在全球气温逐渐上升，温室效应日益严重的背景下，占地球陆地总面积约一半的冰冻圈逐步受到不可逆转的影响。世界各大洋持续变暖，南北极冰雪加剧消融等将导致海平面上升，同时也增加极端灾害性天气发生的频率，对数亿居住在沿海低洼地区的人类带来不可估量的影响。因此，对冰冻圈进行高时空分辨率的监测需求日益迫切，但目前传统雷达高度计产品在时空分辨率方面尚不能满足需求。全球卫星导航系统反射测量技术（global navigation satellite system reflectometry，GNSS-R）发展20多年，因其具有高的时间和空间分辨率及低成本等优点，展现出巨大的发展潜力。其中GNSS-R测高应用有望以低成本的方式实现下一代高度计的目标，即高时空分辨率的中小尺度海平面观测，但现有的GNSS-R测高方法应用于冰冻圈测量时，存在精度差和误差难以改正等问题。鉴于此，论文对GNSS-R测高方法中的观测几何求解和空间大气影响改正等进行了深入的理论方法与应用研究，并将其应用于冰冻圈反射面高度测量。主要研究内容和结论如下。

（1）针对目前以迭代为主的镜面点计算方法存在初始化误差大、效率低等问题，构建了一种改进的GNSS-R几何计算初始化模型。该模型可实现反射信号几何路径的快速初始化，且适用于不同GNSS卫星系统，可极大提高当前以迭代解算为主的几何计算效率。分析表明，镜面点初始化估计误差从已有方法的数百公里降低至2.3 km，且计算消耗可以忽略。

（2）针对地球曲率、反射面椭球高度及大尺度地形坡度对星载GNSS-R技术中镜面点计算影响的问题，提出了一种基于椭球面反射特性的镜面点计算方法。该方法可消除或极大削弱地球曲率、反射面椭球高度及大尺度地形坡度对镜面点计算的影响，提高对地观测的定位精度。试验结果表明，该方法可显著改善镜面点计算精度以及提高其适用性。当反射面坡度为0.43%，高度角为54°时，传统方法估计的镜面点水平估计误差为6.8 km，而论文方法可将该误差降低至454 m，即精度提高了93.3%。

（3）传统GNSS-R测高模型未考虑大尺度地形坡度，且部分场景需额外输入反射面初始高度信息等。针对这些问题，论文基于空间曲面切点求解模型建立了一种反射面高度反演模型。该模型可直接将观测值作为输入，基于参考椭球面或地形坡度面解算反射面高度。此外，通过仿真试验研究深入分析了地形坡度角和坡向对GNSS-R测高的影响。研究结果表明，当坡度为0.05%和0.2%，卫星高度角为20°时，使用已有方法会分别导致2.4 m和36.2 m的测高误差，而论文新测高模型可以完全有效削弱这些测高误差。

（4）基于射线追踪算法，深入分析和探讨了空间大气折射对GNSS-R掠射观测的影响，包括反射信号折射路径计算，观测几何弯曲及镜面点偏移改正等。研究结果表明，高度角为5°的海平面反射时，折射引起的路径延迟误差以及高度角偏差可分别达到80 m和0.2°，且折射不对称性会额外导致近千米的测高结果位置偏移；使用论文提出的基于参考椭球和大尺度地形坡度面的观测几何折射修正方法，可有效削弱空间大气对掠射观测几何的影响。

（5）选取加拿大哈德逊湾和格陵兰岛冰盖面为研究区域，基于TDS-1星载观测数据对冰冻圈GNSS-R测高进行了分析。试验结果表明，当反射面为海面冰时，群延迟测高精度为0.51 m（时间分辨率为1 s）。此外，考虑地形坡度时，新建立的顾及大尺度坡度的测高模型可使得观测点位置水平误差从约4800 m减小至367 m；观测值精度受限场景下，反射面高度反演精度由28 m提高到了5.8 m（79.3%）。在大坡度（>0.3%）情况下，论文方法相较于现有方法，测高结果平均偏差由42 m降低至了0.4 m，极大削弱了反射面坡度对GNSS-R测高的影响。