摘要
水面高度的变化对气候、环境以及人类的生存有着巨大的影响。在全球气候变暖的大背景下，海洋潮位和内陆水库水面高度呈现上升的趋势给人类社会带来安全隐患，如何有效监测水面高度以及预测其上升趋势已经成为当前研究热点问题。然而传统水面高度监测方法时空分辨率较低，在复杂地形以及恶劣天气条件下精度、可靠性及可用性难以保障，功耗大且测量成本高。近年来，全球导航卫星系统反射测量（Global Navigation Satellite Systems-Reflectometry,GNSS-R）技术广泛应用于水面高度反演，该技术不仅能提供长期稳定和高时空分辨率的信号，还能够有效地利用沿海地区诸多岸基IGS测站和大中型大坝、库岸高边坡建立的GNSS变形监测系统提供的不需重复建设的硬件设备与丰富的数据资源，成为国内外专家学者研究热点领域之一。 但在目前的研究中，特别是在国内还主要处于GNSS-R水面高度反演理论和运用研究的起步阶段，仍需要对反射信号精细化提取等关键问题进行深入研究和解决。为了使现有的海量岸基IGS测站以及水库大坝岸边的GNSS变形监测系统的数据得到充分利用，从而降低水面高度监测成本，以及提高水面高度变化监测的时间分辨率和精度。本文重点推导了GNSS-R用于水面高度反演的基本原理，在此基础上对精细化水面高度反演的关键问题进行了详细研究，基于原理实现了软件的开发，并通过实测数据验证了算法的可靠性和有效性。本文的研究内容和成果具体包括： （1）详细推导了GNSS-R精细化水面高度反演的原理，重点分析了精细化提取可用反演卫星及其有效时段的方法，并在此基础上完成趋势项去除及Lomb-Scargle频谱分析，给出完整的反演水面高度的数据处理流程。随后介绍了信噪比及其特征，深入分析了在低高度角范围的信噪比与多路径的对应关系。并对卫星信号反射点轨迹、菲涅尔反射区域、SNR残差序列精细化提取、Lomb-Scargle频谱分析等GNSS-R精细化水面高度反演的关键问题进行了详细地探讨。 （2）在MATLAB环境下开发了“GNSS-R精细化反演水面高度数据处理软件V1.0”，给出了软件技术路线，介绍了其基本功能。利用GNSS观测数据对软件的基本功能完成了测试，对其适用于反演水面高度的可行性和有效性进行了验证，结果表明GNSS-R技术能够准确地获取水面高度。软件的开发减轻了水面高度变化监测中庞大又繁杂的数据处理工作，提高了监测效率。软件的开发为后续实验数据的处理提供了数据支撑。 （3）选取水面变化幅度较小的水库和水面变化幅度较大的海洋岸边测站的实测数据开展实验。首先在水库进行实测，将反演的水面高度与实测的水面高度进行对比分析。结果表明，两个不同测站的反演精度均达到厘米级，满足一般的水面高度监测需求。为了进一步验证算法在复杂环境下的可靠性和精度，又通过海洋岸基测站的数据开展了潮位监测实验，与邻近的验潮站数据进行相关性分析，验证了GNSS-R技术在水库水面高度和潮位监测中的可行性和有效性。
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