● 摘要
全球卫星定位系统（Global Navigation Satellite System）不仅为用户提供了导航定位和精确授时信息，还提供了高度稳定、可长期使用的L波段（~20cm）免费微波信号资源。基于全球卫星定位系统的GNSS-R（GNSS-Reflection）海洋微波遥感是当前国内外倍受关注的前沿技术和研究热点，其技术原理是利用导航卫星信号作为发射源，通过岸基、航空或卫星平台上GNSS-R接收装置，完成卫星直射及反射信号的同步接收，进而实现海洋要素遥感探测。本文系统阐述了该新型遥感技术所涉及的海浪谱、海面散射信号模型及数值仿真、几何关系及坐标变换、风场遥感原理、GNSS-R接收机设计、航空试验和数据处理等方面，本人所做的创造性工作和取得的主要成果如下：1．改进了GNSS-R海面散射信号模型，引入了功率因子和噪声模型。分析了散射信号绝对功率和信噪比特征，考虑了卫星发射机功率、大气损失等因素；对影响散射信号的天线覆盖区、等延迟区、等多普勒区、闪耀区进行了定义和定量分析；描述了用时延多普勒实现采样区域空间分割的物理意义。2．通过数值仿真手段，分析了海面散射信号时延多普勒相关功率二维曲面和一维曲线特征，讨论了风速、风向以及平台高度、卫星高度角对散射信号时延相关功率曲线、多普勒相关功率曲线的影响，指出了利用时延、多谱勒相关功率曲线或时延多谱勒相关功率曲面进行风场遥感的可行性。3．创新性地采用了完整的PRN序列自相关函数模型，考虑了自相关函数旁瓣对GNSS-R遥感的影响，提高了模型的准确性。模型仿真结果与国内外实测数据进行了比对，在旁瓣位置、大小和形状上具有明显地一致性；分析了BOC调制多峰值特性对散射信号的影响。4．描述了GNSS-R接收机通用模型结构，提出了海洋散射信号时延多普勒相关功率采集“点”，“线”、“面”的概念。分析了5种不同二维时延相关功率计算方法；在GPS专用处理器GP2021芯片基础上，设计并实现了国内首台通过海试的12通道GNSS-R接收机。5．利用自行研制的GNSS-R接收机，进行了国内首次航空GNSS-R海面风场遥感试验；利用航空试验数据进行了风速反演，结果与QuickScat卫星散射计及测风站同比风场数据接近；提出了SDMR接收机用于高程测量的不足和改进方法。