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文献综述
1.研究背景与意义 全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统[1]。
GNSS不仅是国家安全和经济的基础设施,也是体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。
由于其在政治、经济、军事等方面具有重要的意义,世界主要军事大国和经济体都在竞相发展独立自主的卫星导航系统[2]。
美国的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统,俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GLONASS)经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统,二者目前正处现代化的更新进程中;欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo Navigation Satellite System, Galileo)是第一个完全民用的卫星导航系统,正在试验阶段[3];2007年4月14日,我国成功发射了第一颗北斗卫星,标志着世界上第4个GNSS系统进入实质性的运作阶段。
2020年7月31日中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在北京出席北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通,标志着北斗卫星导航定位系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)实现全球范围内的服务并将提供更加多样的定位、导航与授时服务[4]。
GNSS具有全天候、近实时、高精度的特点,可持续发射L波段信号,广泛应用于定位、导航和授时(PNT)[5],在传统的GNSS技术中,从反射面到达接收机天线的信号会干扰直接从卫星接收的信号,往往会导致定位精度降低[6],反射延迟信号能提供不同于直射信号的特性信息,从而可以利用二者间的差异特性进行反射面特性研究[7],该技术称为GNSS反射测量(Global Navigation Satellite Signal Reflectometry, GNSS-R),利用GNSS-R技术进行地表环境监测(植被、土壤湿度、雪深、海平面、火山等)已成为一种新兴的遥感手段,美国和欧洲等主要国家都投入了很多精力进行研究, 开展了地基、机载和星载的观测实验, 为进一步开展研究和应用奠定了基础[8]。
水位变化监测是GNSS-R的重要应用之一,目前国内外学者关于水位变化监测的研究主要集中于利用GNSS-R技术进行海面测高、潮位监测和大坝水位监测,海平面变化直接影响到全球气候的变化是环境科学关注的重要问题之一,海平面变化也是地球动力学、大地测量学及海洋测绘研究的重要内容,它关系到全球高程基准的统一[9]。
传统的水位变化监测方法有人工水尺测量法和验潮站法,前者需要耗费大量的人力和财力且精度较低,后者有站点分布具有一定的局限性、站点易受到地壳垂直形变的影响、站点需要定期进行维护等缺点[7],随着可利用的GNSS卫星数目及频段越来越多,全球的岸基CORS站不断扩建,GNSS-R技术有了更丰富的数据源及更高的时空分辨率,弥补了传统方法现有的缺点,GNSS-R技术已经成为水位变化监测的流行方法,目前国内外学者主要使用GPS L1信号进行水位变化监测,基于BDS进行水位变化监测的研究较少,BDS除了可以提供授时、通信和定位等服务,BDS和其他GNSS系统一样,其反射信号也可用于监测地表环境[10],随着BDS的蓬勃发展,BDS将为GNSS-R测高领域提供一个稳定的信号源,进一步增强GNSS-R测高的时空分辨率,同时BDS独特的混合星座也将为GNSS-R测高领域带来新的发展契机和空间[11]。
2.研究现状与趋势 目前GNSS-R技术在水位高度反演方面已经取得了一系列的研究成果。
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