、成本低、覆盖范围广、低功耗、全天候、高实时性等优点，有效地弥补了现有海洋遥感技术的不足。目前，全球导航卫星系统反射遥感技术(GNSS
‑
R)已广泛用于海面测风、海面测高、海冰探测、海洋盐度探测、土壤湿度探测、移动目标探测等领域。其中GNSS
‑
R海面测高技术主要有五种方法，分别是基于码测高、载波相位测高、载波频率变化测高、干涉测高、时延多普勒图(DDM)测高、信噪比测高等。
[0005]GNSS
‑
R海面测高的实现依赖于GPS电磁波信号在空间的传输。信号在空间中传播
会受到电离层、对流层、多路径等的影响，这些因素作为误差项会影响GPS海面测高精度，因此需要尽可能消除这些误差的影响。电离层在卫星高度计使用的高频段信号上有几十厘米的距离误差，单频高度计在低电子浓度区域还是有用的，随着科研需要，高精度电离层改正是必然要求，而在航天器上搭载双频高度计带来成本和其他的复杂性问题。本专利技术提出利用GNSS
‑
R技术确定卫星附近的电离层电子密度，并且分析了该技术的可能性。文献研究了利用星载GNSS
‑
R技术研究电离层的可行性，通过模拟实验，结果表明可以使用GNSS双频或者多频信号利用GNSS
‑
R技术估计电离层延迟，利用双频伪距测量和模型预测，得到在1s积分后提高2m测量精度的结果。在电离层探测方面，陈必焰提出一种改进的电离层层析方法，利用地面GPS接收机的观测数据建立区域性电离层模型，内插得到充足的TEC数据，克服经验电离层模型受空间环境影响而失真的缺点。文献提出一种利用DDM反演海洋上空电离层总电子含量的方法。其结果与IRI
‑
2012模型值比较，具有良好的一致性。任晓东基于GPS、GLNOASS、BDS和Galileo四大卫星系统联合MGEX网和IGS网的数据，建立基于多系统GNSS观测数据的电离层模型，并对该模型进行精度分析，结果表明精度与IGS中心发布产品相当，同时提出利用非差模糊度固定技术提取TEC，相较于传统的载波相位平滑伪距，该方法提取的电离层TEC精度显著提高，对未来利用短时段低轨卫星数据提取TEC具有重要价值。在GNSS
‑
R应用的其他研究中，研究人员对大气延迟误差使用模型来进行纠正，分为单频导航接收机使用全球电离层模型改正，例如klobuchar模型，双频导航接收机使用载波相位和伪距码进行线性组合来消除电离层误差，没有系统的研究大气延迟变化规律。张云在机载GNSS
‑
R反射信号测高模型研究中，只从理论上排除了电离层对实验结果的影响，没有深入地给出实际结果。上述实验有的受制于条件，只从模拟角度分析了GNSS
‑
R电离层探测的可能性，有的借助电离层模型来削减大气延迟影响。但众所周知，电离层模型受空间环境变化的影响较大，无法较好反映实际测量情况。

技术实现思路

[0006]本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统，旨在消除大气延迟误差(电离层和对流层)对测高过程的影响，提高海面测高精度。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，包括：
[0008]构建电离层改正模型和对流层改正模型；
[0009]根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟
[0010]根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟与直射信号的对流层延迟的差值Δρ
tro
；
[0011]根据解算得到的和Δρ
tro
，解算得到电离层和对流层对测高过程的影响H；
[0012]根据解算得到的H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精
度。
[0013]在上述基于大气延迟误本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，包括：构建电离层改正模型和对流层改正模型；根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟与直射信号的对流层延迟的差值Δρ
tro
；根据解算得到的和Δρ
tro
，解算得到电离层和对流层对测高过程的影响H；根据解算得到的H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。2.根据权利要求1所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，电离层和对流层对测高过程的影响H表示如下：其中，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。3.根据权利要求1所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟包括：通过如下式(2)，解算得到反射信号的电离层延迟解算得到反射信号的电离层延迟通过如下式(3)，解算得到直射信号的电离层延迟解算得到直射信号的电离层延迟其中，f表示GPS信号载波频率，STEC
r
表示反射信号传播路径所包含的电子总含量，STEC
d
表示直射信号传播路径所包含的电子总含量。4.根据权利要求3所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟还包括：通过如下式(4)和式(5)，解算STEC
r
和STEC
d
：
其中，VTEC
r
表示反射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量，VTEC
d
表示直射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量，R
e
表示地球半径，h表示电离层单层模型高度，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。5.根据权利要求4所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟还包括：确定电离层穿刺点；电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，吴凡，延政杰，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：