CN107796484A

CN107796484A - 一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法

Info

Publication number: CN107796484A
Application number: CN201710017663.8A
Authority: CN
Inventors: 匡翠林; 刘凯
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-03-13

Abstract

本发明公开了一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法，利用北斗接收机获取观测数据及导航数据；选择北斗系统的MEO卫星，基于导航数据及测站的坐标计算卫星的高度角及方位角；基于北斗系统观测数据提取MEO卫星的信噪比数据；依据测站的水面反射环境，从提取的信噪比数据中选择符合条件的数据；依据卫星上升和下降状态以及数据持续的时间长度，对信噪比数据进行弧段划分；针对每一弧段数据，去除其趋势项，获取信噪比残差序列；利用Lomb‑Scargle谱方法分析去趋势后的信噪比数据；根据最大谱密度所对应的频率计算水位高。本发明提出了一种利用北斗导航定位系统信噪比值观测水位变化的新方法，并取得了与传统水位计一致的结果。

Description

一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法

技术领域

本发明涉及一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法。

背景技术

水是地质灾害的重要致灾因子之一，因此水位高度变化的监测就显得极其重要。传统上对水位的观测一般采用水位计，其又分人工观测模式和自动观测模式，前者费时费力，效率低下，后者具有较高时间分辨率和高精度等优势，但成本高，不易安装。近年来，随着GNSS-R技术的发展，其已发展成为一项监测地球环境变化的新技术。一些学者基于GPS信噪比观测值反演了海平面高、雪深和土壤湿度等，并取得了较好的数值结果。GNSS-R技术的优势在于，目前的导航定位系统包括GPS、GLONASS、北斗以及Galileo，这些系统可提供大量免费的GNSS信号，因此，在一个观测站同时接收多颗卫星信号使得测量结果具有较高的时间分辨率，由此可见，其在监测地球环境变化中发挥着越来越重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于北斗导航定位系统的信噪比数据观测水位变化方法，包括以下步骤：

1)在水域附近安设北斗/GNSS接收机，获取北斗观测数据和导航电文；

2)选择MEO卫星，利用测站坐标及北斗系统的导航电文，计算观测值的方位角和高度角；

3)选择MEO卫星，从北斗观测数据中提取信噪比数据；

4)依据测站的水面反射环境，基于所述观测值的方位角和高度角，从提取的信噪比数据中选择符合条件的数据；

5)利用符合条件的信噪比数据构建信噪比时间序列弧段，对每一信噪比时间序列弧段去趋势项，得到相应的信噪比残差序列；

6)对信噪比残差序列进行Lomb-Scargle频谱分析，得到信噪比残差序列的频率f及所对应的谱密度P_x(f)，找出最大谱密度所对应的频率f_max，根据下式计算水位高h：h＝f_max*λ/2；其中，λ为北斗卫星系统载波波长。

步骤6)中，谱密度大于给定的最小谱密度值；所述给定的最小谱密度值信噪比残差序列谱密度的平均值。

步骤6)中，Lomb-Scargle谱方法进行频谱分析的公式为：

其中X(t_j)是信噪比残差序列，j＝1,2,3…,N；P_x(f)是频率为f的信噪比残差序列的谱密度；t_j是信噪比残差序列的时间；N为信噪比残差序列统计量；τ为时间平移不变量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明充分利用了北斗导航系统的卫星信号用于水位监测，在保证监测精度的条件下降低了水位监测的成本，开拓了北斗导航系统用于水位监测的新领域，有利于BDS-R技术的发展与应用。

附图说明

图1为本发明数据处理流程图；

图2(a)为信噪比观测值；图2(b)为去除趋势项后的信噪比残差序列；

图2(c)为Lomb-Scargle周期图；

图3(a)为水位计记录的水位变化时间序列；图3(b)为基于北斗系统信噪比观测值监测的水位变化时间序列；图3(c)为水位计与北斗系统监测结果的差值统计分析；

图4为北斗系统监测结果与水位计结果的相关性分析。

具体实施方式

本发明方法流程如图1所示，其包括以下具体步骤：

1)为接收更多水面反射信号，选择面向水域位置安设北斗/GNSS接收机，获取北斗观测数据和导航电文；

2)选择MEO卫星，依据测站坐标及北斗系统的导航电文，计算出不同时刻的卫星方位角和高度角；

3)依据MEO卫星不同时刻的方位角和高度角，从北斗导航系统的观测数据文件中提取相对应时刻的信噪比数据；

4)依据测站的水面反射环境，将方位角和高度角作为阈值参数，使所截取的信噪比数据主要受水面的反射影响，同时仅截取低卫星高度角(0°-40°)的数据；

5)考虑到卫星在上升和下降状态下的观测值均可在阈值之内，以及数据持续的时间长度，所以需要对信噪比数据进行弧段划分；

6)利用二阶多项式拟合信噪比数据，针对每一弧段数据，去除其趋势项得到信噪比残差序列；

7)对信噪比残差序列，利用Lomb-Scargle谱方法进行频谱分析，其公式为：

其中X(t_j)是信噪比残差序列，j＝1,2,3…,N；P_x(f)是频率为f的信噪比残差序列的功率；t_j是信噪比残差序列的时间；N为信噪比残差序列统计量；τ为时间平移不变量。

8)根据Lomb-Scargle谱方法分析得到最大谱密度所对应的频率，计算水位，其计算公式为：h＝f_maxλ/2，其中h为水位高，f_max为最大谱密度所对应的频率，λ为北斗卫星系统载波波长。

实例分析

实验数据来源于深圳西坑水库GNSS全天候变形监测系统的实时观测数据和水位计记录数据，该系统原本用于大坝的变形监测，测站由1个基准站点(XK00)和12个变形监测点(XK01～XK12)组成。由于变形监测系统中所使用的接收机为多星座GNSS接收机，可接收北斗导航系统的卫星信号，且测站面向水域、视野开阔，因此可利用该系统中的北斗导航系统信噪比数据观测水位变化情况。以XK03测站为例，实验数据采用2016年的前100天的第11、12、14号MEO卫星的观测数据，数据采样间隔为1s。首先、依据测站坐标及北斗系统的导航电文，计算MEO卫星的方位角和高度角并提取出相应的信噪比数据；由于水域位于XK03监测点西面，故在截取信噪比数据时将方位角范围设置为200°-340°，并将卫星高度角设置为5°-25°；其次、判断该三颗卫星的上升和下降状态以及数据持续的时间长度，对信噪比数据进行弧段的划分；再其次、利用二阶多项式对每一弧段数据去除趋势项，获取信噪比残差序列；最后、利用Lomb-Scargle谱方法对信噪比残差序列进行频谱分析得到最大谱密度，进而根据最大谱密度所对应的频率计算水位高。图2给出了XK03测站的北斗导航系统信噪比观测值、去除趋势项后的信噪比残差序列以及Lomb-Scargle频谱分析后的最大谱密度所对应的反射高度。为验证结果的精确性，最后将所计算的水位高与水位计数据进行对比分析。图3(a)～图3(c)分别给出了水位计记录的水位变化情况、基于北斗信噪比数据反演的水位变化情况以及两者差值的统计分析。图4给出了BDS-R水位高与水位计所记录水位的相关性分析。

从图3(a)～图3(c)中可以得出基于信噪比观测的水位变化与水位计所描述的水位变化时间序列基本一致，两者差值大体服从正态分布，差值较小的统计量较多，两者最大差值基本在20厘米以内。从图4中可以得出两者相关性较高，最小二乘回归系数为0.98。因此，北斗导航系统信噪比数据适用于水位变化的监测。

Claims

1.一种基于北斗导航定位系统的信噪比数据观测水位变化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在水域附近安设北斗/GNSS接收机，获取北斗系统的观测数据和导航电文；

2)选择MEO卫星，利用测站坐标及北斗系统的导航电文，计算观测数据的方位角和高度角；

3)选择MEO卫星，从北斗系统的观测数据中提取信噪比数据；

4)依据测站的水面反射环境，基于所述观测数据的方位角和高度角，从提取的信噪比数据中选择符合条件的数据；

2.根据权利要求1所述的基于北斗导航定位系统的信噪比数据观测水位变化方法，其特征在于，步骤6)中，谱密度大于给定的最小谱密度值。

3.根据权利要求2所述的基于北斗导航定位系统的信噪比数据观测水位变化方法，其特征在于，所述给定的最小谱密度值取信噪比残差序列谱密度的平均值。

4.根据权利要求1所述的基于北斗导航定位系统的信噪比数据观测水位变化方法，其特征在于，步骤6)中，Lomb-Scargle谱方法进行频谱分析的公式为：

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