積雪厚度是一個(gè)重要的自然環(huán)境參數(shù),準(zhǔn)確的、高時(shí)空分辨率的積雪厚度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以為全球氣候變化、政策制定、水資源管理等提供可靠的科學(xué)依據(jù)。經(jīng)積雪表面反射的GNSS信號(hào)被接收機(jī)接收、處理后會(huì)導(dǎo)致GNSS觀測(cè)值多路徑誤差的產(chǎn)生,GNSS-R積雪厚度測(cè)量技術(shù)可利用觀測(cè)值的多路徑誤差實(shí)現(xiàn)對(duì)積雪厚度的反演。根據(jù)測(cè)量模式的不同,GNSS-R積雪厚度測(cè)量技術(shù)可分為兩大類:基于干涉模式的GNSS-R積雪厚度測(cè)量技術(shù)和基于反射模式的GNSS-R積雪厚度測(cè)量技術(shù)。前者使用普通的測(cè)地型接收機(jī)就可以對(duì)積雪厚度進(jìn)行測(cè)量,是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠以及高時(shí)空分辨率積雪厚度監(jiān)測(cè)的一種現(xiàn)實(shí)可行的手段;然而,目前該技術(shù)所使用的方法相對(duì)單一,對(duì)GNSS多路徑誤差特性的研究尚不充分,也缺乏對(duì)不同導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、不同頻段積雪厚度測(cè)量結(jié)果精度與誤差的對(duì)比分析以及有效的加權(quán)融合模型。針對(duì)上述問題,本文對(duì)基于干涉模式的GNSS-R積雪厚度測(cè)量原理和方法進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。首先對(duì)GNSS反射、干涉信號(hào)的模型及其特征進(jìn)行了分析;然后,分別研究了基于SNR觀測(cè)值、載波相位觀測(cè)值組合、偽距和載波相位觀測(cè)值組合的積雪厚度測(cè)量方法,并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)北斗、GPS和Galileo系統(tǒng)的積雪厚度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析;最后,提出了一種基于主頻功率譜密度的積雪厚度測(cè)量結(jié)果定權(quán)與數(shù)據(jù)融合方法,并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。本文的具體工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)建立了衡量反射信號(hào)強(qiáng)度的振幅衰減因子的函數(shù)模型,完善了GNSS多路徑誤差的數(shù)學(xué)模型。(2)對(duì)基于SNR方法的北斗、GPS和Galileo系統(tǒng)的積雪厚度測(cè)量結(jié)果及誤差進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明:受電磁波透射后再反射的影響,SNR積雪厚度測(cè)量結(jié)果存在一定的系統(tǒng)性負(fù)偏差,對(duì)多顆衛(wèi)星積雪厚度測(cè)量值取平均可以提高積雪厚度測(cè)量結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性。(3)研究了雙頻和三頻載波相位組合的多路徑誤差特征,給出了雙頻組合的適用范圍,提出了基于滑動(dòng)平均濾波的雙頻載波相位多路徑誤差組合序列提取方法,并明確了不同天線高度下三頻載波相位組合的頻譜特性;建立了北斗、GPS和Galileo系統(tǒng)不同組合頻段的積雪厚度測(cè)量模型,并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其積雪厚度測(cè)量結(jié)果及誤差進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:基于三頻組合的積雪厚度測(cè)量精度優(yōu)于雙頻組合。(4)提出了基于單頻偽距和載波相位觀測(cè)值組合、以及基于雙頻偽距和載波相位觀測(cè)值組合的兩種GNSS-R積雪厚度測(cè)量方法,分析了兩種組合的多路徑誤差特性,建立了北斗、GPS和Galileo不同頻段最優(yōu)組合的積雪厚度測(cè)量模型,并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其積雪厚度測(cè)量結(jié)果和誤差進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:GNSS偽距觀測(cè)值的測(cè)量精度對(duì)積雪厚度測(cè)量結(jié)果有重要影響,測(cè)距碼碼片長(zhǎng)度越短,偽距觀測(cè)值測(cè)量噪聲越小,積雪厚度測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確,(5)提出了一種基于主頻功率譜密度的多衛(wèi)星監(jiān)測(cè)積雪厚度融合方法及其定權(quán)準(zhǔn)則。系統(tǒng)總結(jié)了GNSS-R積雪厚度測(cè)量誤差的種類,分析了觀測(cè)噪聲、主頻功率譜密度及主頻估計(jì)誤差之間的關(guān)系,結(jié)果表明:測(cè)量噪聲與主頻估計(jì)誤差成正比,測(cè)量噪聲越大,主頻估計(jì)誤差越大,積雪厚度測(cè)量結(jié)果越不準(zhǔn)確。建立了多衛(wèi)星積雪厚度測(cè)量結(jié)果的加權(quán)融合模型,并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)提出的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P228.4;P426.635
【部分圖文】：

1.4 技術(shù)路線為了完成文章的研究?jī)?nèi)容、達(dá)到研究目的，本文首先開展 GNSS 觀測(cè)值多路徑誤差建模與特性方面的研究，然后在此基礎(chǔ)上分別開展基于 SNR 的積雪厚度測(cè)量方法、基于載波相位觀測(cè)值的積雪厚度測(cè)量方法以及基于偽距和載波相位觀測(cè)值的積雪厚度測(cè)量方法的研究；并通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；最后，對(duì)不同方法產(chǎn)生的測(cè)量誤差的原因進(jìn)行分析總結(jié)，研究了不同系統(tǒng)、不同衛(wèi)星、不同頻段積雪厚度測(cè)量結(jié)果的定權(quán)和數(shù)據(jù)融合模型。本文的研究技術(shù)路線如圖 1-1 所示。

圖 2-1 降雪前后 GNSS 直射和反射信號(hào)傳播幾何模型圖2.2 GNSS 干涉信號(hào)2.2.1 GNSS 干涉信號(hào)模型對(duì)于圖 2-1 所示的場(chǎng)景，GNSS 接收機(jī)收到的電磁波信號(hào)是直射信號(hào) Sd(t)和反射信號(hào) Sm(t)疊加后的干涉信號(hào) S(t)，直射信號(hào)、反射信號(hào)和干涉信號(hào)可分別表示為[40]：( ) sin ( )( ) sin ( ) ( )( ) ( ) ( )d dm md mS t A tS t A t tS t S t S t （2-4）式中， (t)為直射信號(hào)的相位，且有： ( t ) 2 ( t ) N （2-5）

其中，干雪、濕雪和混凝土的復(fù)介電常數(shù)分別為：2.025-.80j、3-0.000228j�？梢钥闯觯倚瓷浞至康姆瓷湎禂�(shù)隨著衛(wèi)星高減��；左旋反射分量的反射系數(shù)隨著衛(wèi)星高度角的增大而增大。對(duì)的反射面來說，當(dāng)衛(wèi)星高度角分別大于 18°、29°和 36°左右時(shí)旋分量的反射系數(shù)大于右旋分量的反射系數(shù)，且隨著衛(wèi)星高度角的于定值；兩反射分量反射系數(shù)相等時(shí)對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星高度角也稱為 一角度是判定反射電磁波極化特性的重要依據(jù)。不同反射分量反射系數(shù)隨高度角的變化趨勢(shì)還可以看出，當(dāng)衛(wèi)星高右旋電磁波反射分量的強(qiáng)度大于左旋反射分量；而當(dāng)衛(wèi)星高度角相反；此外，由于一般的測(cè)地型 GNSS 接收機(jī)普遍采用右旋圓極線對(duì)右旋圓極化電磁波有較高的增益，而對(duì)左旋圓極化電磁波則有應(yīng)。因此，在使用普通的測(cè)地型接收機(jī)采集反射信號(hào)數(shù)據(jù)時(shí)，必須角在較小的范圍內(nèi)。
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本文編號(hào)：2841303