利用差分GPS浮标进行雷达高度计海面高定标技术研究

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星载雷达高度计是重要的微波遥感器,它能以厘米级的精度测量卫星到海面的距离,进而得到海面高(Sea Surface Height,SSH)。高度计系统中存在着偏差(Bias)和长期漂移(Drift),为了得到准确、可靠的高度计数据产品,高度计系统必须经过绝对定标(AbsoluteCalibration)。GPS浮标(GPS Buoy)是完成高度计绝对定标的有效手段,通过浮标进行现场海面高测量,并和高度计的海面高产品进行比对,就可得到高度计系统的偏差和漂移。  由于差分GPS(Differential GPS,DGPS)技术能够获得较高定位精度,因此定标试验中通常使用的是DGPS技术。定标试验的DGPS系统至少包括一个GPS浮标和一个坐标已知的GPS参考站(GPS Reference Station)。GPS浮标的位置通过GPS参考站以动态差分定位的方式解算得到。  在开阔海域的高度计绝对定标试验中,利用DGPS浮标现场测量得到的海面高序列通常包含了由海浪和仪器噪声引起的高频噪声,因此需要对其进行平滑滤波处理以消除高频噪声。消除海浪影响方面,虽然国外在不同环境的定标场进行了大量定标试验,然而这些定标试验所选用的平滑方法不一,并且没有针对这些不同的平滑滤波方法进行比较分析;同时,这些平滑方法选择的都是典型参数值。本文为了选择出适合本定标场环境的用于消除海浪影响的平滑方法,研究了Kaiser窗低通滤波,滑动平均法以及Vondrak滤波这三种平滑滤波方法,从理论上分析出Kaiser窗低通滤波在海面高序列平滑中并不适用。随后利用后两种方法,对仿真的DGPS浮标数据进行验算比较,并分析它们的误差特性。结果表明,滑动平均的平滑结果较Vondrak滤波差。因此,在该仿真条件下,选择Vondrak滤波进行平滑处理较为合适。  由于受定标仪器自身噪声的影响,得到的海面高序列会受到仪器噪声的影响。其它的定标试验中,并无单独针对消除海面高序列中仪器噪声影响的处理方法,仅仅是将它当成高频噪声通过低通平滑滤波的方式消除。然而,在试验期间,仪器噪声是全频段的白噪声,不能通过低通滤波的方式完全消除。针对消除海面高序列中的仪器噪声,本文探索了奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis,SSA)的方法,确定了其关键参数(嵌入维数和截断长度)的选取准则,并对其进行仿真,验证了该方法在消除海面高序列的仪器噪声中的有效性。  在国内外利用DGPS浮标的定标试验中,并没有给出DGPS浮标的数据采样率以及由浮标得到的海面高序列长度的选择依据。本文在DGPS浮标的数据采样率及海面高序列长度选择方面,亦做了论述。  最后,本文分别利用Vondrak滤波和奇异谱分析方法处理了在与仿真条件类似的石岛定标场进行的某次定标试验得到的DGPS浮标海面高序列,处理结果与原始序列相比较为平滑,且标准差由处理前的16.75cm改善为1.26cm,验证了这两种方法在处理该定标场定标试验海面高序列的有效性。
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