地基GNSS掩星反演对流层大气波导的方法和实验研究

【摘要】对流层大气波导是一种重要的大气折射类型，能够使超短波及以上频段无线电波形成超视距传播。大气波导的感知是合理利用大气波导，或规避大气波导的不良影响的前提条件。近年来，关于遥感探测大气波导的研究受到了广泛关注，而基于GNSS信号的大气遥感技术也得到很好的发展和应用。本文提出并系统研究了地基GNSS掩星反演海上对流层大气波导的方法，主要内容和所取得的主要研究成果为：1.详细阐述了对流层波导的分类、形成机理和统计分布特征，以及蒸发波导预测方法和在反演中需要用到的大气波导剖面模型。详细描述了预测大气波导环境下电波传播的理论和算法，并使用抛物方程方法和射线描迹技术，分析了大气波导环境中电波传播特性，结合三条超视距跨海电路的传播试验数据，对模型预测路径损耗进行了验证。2.重点研究了大气波导环境中地基GNSS掩星信号传播预测的关键问题。为匹配圆极化波的GNSS信号传播，首先证明了圆极化波传播同样满足抛物方程，然后在射线描迹技术和大气波导传播的抛物方程方法基础上，建立地基接收GNSS卫星发射信号的掩星传播预测模型，并基于互易定理，建立了把地面接收机看做发射源的掩星信号传播模型，后者可更好的利用成熟的抛物方程算法，仿真和实测数据比较结果显示该模型的有效性。3.突破了利用地基接收到的GNSS掩星信号反演获得大气波导环境信息的关键技术。根据大气波导环境预测GNSS掩星信号视为正问题，在建立的正演模型基础上，提出基于传播模型和智能优化算法的地基GNSS掩星反演对流层大气波导的方法，并进行了算法实现。使用K-L展开建立水平不均匀大气波导的参数化模型，可进行水平不均匀大气波导的反演。根据建立的单站地基GNSS掩星反演大气波导模型，进行了蒸发波导和表面波导的反演和分析。4.开展专门的地基GNSS掩星反演海上对流层大气实验。统计分析了实验期间GPS掩星事件发生情况，以及海面、大气折射、天线高度等因素对地基掩星信号的影响。在大量实测数据基础上，采用神经网络的方法实现掩星反演对流层大气剖面。在实测掩星信号反演大气波导中，基于接收信号干涉效应测量获得天线高度，最终根据建立的反演模型，首次利用实测地基GPS掩星信噪比数据反演获得大气波导参数，与气象探空进行了对比，结果表明了这种新技术的有效性。5.对大气波导影响不同类型雷达的效应评估方法进行了探索。首先给出常规雷达系统在大气波导环境中的发现概率计算方法，预测其覆盖区域；其次，针对跟踪低高度目标的跟踪雷达，提出利用抛物方程预测跟踪误差的新方法，该方法可同时考虑多路径和包括大气波导的大气折射效应；接着针对在多普勒天气雷达方面通常很重要的超折射（大气波导）地物回波问题，建立了大气波导环境下天气雷达地物回波的预测方法，并进行了仿真分析。最后，对GNSS反演大气波导如何应用于雷达进行了设想。
【作者】王红光；
【导师】吴振森；
【作者基本信息】西安电子科技大学，无线电物理，2013，博士
【关键词】对流层波导；地基GNSS掩星；抛物方程；射线描迹；反演算法；

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