双天线多系统实时厘米级GNSS-R水面测高方法及性能分析

吴子恒; 郭斐; 张治宇

doi:10.13203/j.whugis20250035

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双天线多系统实时厘米级GNSS-R水面测高方法及性能分析

大地测量学与测量工程 | 更新时间：2026-11-05

- 双天线多系统实时厘米级GNSS-R水面测高方法及性能分析
- Dual-Antenna Multi-system Real-Time Centimeter-Level GNSS-R Water Surface Altimetry Method and Performance Analysis
- 武汉大学学报（信息科学版） 2026年51卷第6期页码：1130-1137
- 作者机构：
  
  武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
- 作者简介：
  
  吴子恒，硕士，主要从事GNSS反射技术及其应用研究。zihengwu@whu.edu.cn
  郭斐，博士，教授。fguo@sgg.whu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2024YFB3910005);国家自然科学基金(42425003);中央高校青年教师科研创新能力支持项目(SRICSPYF-ZY2025002)
- DOI：10.13203/j.whugis20250035
  中图分类号： P228
- 收稿：2025-02-14，
  
  纸质出版：2026-06-05
- 稿件说明：
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吴子恒,郭斐,张治宇.双天线多系统实时厘米级GNSS-R水面测高方法及性能分析[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1130-1137.

WU Ziheng,GUO Fei,ZHANG Zhiyu.Dual-Antenna Multi-system Real-Time Centimeter-Level GNSS-R Water Surface Altimetry Method and Performance Analysis[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1130-1137.
吴子恒,郭斐,张治宇.双天线多系统实时厘米级GNSS-R水面测高方法及性能分析[J].武汉大学学报（信息科学版）,2026,51(6):1130-1137. DOI：,10.13203/j.whugis20250035

WU Ziheng,GUO Fei,ZHANG Zhiyu.Dual-Antenna Multi-system Real-Time Centimeter-Level GNSS-R Water Surface Altimetry Method and Performance Analysis[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2026,51(6):1130-1137. DOI：,10.13203/j.whugis20250035

摘要

全球导航卫星系统反射(global navigation satellite system-reflectometry

GNSS-R)是一种被动式遥感技术，具有高时空分辨率、低成本等优势。针对传统岸基单天线干涉法在小尺度水域测高精度低、连续性差的问题，提出一种基于相对定位原理的上下视双天线实时厘米级GNSS-R水面测高方法。通过多系统组合解基线向量的方式，反演水面高度变化，并在实验场开展了长期连续运行测试。结果表明，上下视天线的模糊度平均固定率达到93.97%，测高均方根误差平均为2.39 cm，相较于传统单天线GNSS-R测高有显著优势。此外，对比分析了单系统和多系统组合测高性能，采用多系统组合的测高方法相较于使用单北斗卫星导航系统和GPS+Galileo，在测高连续性上分别提升了85.1%和209.2%，在测高精度上分别提升了17.9%和69.5%，为中小尺度水域的实时连续高精度水位变化监测提供了新的技术途径。

Abstract

Objectives

Global navigation satellite system-reflectometry (GNSS-R)

as a passive bistatic radar configuration

offers unique advantages in high spatiotemporal resolution

cost efficiency

and global signal availability. These merits have propelled its widespread applications across marine remote sensing (e.g.

sea surface altimetry

wind speed retrieval) and terrestrial monitoring (e.g.

soil moisture estimation

ice sheet characterization). Particularly

GNSS-R-based water surface altimetry has garnered significant scientific attention due to its capacity for non-contact

all-weather monitoring

with extensive investigations conducted globally on coastal zones

inland lakes

and river systems. While existing studies have demonstrated its technological potential

critical challenges persist in conventional shore-based single-antenna implementations

including suboptimal accuracy (typically decimeter-level) and discontinuous observations under dynamic small-scale water conditions.

Methods

We present a real-time centimeter-level GNSS-R water surface altimetry method employing a top-bottom dual-antenna geometry based on relative positioning principles. By resolving baseline vectors through multi-GNSS constellation combinations (BeiDou satellite navigation system (BDS)/global positioning system (GPS)/Galileo) and leveraging the geometric relationship between the receiver antennas and the water surface

the system achieves continuous inversion of height variations. The methodology was rigorously validated through 12-month continuous operational trials at an instrumented test site.

Results

The dual-antenna system achieved a 93.97% mean ambiguity resolution success rate

with altimetric performance characterized by a root mean square error of 2.39 cm and standard deviation of 2.06 cm. These metrics demonstrate the system's capability for stable long-term monitoring in small-to-medium water bodies

outperforming traditional single-antenna approaches. Multi-constellation integration (BDS/GPS/Galileo) enhanced temporal continuity by 85.1% and 209.2% relative to standalone BDS and GPS+Galileo systems respectively

while simultaneously improving altimetric precision by 17.9% and 69.5%. The combined configuration further reduces environmental dependency for equipment deployment and enhances spatiotemporal resolution in spatially constrained scenarios.

Conclusions

The proposed framework enables cost-effective water level monitoring through minimal adaptation of existing GNSS infrastructure. Field validation under meteorological extremes (e.g.

storm events) confirms operational robustness

positioning this technology as a viable solution for precision hydrometry in reservoirs

rivers

and lakes.

关键词

Keywords

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