粗糙海面上空对流层波导的GPS信号传播特性研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 大气波导的发现和探测方法研究
•     1.2.2 抛物方程理论与传播建模研究
•     1.2.3 GNSS-R技术的研究发展
•   1.3 本文结构及内容安排
• 第二章 对流层大气波导及电磁波传播理论
•   2.1 对流层大气波导结构
•     2.1.1 大气波导的形成机理与修正折射率剖面模型表示
•     2.1.2 大气波导的电波传播机理
•   2.2 抛物方程的基本理论
•     2.2.1 抛物方程的初始场与上下边界条件
•     2.2.2 离散混合傅里叶变换方法
•     2.2.3 抛物方程的传播损耗计算
•   2.3 海面电磁散射研究
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于GPS海面反射多径信号的波导传播建模
•   3.1 GPS系统基本原理
•     3.1.1 GPS卫星系统
•     3.1.2 GPS卫星信号构成
•   3.2 GPS信号的传播建模方法概述
•   3.3 粗糙海面上GPS PE初始场信号的多径效应
•     3.3.1 粗糙海面上GPS PE初始场的矢量模型
•     3.3.2 相干反射的镜反射系数求解
•     3.3.3 非相干反射的漫反射系数求解
•   3.4 基于GPS多径信号初始场的波导传播建模
•     3.4.1 低仰角GPS信号的均匀干涉初始场模型
•     3.4.2 低仰角GPS海面反射多径信号的非均匀干涉初始场模型
•     3.4.3 对流层波导环境中GPS信号的空间功率分布
•   3.5 本章小结
• 第四章 粗糙海面边界上对流层波导的GPS信号传播
•   4.1 基于GPS信号的抛物方程下边界条件研究
•   4.2 粗糙海面地形的生成
•     4.2.1 常见海谱
•     4.2.2 Monte-Carlo方法生成一维随机粗糙海面
•   4.3 粗糙海面地形下的GPS信号传播功率分析
•     4.3.1 连续移位地形变换法
•     4.3.2 粗糙海面边界的GPS信号传播功率分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 GPS海面散射信号的接收与波导传播特性分析
•   5.1 GPS海面散射信号的接收与处理
•   5.2 GPS信号的捕获与跟踪
•     5.2.1 GPS信号的捕获
•     5.2.2 GPS信号的跟踪
•   5.3 基于星历的GPS卫星位置解算
•     5.3.1 GPS星历
•     5.3.2 GPS卫星位置信息的计算
•   5.4 GPS海面散射信号的传播模型与实验验证
•     5.4.1 GPS海面散射信号的传播模型
•     5.4.2 GPS码片时延与距离的转化
•     5.4.3 GPS海面散射信号波导传播实验验证
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文主要研究成果
•   6.2 研究不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴溪

导师: 吴振森

关键词: 对流层波导,抛物方程,粗糙度衰减因子,卫星信号,海面电磁散射

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 西安电子科技大学

分类号: P228.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000703

总页数: 109

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