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粗糙海面上空对流层波导的GPS信号传播特性研究

吴溪  
【摘要】:地球拥有着丰富的海洋空间,低空海域环境的复杂多变,使得对流层大气波导,这种不具备实体结构的异常大气折射率层结时有发生。大气波导显著影响着GPS系统的定位、导航,干扰了无线电设备的正常工作,因而,对其的研究具有重要的现实意义。本文针对GPS卫星发射的这种具有固定频段和特殊信号结构的电磁波,深入展开基于粗糙海面的大气波导传播正问题建模,着重考虑了海面粗糙度对抛物方程初始场与边界条件的影响;同时,基于海面电磁散射原理、与接收机端的信号处理,并结合卫星星历对卫星位置的解算,仿真计算了对流层波导环境中GPS海面散射信号的接收功率,与实验结果具有良好拟合性。本文的主要研究成果如下:1、研究了粗糙海面环境下GPS反射多径信号的波导传输特性,通过信号矢量模型的构建,引入相干镜反射粗糙度衰减因子与非相干漫反射粗糙度衰减因子对Fresnel反射系数加以修正,提出了低仰角GPS多径信号的非均匀干涉初始场模型,并在粗糙、介质、球形海面上空的对流层波导环境中,对GPS信号的空间功率分布进行计算与极化分析。计算结果显示,该初始场模型更符合实际的场分布情况,在干涉加强与减弱的峰值上有明显的幅度变化,且地球曲率造成干涉条纹的非均匀分布现象。2、借助海浪功率谱模型,详细讨论了海面的粗糙特性对抛物方程计算域下边界条件的影响。使用Elfouhaily谱,将海面粗糙度进行大小尺度的两种划分:针对低频长波段海谱表征的大尺度海面粗糙特性,使用Monte-Carlo法生成一维随机粗糙海面,并将其作为波导下垫面的地形因素;针对高频短波段海谱表征的小尺度海面粗糙特性,使用对海谱积分的均方根高度计算方法,修正Miller-Brown粗糙度衰减因子。最后通过连续移位地形变换的PE非均匀地表处理方法,完成混合粗糙度修正下的GPS波导传播建模。计算结果显示,随着风速的增大,GPS信号在蒸发波导与无基础层表面波导中的超视距传输距离缩短,信号的能量衰减增大,且波导上方的电磁盲区面积增大。3、引入高灵敏度GPS双路延迟映射接收机,对GPS海面散射的弱信号进行直达波模块的捕获和跟踪研究;并基于卫星的广播星历和精密星历,讨论了卫星位置的解算问题。对GPS海面散射信号的PE传播因子进行极化分析与不同波导环境下的计算建模,基于海面电磁散射原理与双基地雷达方程,得到接收机处的仿真功率数据,并对其进行码片时延与传播距离的转化分析。最后利用实验测量数据与理论建模数据进行对比,其结果显示了较好的一致性,并完成接收机可视范围内卫星星座图的绘制。


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