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《上海海洋大学》 2018年
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基于GNSS-R的海冰检测的研究

谢向芳  
【摘要】:海冰是重要的海洋灾害之一,直接影响着海上运输、港口设施、对来往的船只安全也造成一定的影响。海冰不仅出现在极地等高纬度海域,还出现在一些中纬度海域。南极海冰对全球气候系统起到重要的影响作用,南极海冰在检测气候变化的作用中起到放大和驱动的作用,相对于其他高纬度海域海冰灾害南极海冰灾害对全球气候环境造成巨大的影响,被认为是全球气候的重要指示器[1]。以渤海为例,海冰灾害也对我国的经济造成重大的影响。为了减轻海冰灾害造成的影响,国内外学者开始着手对海冰检测的研究。传统的海冰检测手段受天气状况的影响不能实时检测海冰,实验成本也比较大,因而发展实时有效且经济环保的检测手段成为了关键的问题。GNSS发射信号不受天气影响,可随时使用接收机接收卫星信号,拥有大量的数据源,实验过程和数据处理过程中只需要接收机、接收天线、笔记本电脑等实验器材,经济消耗低,可以实现不间断长时间的检测。GNSS直射信号和反射信号带来的不同信息分别应用到不同的场合。直射信号(GNSS-D)最常见的是用到定位上,可以提供准确的时间信息,位置信息和导航信息,能够实现实时导航的功能。反射信号(GNSS-R)经过反射面被接收机接收之后会带来反射面的物理特征,可以通过对反射信号的分析识别反射面的物质。由于上述特点,目前GNSS-R技术成为国内外研究海洋领域的热门技术之一,被广泛应用于海冰检测、海面高度测量、海面风场测量、海洋溢油检测、极地冰盖检测等领域。在使用直射信号定位的过程中发现反射信号能够反映反射面的特性,自此之后国内外学者开始致力于将GNSS-R技术运用的海冰检测的研究上来。Fabra团队用GPS卫星信号的数据,第一次提出极化比的模型(Polarization Ratio Model)反演了海冰的变化趋势,验证了GNSS-R检测海冰的可能性。本文通过在渤海和南极的两次实验分别研究了利用我国的北斗卫星系统的信号来检测海冰以及在南极地区利用GPS的信号检测的可行性及具体技术路线。本文通过结合GNSS直射信号和反射信号,通过它们的比值来识别反射面的海冰海水状况,进而检测海冰浓度的变化。北斗卫星星座是我国自主研发的卫星导航系统,目前为止技术已经很成熟,对亚太地区有很好的覆盖率,本文在渤海的实验利用了北斗卫星信号完成了对海冰密集度等的检测,验证了其用于海冰检测的可行性并给出了具体的技术路线。GPS卫星星座已经实现全球覆盖,在南极的天顶图上符合极化比模型仰角范围的卫星全是GPS卫星。因此我们在南极实验中使用的是GPS卫星的信号,并利用船载接收机实现了对南极大陆周边海域的大范围移动观测,给出了船载检测方式的具体技术路线。本文的主要研究内容和研究成果如下:1.本文介绍了海冰检验的关键技术,包括电磁波的类型和极化,海冰基本原理以及本文中使用到的北斗卫星和GPS卫星的介绍。介绍了数据采集和数据处理过程,并对数据处理中的主要误差进行了分析。2.本文中分别进行了渤海岸基实验和南极海冰船载实验两次实验。第一次的岸基实验使用的是北斗GEO卫星,利用GEO卫星对地静止的性质,使用单颗卫星检测整个实验过程中的海冰状况。我们使用北斗GEO B1频段的反射信号,经过时长6天的实验,结果验证了北斗卫星岸基实验长期检测海冰的可能性。实验中分别使用北斗GEO的C01、C02和C03卫星检测6天,结果3个卫星的极化比值结果都与大气温度呈现正相关的关系。其中C01、C02和C03的极化比值与大气温度的相关值分别为0.61、0.72和0.57。3.第二次实验中我们将GNSS-R接收机安装在第31次南极科考船“雪龙号”上,使用GPS接收机接收直射信号和反射信号。船载接收机和GPS卫星的位置随时间的变化而变化,数据处理过程中开发QT程序用来动态选择符合仰角和方位角条件的三颗卫星,每组数据使用三颗卫星的极化比平均值作为使用数据消除因使用不同卫星产生的误差。使用美国冰雪中心数据和现场勘测照片作为对比数据,实验结果证明使用极化比模型验证了在船载移动情况下GPS卫星能够检测海冰密集度。当卫星仰角在一定范围内时,利用不同的GPS卫星可以反演出海冰密集度,海冰密集度和极化比值呈负相关。
【学位授予单位】:上海海洋大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN967.1;P714.1

【参考文献】
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