CN110031916A - 一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，利用卫星通信信号穿过雨区时产生的衰减特征，测量星地链路在雨区传播路径上的平均降雨强度，包括如下步骤：首先在地面搭建卫星信号接收天线，确定卫星信号的频率、极化方式，利用卫星接收机记录信号强度；然后根据信号强度在降雨和非降雨天气下的变化分离出雨致信号衰减量；最后利用雨致衰减与降雨强度的关系反演得到传播路径上的平均降雨强度。该方法具有测量点多、覆盖范围广、时空分辨率高且架设和维护成本低等优点，只要有卫星天线架设的地方都能够用来测量降雨强度，可以弥补气象卫星时空分辨率低、天气雷达扫描有盲区、雨量计站点稀疏等缺点。

Description

一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法

技术领域

本发明涉及地面气象要素的自动化探测领域，尤其是一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法。

背景技术

准确测量降雨强度和降雨位置对于研究水循环和危险性天气预警等具有重要的意义。目前，常用的降雨测量方法主要包括星载测雨雷达、地基天气雷达和雨量计。星载测雨雷达虽然能够对全球的降雨情况进行监测，但是它需要安装在低轨道的极轨卫星上，所以时间分辨率很低，无法满足对降雨实时监控的要求；地基天气雷达能够监控的范围大概为30,000km²，时间分辨率约为几分钟，空间分辨率在一公里左右，但是由于雷达发射的电磁波近似直线传播，高仰角扫描下存在盲区；雨量计能够对降雨强度进行实时监测，但空间代表性有限，在山区、雨林、沙漠和湿地等地区布设雨量计不仅困难而且不易维护。

如今，全球大约有200多颗广播、通信、海事和导航卫星，实时发射L、S、C、X、Ku和Ka等不同频段的电磁波，几乎覆盖了整个地球。电磁波频率越高，对降雨就越为敏感，有利于进行降雨强度测量。另外，即使在人迹罕至的地区也有卫星地面接收站的存在，从而使得降雨监测的空间分辨率和覆盖范围大大提高，卫星接收天线及接收机的价格低廉，架设方便、易于维护。因此，通过星地链路测量降雨强度相较于天气雷达、雨量筒等传统的降雨测量方式，无需额外投入，不仅能够节约成本，而且能够保证较高的时空分辨率和覆盖范围。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，该方法利用卫星信号传播过程中经过雨区产生的衰减信息，反演得到传播路径上的平均降雨强度。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，包括步骤：

(1)确定卫星信号源，在地面架设用于接收卫星信号的卫星天线，建立卫星信号源与卫星天线之间的星地链路；

(2)利用卫星天线在非降雨时和降雨时分别接收卫星信号源发出的卫星信号，记录非降雨和降雨状态下所接收到的卫星信号的强度，将两次信号强度求差，即可得到卫星强度因降雨产生的损耗，即雨致衰减A_rain；从降雨时接收到的卫星信号中提取出卫星信号的频率f、极化方式；

(3)建立雨致衰减与降雨强度关系模型：

A_rain＝αR^βl (1)

其中，α和β为幂律关系系数，l表示卫星信号在降雨区域中的等效传播路径长度，R表示降雨强度；

(4)计算卫星信号在雨区中的等效传播路径l：

其中，h_R表示雨顶高度，h_S表示天线海拔高度，θ表示卫星天线仰角，k表示等效地球半径因子，a表示平均地球半径；

(5)将步骤(2)得到的雨致衰减A_rain和步骤(4)得到的等效传播路径长度l代入雨致衰减与降雨强度关系模型，得到降雨强度R。

进一步的，所述α和β的确定方法为：

1)当极化方式为水平极化时，α和β的计算公式为：

其中，a_i、b_i、c_i、m_α、c_α、a_j、b_j、c_j、m_β、c_β是与极化方式有关的参数，通过查询表1得到：

表1

2)当极化方式为垂直极化时，α和β的计算公式为：

其中，a_i、b_i、c_i、m_α、c_a、a_j、b_j、c_j、m_β、c_β通过查询表2得到：

表2

3)当极化方式为线极化或圆极化时，α和β的计算方法为：

首先根据公式(3)、(4)、(5)、(6)分别计算出α_H，β_H，α_V，β_V，然后计算：

α＝[α_H+α_V+(α_H-α_V)cos²θcos 2τ]/2 (7)

β＝[α_Hβ_H+α_Vβ_V+(α_Hβ_H-α_Vβ_V)cos²θcos2τ]/2α (8)

其中，θ为路径仰角，τ为相对于水平方向的极化偏角，当极化方式为圆极化时τ＝45°。

进一步的，所述步骤(4)中的雨顶高度的获取方法为：通过雷达实测获得，或通过Stutzrnan模型计算得到。

进一步的，所述卫星天线为固定天线、自动跟踪天线等卫星天线，能够接收静止或极轨卫星的信号。

进一步的，所述卫星包括广播卫星、通信卫星、海事卫星，所述卫星信号包括L、S、C、X、Ku和Ka波段下行信号。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

与现有的降雨强度测量手段相比，本发明提出的基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，充分发挥了卫星数量多、全球覆盖，信号对降雨敏感，卫星用户数量庞大和分布广的优势，使得其与传统测量技术相比具有成本低、时空分辨率高、覆盖范围广等优势。另外，由于测量的实时性，本发明可以为危险性天气预警等提供准确及时的数据，将来可作为一种新的降雨测量手段用于常规气象观测业务的补充。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法的流程图；

图2为本发明中星地链路的架构图；

图3为本发明中计算卫星信号在雨区等效传播路径的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：确定卫星信号源，在地面架设用于接收卫星信号的卫星天线，建立卫星天线与卫星之间的地星链路，如图2所示；卫星天线在降雨和非降雨的情况下分别接收卫星信号源所发出的卫星信号，并记录下两次接收到的卫星信号强度I_rain、I_sun，然后，从降雨时所接收到的卫星信号中，得到信号的频率f、极化方式；极化方式包括水平极化、垂直极化、线极化或圆极化；

步骤二：计算雨致衰减A_rain：A_rain＝I_sun-I_rain

计算雨致衰减的方法采用但不限于差分法等方法。

步骤三：建立雨致衰减与降雨强度关系模型：

A_rain＝αR^βl (1)

其中，α和β为幂律关系系数，l表示卫星信号在降雨区域中的等效传播路径长度，R表示降雨强度；

步骤四：如图3所示，计算卫星信号在雨区中的等效传播路径长度l：

式中，h_R是雨顶高度，h_S是天线海拔高度，θ是卫星天线仰角，k是等效地球半径因子，a是平均地球半径，雨顶高度可以通过天气雷达测得，计算等效传播路径的模型采用但不限于几何解析法、实测法等方法，计算雨顶高度的模型采用但不限于雷达实测、Stutzman模型等方法。

步骤五：根据信号的具体参数计算衰减与雨强的幂律关系系数α和β，计算幂律系数的方法采用但不限于ITU-R、SAM等模型，下面给出具体计算方式：

1)当极化方式为水平极化时，α和β的计算公式为：

其中，a_i、b_i、c_i、m_α、c_α、a_j、b_j、c_j、m_β、c_β是与极化方式有关的参数，通过查询表1得到：

表1

2)当极化方式为垂直极化时，α和β的计算公式为：

其中，a_i、b_i、c_i、m_α、c_α、a_j、b_j、c_j、m_β、c_β通过查询表2得到：

表2

3)当极化方式为线极化或圆极化时，α和β的计算方法为：

首先根据公式(3)、(4)、(5)、(6)分别计算出α_H，β_H，α_V，β_V，然后计算：

α＝[α_H+α_V+(α_H-α_V)cos²θcos 2τ]/2 (7)

β＝[α_Hβ_H+α_Vβ_V+(α_Hβ_H-α_Vβ_V)cos²θcos2τ]/2α (8)

其中，θ为路径仰角，τ为相对于水平方向的极化偏角，当极化方式为圆极化时τ＝45°。

步骤六：将步骤一计算得到的雨致衰减A_rain、步骤四计算出的卫星信号在雨区中的等效传播路径长度l和步骤五计算出的幂律系数α和β代入公式(1)，即可计算得到传播路径上的平均降雨强度R。

在上述方案中，卫星天线可接收广播卫星、通信卫星、海事卫星等发射的L、S、C、X、Ku和Ka波段下行信号。所述卫星天线为固定天线、自动跟踪天线等卫星天线，能够接收静止或极轨卫星的信号。

所述获取雨致卫星信号衰减强度信息的方法为：通过卫星运营网站下载雨致卫星信号衰减强度信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，其特征在于，包括步骤：

(1)确定卫星信号源，在地面架设用于接收卫星信号的卫星天线，建立卫星信号源与卫星天线之间的星地链路；

(2)利用卫星天线在非降雨时和降雨时分别接收卫星信号源发出的卫星信号，记录非降雨和降雨状态下所接收到的卫星信号的强度，将两次信号强度求差，即可得到卫星强度因降雨产生的损耗，即雨致衰减A_rain；从降雨时接收到的卫星信号中提取出卫星信号的频率f、极化方式；

(3)建立雨致衰减与降雨强度关系模型：

A_rain＝αR^βl (1)

其中，α和β为幂律关系系数，l表示卫星信号在降雨区域中的等效传播路径长度，R表示降雨强度；

(4)计算卫星信号在雨区中的等效传播路径l：

其中，h_R表示雨顶高度，h_S表示天线海拔高度，θ表示卫星天线仰角，k表示等效地球半径因子，a表示平均地球半径；

(5)将步骤(2)得到的雨致衰减A_rain和步骤(4)得到的等效传播路径长度l代入雨致衰减与降雨强度关系模型，得到降雨强度R。

2.根据权利要求1所述的一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，其特征在于，所述α和β的确定方法为：

1)当极化方式为水平极化时，α和β的计算公式为：

其中，a_i、b_i、c_i、m_α、c_α、a_j、b_j、c_j、m_β、c_β是与极化方式有关的参数，通过查询表1得到：

表1

2)当极化方式为垂直极化时，α和β的计算公式为：

其中，a_i、b_i、c_i、m_α、c_α、a_j、b_j、c_j、m_β、c_β通过查询表2得到：

表2

3)当极化方式为线极化或圆极化时，α和β的计算方法为：

首先根据公式(3)、(4)、(5)、(6)分别计算出α_H，β_H，α_V，β_V，然后计算：

α＝[α_H+α_V+(α_H-α_V)cos²θcos 2τ]/2 (7)

β＝[α_Hβ_H+α_Vβ_V+(α_Hβ_H-α_Vβ_V)cos²θcos2τ]/2α (8)

其中，θ为路径仰角，τ为相对于水平方向的极化偏角，当极化方式为圆极化时τ＝45°。

3.根据权利要求2所述的一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，其特征在于，所述步骤(4)中的雨顶高度的获取方法为：通过雷达实测获得，或通过Stutzrnan模型计算得到。

4.根据权利要求1所述的一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，其特征在于，所述卫星天线为固定天线、自动跟踪天线等卫星天线，能够接收静止或极轨卫星的信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，其特征在于，所述卫星包括广播卫星、通信卫星、海事卫星，所述卫星信号包括L、S、C、X、Ku和Ka波段下行信号。