【摘 要】
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北斗卫星导航系统（Bei Dou Navigation Satellite System,BDS）是我国自主研发的导航定位系统,也是我国迄今为止最复杂的巨型航天星座系统。2020年,北斗三号卫星导航系统已全面建成并正式开通服务,标志着北斗"三步走"发展战略圆满完成,同时为北斗卫星导航系统反射测量（Bei Dou Navigation Satellite System Reflectometry,B
【基金项目】
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国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项（项目编号:2019YFD0900800）； 国家自然科学基金面上项目（项目编号:41871325,61806123）；
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北斗卫星导航系统（Bei Dou Navigation Satellite System,BDS）是我国自主研发的导航定位系统,也是我国迄今为止最复杂的巨型航天星座系统。2020年,北斗三号卫星导航系统已全面建成并正式开通服务,标志着北斗"三步走"发展战略圆满完成,同时为北斗卫星导航系统反射测量（Bei Dou Navigation Satellite System Reflectometry,BDS-R）技术提供了新的机遇。在目前海洋科学技术研究中,BDS-R是基于全球卫星导航系统反射测量（Global Navigation Satellite System Reflectometry,GNSS-R）,利用北斗卫星反射信号,对反射面特征展开监测的遥感技术,其具有高精度,实时性,动态性等优点。其通过分别提取直射和反射信号之间的码延迟,载波相位延迟,以及信号的信噪比（Signal Noise Ratio,SNR）等特征信息量,建立不同的测高模型,可以实现对海平面高度的反演。BDS-R技术在监测平台上主要可以分为岸基,机载和星载等。其中岸基测量作为一种广泛应用的监测手段,由于接收到的信号相对机载和星载等监测手段,受到的干扰相对更小,故岸基监测具有稳定性更强,精度更高,时间分辨率更优等特点,是建立BDS-R测高模型的基础。BDS目前公开了新一代公开服务信号——B3I码的信号接口控制文件,对于北斗B3I信号,目前尚未有将其应用于GNSS-R海面高度反演的类似研究,目前国内外尚无相关实验成果及精度评估。B3I码作为新一代民用码,相较于B1I码,具有码速率更高,码片宽度更窄等特点。本文首先就B1I码和B3I码在信号结构和调制方式等方面的差异予以阐述说明。对于北斗原始中频信号,在接收机信号处理模块,介绍了北斗信号在硬件接收模块的处理流程及相应输出;重点详细分析了软件定义的接收机模块的信号处理流程,介绍了信号闭环跟踪技术以及载波相位延迟的提取过程。随后根据BDS-R海面测高技术,对主流的北斗反射信号海面高度反演方法进行对比分析。同时基于反射信号伪距反演精度较差,但时间分辨率高,载波相位延迟反演精度高,但时间分辨率不高,且易受整周模糊度的影响的问题,文章尝试采用相位平滑伪距的方式进行相应优化处理。最后介绍山东威海的海面高度反演实验,对上述理论研究开展实验分析。实验依托岸基监测手段,接收北斗卫星B1I和B3I双频信号源数据,随后采用目前主流的岸基测高DDM（Delay-Doopler Map）法和载波相位延迟方法,对北斗新/旧两代信号应用于BDS-R技术的测高性能进行了评估分析研究。本文的研究内容如下:1、对北斗卫星系统的扩频通信技术进行了简要介绍,介绍北斗不同频段信号的调制结构,对比介绍了B1I码和B3I码中频信号的调制方式,信号特征。2、对北斗原始中频信号的处理,分别在硬件接收机和软件接收机两个层面阐述信号处理流程,介绍了信号闭环跟踪技术以及载波相位延迟的提取过程;借助利萨如图形,判断接收信号的强度。3、介绍岸基监测平台下的BDS-R主流海面测高方法,并进行横向对比。根据BDS-R海面测高技术,建立了DDM、载波相位延迟的海面高度反演模型,基于海面高度反演研究的需求,重点介绍了DDM和载波相位延迟方法处理B1I信号和新一代B3I信号的过程。尝试对载波相位延迟和伪距延迟进行结合,提出一种反射信号平滑器分析方法。4、介绍了岸基场景下开展的北斗B3I和B1I信号海面高度反演实验,利用威海实验收集的数据对B1I/B3I信号进行岸基BDS-R海面高度反演,利用实验辅助仪器采集的实测数据建立的对比模型对反演性能进行评估,在信号特点和测高方法两个维度评估了B1I和B3I信号海面高度反演的性能。实验结果显示:采用DDM测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的平均绝对误差（Mean Absolute Error,MAE）/均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）分别为1.18米/1.48米和0.84米/1.18米;采用载波相位延迟测高方法,B1I频段和B3I频段的反演结果与实测数据的MAE/RMSE分别为0.12米/0.15米和0.10米/0.12米。由于信号特性差异,B3I的DDM测高结果相较于B1I精度提高了28%;B3I的载波相位延迟测高结果精度略优于B1I,两者差异不明显。实验对B1I和B3I信号特性和测高方法导致的反演精度差异的评估,证明了B1I和B3I反射信号均能适用于海面高度反演的需求。
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