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原文传递船载GNSS-R海面有效波高及风场反演方法研究

论文题名：	船载GNSS-R海面有效波高及风场反演方法研究
关键词：	智能船舶;全球导航卫星系统;散射信号;有效波高;风场反演
摘要：	近年来由于智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的日益发展，船舶智能化航行已经成为全球航运的发展趋势。而船舶航行环境信息感知技术是实现船舶智能化的首要待突破问题，也是保障海上交通安全的关键技术之一。目前传统的航行环境信息感知手段都存在着不同程度的局限性，数据量小且造价成本高，空间和时间分辨率有限，缺乏系统性和完整性。但随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）的逐渐丰富且多元化发展，基于全球导航卫星系统反射信号的GNSS-R（GNSS -Reflectometry）新型遥感技术逐步发展起来。GNSS-R技术凭借其低成本、全天候、高时空分辨率、覆盖范围广等优点，在海面风场、有效波高、海面溢油、海冰等方面都有所应用。由于该技术的相关研究和试验基本集中在星载及机载平台，但在船载平台上尚处于空白阶段，而海洋状态信息又是确保船舶航行安全的关键参数，因此本文通过实船试验研究船载平台下GNSS-R的散射特性，并构建船载GNSS-R的海面风场及有效波高反演方法，相关研究如下：　　（1）针对传统 GNSS-R 风速反演方法难以实现船载平台风速有效反演的问题，提出了船载GNSS-R时延多普勒图像零频移曲线斜率的海面风速反演方法。船载平台下GNSS-R设备高度较低，海面上散射信号的闪烁区会集中在较小的码片范围内，本文利用多通道相关器对散射信号进行相干积分和非相干累加，构建船载时延多普勒图像。通过研究闪烁区多普勒频移的频偏特性，结合时延功率曲线的前阶段和后阶段斜率变化，分析了各阶段斜率对不同风速的敏感性，建立了GNSS-R时延功率曲线混合斜率风速反演模型。实船试验结果表明，相比其他传统方法应用在船载平台上，本文所提方法拥有更小的风速反演误差，精度提高了约28%，填补了船载平台GNSS-R风速反演方法的空白。　　（2）为了提高船载 GNSS-R 对风向的敏感性，定义了散射信号中时延多普勒图像的时延窗面积特征参数，并提出了基于时延窗面积的船载GNSS-R风向反演方法，构建了时延窗面积与风向的响应关系。然而在利用GNSS-R技术进行风向反演过程中，同一时延窗面积会呈现多个风向结果。本文通过引入多导航卫星的方位角信息，解决风向多解的不确定性问题，实现船载GNSS-R的风向反演。船载试验结果表明，利用多卫星方位角信息可以解决风向反演过程中的多解问题，并且本文所提算法的反演结果与风向真值数据分布情况更为接近，其均方根误差为±21°，能够实现船载GNSS-R风向信息的有效反演。　　（3）针对船载 GNSS-R 有效波高反演精度低的问题，本文基于散射信号在时延和多普勒频率上呈现的能量分布特征，提出了船载GNSS-R累加时延多普勒相关功率的有效波高反演方法；同时，通过不同高度角卫星的散射功率差异，引入了累加时延多普勒相关功率的修正增益，提高了累加时延多普勒相关功率与有效波高的相关性，实现了船载GNSS-R有效波高的反演。为对所提算法进行验证，本文进行了船载有效波高反演试验。结果表明，所提算法反演结果与浮标的有效波高真值数据表现出较高的一致性，其平均误差百分比为 5.88%，均方根误差为 0.12 m，最大误差为 0.28 m，能够提高船载GNSS-R有效波高反演精度，为船舶航行海况信息的获取提供了新方法。　　本文围绕船载GNSS-R技术对海面风场及有效波高方面开展了相关研究和试验，为船舶航行环境的信息感知提供技术支持，对保障海上交通安全具有重要意义，能够为海洋一体化环境监测提供新的信息平台。
作者：	秦凌宇?
专业：	交通信息工程及控制
导师：	李颖
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022