CN106226844B - 利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法 - Google Patents

利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106226844B
CN106226844B CN201610551380.7A CN201610551380A CN106226844B CN 106226844 B CN106226844 B CN 106226844B CN 201610551380 A CN201610551380 A CN 201610551380A CN 106226844 B CN106226844 B CN 106226844B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gnss
signal
shift
polarization
rainfall intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610551380.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106226844A (zh
Inventor
安豪
黄云仙
严卫
王迎强
王蕊
李冠林
胡申森
戈书睿
杜起飞
白伟华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PLA University of Science and Technology
Original Assignee
PLA University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PLA University of Science and Technology filed Critical PLA University of Science and Technology
Priority to CN201610551380.7A priority Critical patent/CN106226844B/zh
Publication of CN106226844A publication Critical patent/CN106226844A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106226844B publication Critical patent/CN106226844B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/14—Rainfall or precipitation gauges
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法。首先，确定实验地点，架设GNSS双极化接收机，并采集GNSS信号；接着，计算该信号对应的水的相对复介电常数；之后，根据雨滴形状模型和瑞利散射近似的非球形粒子散射算法，获取该信号入射到不同半径的单一雨滴之后的前向散射极化特性；随后，结合雨滴谱分布和信号穿过雨区的过程，获取路径群雨滴对该信号的极化相移，以及该极化相移和降雨强度的数学关系；最后，根据极化相移的实测值，和已获取的数学关系，得到降雨强度。本发明拓展了GNSS信号的应用方向，丰富了降雨强度的获取手段，为降雨强度的区域、实时、被动测量提供新的方法。

Description

利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法
技术领域
本发明属于大气遥感与大气探测技术领域，具体是一种利用降雨对空地链路GNSS信号产生的极化相移获得降雨强度的方法。
背景技术
近年来，包括建成的美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，正在建设中的欧盟的GALILEO以及我国的北斗卫星导航系统在内的全球导航卫星系统(GNSS)蓬勃发展，技术日益成熟。截止目前，我国已成功发射了23颗北斗导航卫星。随着技术的进步，GNSS信号不仅用于导航定位和精确授时，其非导航应用也得到了迅速发展，有的已实现业务化运行，有的已开展了许多次研究试验。
来自于天顶方向的GNSS延迟信号，可以探测大气可降水量；且通过地基GNSS测站的组网，可反演出大气可降水量的三维分布。随着研究的深入，以该技术为基础逐渐产生了一门新兴的学科领域——GNSS气象学。利用山基或者天基(低轨卫星)接收机接收到的GNSS掩星信号，可以获得高精度的大气折射率、温度、压强、湿度的廓线，电离层电子总含量和电子密度廓线。来自于不同下垫面的GNSS反射信号，可以遥感海洋、陆地的表面要素，比如海面高度、海表风速和风向、海冰厚度、积雪深度以及土壤湿度。但是，目前，对GNSS极化信号的应用研究较少。2010年E.Cardellach等人提出了利用低轨卫星接收到的GNSS极化掩星信号探测强降雨的概念，但至今在公开发表的文献中未公布其关键研究成果[Cardellach,E.,A.Rius,and F.Cerezo,Polarimetric GNSS Radio-Occultations for heavy raindetection,Geoscience and Remote Sensing Symposium,2010,3841-3844]。
关于降雨强度的测量，传统上，人们使用雨量计直接获取单点降雨强度。雨量计探测降雨的单点精度高，其测量结果是进行区域分析的基本数据源。但由于其布设的稀疏性、分布的不均匀性，使得雨量计观测在大范围区域降水监测方面存在不足。近年来，利用地基气象雷达的反射率因子(Z)、差分传播相移(KDP)、差分反射率因子(ZDP)等参数与降雨强度(R)的关系，定量计算探测半径内的降雨强度，是研究较多的方法。但是气象雷达是主动遥感设备、隐蔽性不足。利用星载微波成像仪和降雨雷达遥感卫星轨道下方降雨强度也是近年热点之一。但其空间分辨率和时间分辨率有限。
发明内容
本发明的目的在于拓展GNSS信号的应用方向，提出一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，利用连续运行的GNSS卫星网实现对降雨强度进行实时、连续、被动和大范围监测，为灾害性降雨监测预警、气候评估探索新的途径和手段。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，利用穿过雨区后的GNSS前向散射信号中的水平极化和垂直极化分量，结合当地的雨滴谱分布特性，计算GNSS信号极化相移Δφ与降雨强度R的关系；根据该Δφ-R关系模型，利用GNSS双极化接收机测量的极化相移Δφ值，得到降雨强度。
根据上述总体思路，本发明利用GNSS信号极化相移监测降雨强度的山基测量方法实现过程如下：
1、在视野开阔的山顶架设GNSS双极化接收机，且天线指向方向无遮蔽物，可正常接收0-30°仰角、80°视角范围内的GNSS卫星信号；接着，利用该接收机采集穿过降雨区域后的GNSS卫星的前向散射信号，并利用该信号的频率，结合此时的大气温度，利用Ray公式，计算在该温度和频率条件下的水的相对复介电常数；
2、根据步骤1所获取的水的相对复介电常数，结合雨滴形状模型，利用非球形粒子散射算法，计算该GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅fh和垂直方向的前向散射振幅fv；
3、根据步骤2所获取的GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅fh和垂直方向的前向散射振幅fv，结合雨滴谱分布模型，计算GNSS信号经过群雨滴后的差分传播相移KDP；
4、根据步骤3所获取的GNSS信号经过群雨滴后差分传播相移KDP，结合GNSS信号穿过降雨介质的物理过程，得到GNSS极化相移(Δφ)与降雨强度(R)的Δφ-R理论模型；
5、该GNSS双极化接收机的天线是圆锥喇叭天线，可接收GNSS信号的水平极化分量和垂直极化分量，实验中将接收到的水平极化分量和垂直极化分量的相位相减，得到极化相移测量值Δφ，并根据已得到的Δφ-R理论模型，获取降雨强度。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)无源被动探测：由于信号源是GNSS信号，无需发射装置，设备复杂度和成本低；
(2)实时性、连续性强：由于GNSS接收机采样频率较高，可实现降雨强度的实时、连续监测，因此，降雨强度测量的时间分辨率较高；
(3)GNSS信号资源丰富、覆盖全球，可实现无人值守的高山、沙漠地区的降雨测量，船载、舰载设备可实现海上降雨的机动监测；
(4)隐蔽性：由于采取无源探测模式而不易被发现，可有效保护自我。
附图说明
附图是本发明利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
1、计算水的相对复介电常数
在视野开阔的山顶架设GNSS双极化接收机，且天线指向方向无遮蔽物，可正常接收0-30°仰角、80°视角范围内的GNSS卫星信号；接着，并利用该接收机采集穿过降雨区域后的GNSS卫星的前向散射信号，并利用该信号的频率，结合此时的大气温度，利用Ray公式，计算水的相对复介电常数。
所用Ray公式为
其中的参数为
σ＝12.5664×108
ε∞＝5.27134+2.16474×10-2t-1.31198×10-3t2
上述式中λ为工作波长(cm)，t为温度(℃)，该公式适用范围为-20℃到50℃的温度。
2、计算前向散射振幅
雨滴形状模型采用文献[Bahrami,M.,J.R.Mohassel,and M.M.Taheri,An exactsolution of coherent wave propagation in rain medium with realistic raindropshapes,Progress In Electromagnetics Research,2008,79:107-118]中的非球形雨滴形状模型。针对入射到雨滴上的L波段GNSS信号，非球形粒子散射算法采用瑞利散射近似方法，并采用步骤1所获取的水的相对复介电常数，计算该频率的GNSS信号入射到不同粒子半径的单一雨滴后水平方向的前向散射振幅fh和垂直方向的前向散射振幅fv。利用瑞利散射近似方法计算前向散射振幅的公式为
对于该雨滴形状模型，a是雨滴长半轴，b是雨滴短半轴，其中的参数为
A2＝1-2A1
上述式中，f为入射GNSS信号频率，c为真空中的光速；α为入射角，可由GNSS双极化接收机得出。
3、计算差分传播相移
根据步骤2所获取的GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅fh和垂直方向的前向散射振幅fv，利用雨滴谱分布对散射振幅进行叠加，获取群雨滴对微波的前向散射极化特性，利用公式
得出GNSS信号经过群雨滴后的差分传播相移KDP.
式中，λ(λ＝c/f)为入射GNSS信号波长，可由λ＝c/f计算得到；fh和fv分别是单一雨滴的水平和垂直方向的前向散射振幅，N(r)为雨滴谱分布，r为雨滴的等效半径。雨滴谱分布采用MP谱分布，其公式为
N(r)＝N0exp(-Λr) (6)
其中，N0和Λ分别为浓度和尺度参数有
N0＝16000(m-3mm-1)，Λ＝8.2R-0.21 (7)
其中，R为雨强(mm h-1)。N(r)dr表示单位体积内雨滴半径介于r～r+dr之间的雨滴数目。MP谱分布具有一般雨滴谱的特点，应用较为广泛。
4、Δφ-R理论模型
极化相移，是指极化波的水平极化和垂直极化分量的相位差，单位：m。极化相移可通过下式计算：
其中，λ是GNSS信号的波长，L为雨区路径长度(km)。根据步骤3所获取的GNSS信号经过群雨滴后差分传播相移KDP，结合GNSS信号穿越降雨介质的物理过程，得到GNSS极化相移(Δφ)与降雨强度(R)的Δφ-R理论模型。
5、获取降雨强度
该GNSS双极化接收机的天线是圆锥喇叭天线，可接收GNSS信号的水平极化分量和垂直极化分量，实验中将接收到的水平极化分量和垂直极化分量的相位相减，得到极化相移测量值Δφ，并根据已得到的Δφ-R理论模型，获取降雨强度。这里需要选用满足下列要求的GNSS双极化接收机进行测量：
频率：可接收多颗GNSS卫星信号
载波相位测量精度：≤1mm
天线类型：圆锥喇叭天线
天线峰值增益：≥10dB
天线极化要求：水平极化和垂直极化输出
输出观测量更新率：≥1Hz。

Claims (3)

1.一种利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一，在山顶架设GNSS双极化接收机，该接收机采集穿过降雨区域后的GNSS卫星的前向散射信号，并利用该信号的频率，结合此时的大气温度，计算在该温度和频率条件下的水的相对复介电常数；所述GNSS双极化接收机的天线是圆锥喇叭天线，接收GNSS信号的水平极化分量和垂直极化分量，并将水平极化分量和垂直极化分量的相位相减，得到极化相移测量值Δφ；
步骤二，根据获取的水的相对复介电常数，结合雨滴形状模型，利用非球形粒子散射算法，计算该GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅fh和垂直方向的前向散射振幅fv；
步骤三，根据获取的GNSS信号入射到单一雨滴后水平方向的前向散射振幅fh和垂直方向的前向散射振幅fv，结合雨滴谱分布模型，计算GNSS信号经过群雨滴后的差分传播相移KDP；
步骤四，根据获取的GNSS信号经过群雨滴后差分传播相移KDP，结合GNSS信号穿过降雨介质的物理过程，得到GNSS极化相移Δφ与降雨强度R的Δφ-R理论模型；
步骤五，根据GNSS双极化接收机测量的极化相移Δφ值和Δφ-R理论模型，获取降雨强度。
2.根据权利要求1所述的利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，其特征在于：步骤1所述架设的GNSS双极化接收机天线指向方向无遮蔽物，可接收0-30°仰角、80°视角范围内的GNSS卫星信号。
3.根据权利要求1或2所述的利用GNSS信号极化相移的降雨强度山基测量方法，其特征在于：步骤1中，此次测量降雨强度采集的信号源包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO以及我国的北斗卫星导航系统在内的全球卫星导航系统GNSS卫星上发射的右旋圆极化的L波段信号。
CN201610551380.7A 2016-07-13 2016-07-13 利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法 Active CN106226844B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610551380.7A CN106226844B (zh) 2016-07-13 2016-07-13 利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610551380.7A CN106226844B (zh) 2016-07-13 2016-07-13 利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106226844A CN106226844A (zh) 2016-12-14
CN106226844B true CN106226844B (zh) 2019-01-18

Family

ID=57519180

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610551380.7A Active CN106226844B (zh) 2016-07-13 2016-07-13 利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106226844B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110610595A (zh) * 2019-08-01 2019-12-24 江苏科博空间信息科技有限公司 一种基于北斗水汽反演地质灾害预警方法
CN113589405A (zh) * 2021-07-06 2021-11-02 中国科学院国家空间科学中心 一种适用于小雨量级的gnss极化信号正演方法及系统
CN113591274A (zh) * 2021-07-06 2021-11-02 中国科学院国家空间科学中心 一种适用于中雨量级的gnss极化信号正演方法及系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101900692B (zh) * 2010-06-18 2012-05-30 武汉大学 大面积土壤湿度测量方法
CN103245260B (zh) * 2013-04-02 2015-09-23 贵州航天电子科技有限公司 一种引信天线远场自动测量系统的操作方法
CN103616736A (zh) * 2013-09-06 2014-03-05 中国人民解放军理工大学 基于gnss信号去极化效应的降雨强度地基监测方法
CN104020180B (zh) * 2014-06-19 2016-02-10 武汉大学 基于北斗基准站接收的低仰角信号的土壤湿度反演方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN106226844A (zh) 2016-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101900692B (zh) 大面积土壤湿度测量方法
US7728759B2 (en) System and method for using iridium satellite signals for meteorological measurements
CN103616736A (zh) 基于gnss信号去极化效应的降雨强度地基监测方法
CN110031916A (zh) 一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法
Yun et al. Detection of Bohai Bay sea ice using GPS-reflected signals
CN104714239A (zh) 一种北斗卫星大气层水汽含量测量仪
CN106226844B (zh) 利用gnss信号极化相移的降雨强度山基测量方法
CN113900158A (zh) 基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法
CN115616006A (zh) 利用qzss系统卫星l5反射信号反演土壤湿度的方法
CN111563318A (zh) 利用89GHz单频多入射角亮温差反演海冰密集度的方法及系统
Jia et al. Remote sensing in land applications by using GNSS-reflectometry
AU2021105440A4 (en) Instrument and method for monitoring the soil moisture change by using GPS ground reflection signal
Jin et al. Remote sensing and its applications using GNSS reflected signals: advances and prospects
CN113189611B (zh) 基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法
CN117607908A (zh) 无人机载平台的gnss-r码相位海面测高方法及装置
Braun et al. Development of a water vapor tomography system using low cost L1 GPS receivers
Alonso-Arroyo et al. Soil Moisture mapping using forward scattered GPS L1 signals
CN111337551A (zh) 双线极化天线gnss土壤湿度测量方法
Wang et al. Intercomparison of total precipitable water derived from COSMIC-2 and three different microwave radiometers over the ocean
CN213069232U (zh) 一种同步气象保障的无缝定位导航无人车
Brenot GNSS for Neutral Atmosphere and Severe Weather Monitoring
Bernhardt et al. Large area sea mapping with Ground-Ionosphere-Ocean-Space (GIOS)
Sun et al. The FengYun-3 radio occultation sounder GNOS: A review of the missions and early results
Webb Kinematic GNSS tropospheric estimation and mitigation over a range of altitudes
Yu et al. Soil Moisture Measurement

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant