CN110766795A - 三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统，该方法利用多地面站‑多星源组成三维星地链路密织网探测三维降雨场分布：利用已有或架设多个卫星天线组成地面观测网，接收多颗卫星信号，多条星地链路形成密织的三维网络；通过分析星地链路信号强度信息、降雨衰减系数、星地链路长度的关系获得衰减系数的空间分布，并根据其与降雨强度的关系模型反演降雨的空间分布，与GIS地图结合完成三维降雨场的重构、可视化和动态显示。本发明利用星地链路网完成三维降雨场的重构，可以提供准确的、大范围、高分辨率的降雨资料，为水资源管理、农业发展、城市内涝监测、自然灾害预警等提供关键的数据资料。

Description

三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统

技术领域

本发明涉及气象探测领域，具体涉及一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统。

背景技术

对三维立体空间的降雨场的探测有助于研究降雨的形成、发展及其空间分布，并且对水资源管理、短时强降雨的监测等起着重要的作用。现在能实现三维降雨场观测的手段包括天气雷达和气象卫星。前者能够对大范围连续空间内的降雨场进行探测，并且探测结果具有较高的时空分辨率，但是由于其通过探测空中含水量来反演降雨强度，因此其很难准确反映地面附近的降雨情况，在雷达天线仰角较低时，由于其周围地物的影响会给测量带来较大的误差；后者能够探测全球范围的降雨场，并且能够实现对降雨内部结构的观测，但是因其一天只能通过同一地区两次导致降雨探测的时间分辨率较低，不能满足对降雨场连续实时监测的要求。

目前，有超过1000颗中低轨卫星在太空中工作，新一代低轨星座计划也提上日程，未来估计将有超过数以万颗的中低轨卫星在轨运行，实现卫星信号的全球覆盖。相关研究表明，利用降雨对卫星信号的衰减作用可以实现降雨强度的测量。同时，天线体积小、易操作、造价低等特点成为利用星地链路探测降雨强度的成本优势，卫星星座信号全球覆盖的特点又为实现全球降雨场的观测提供了可能。因此，通过星地链路实现三维降雨场的重构不仅具有范围大，连续性好，时空分辨率高等优势，并且能够为水资源管理、农业发展、城市内涝监测、自然灾害预警等提供关键的数据资料。

发明内容

发明目的：本发明基于提供一种能够准确反映地面附近的降雨情况并顺利重构三维降雨场的方法的目的，提出一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统。本发明利用三维星地链路密织网探测三维降雨场，用大小相同的立方体划分探测空间，分析星地链路在每个立方体内的长度和信号的强度信息，根据信号强度、衰减系数、路径长度的关系建立线性方程组，通过雨衰模型将衰减系数向量解转化为降雨强度，并与 GIS地图结合，完成三维降雨场重构，进而可实现对降雨强度及空间分布的实施连续性监测。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，包括步骤：

(1)构建三维星地链路密织网：

将待探测区域分为N×M×U个相同的立方体并分别分配标记号，在待探测区域的地面布设n个卫星信号接收端，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q 条星地链路，q条星地链路相互交织构成三维星地链路密织网；

(2)降雨时，在采样周期T内的每个采样时间点t收集每条星地链路的频率信息和信号强度信息，并计算每条星地链路上的降雨衰减：

其中，

表示第i条星地链路在采样时间点t的降雨衰减，eirp_i(t)表示第i条星地链路的接收卫星在采样时间点t的等效全辐射功率，G_r表示接收天线增益，

表示第i条星地链路在采样时间点t的自由空间衰减，

表示第i条星地链路在采样时间点t的气体衰减，

表示第i条星地链路在采样时间点t的云致衰减，p_i(t)表示第 i条星地链路在采样时间点t的信号强度信息；

(3)对每个采样时间点t，计算每条星地链路在其所穿过的每个立方体内的长度信息：

其中，

为第i条星地链路在第j个立方体中的长度，若第i条星地链路未穿过第j个立方体，则

(4)将采样周期T内每个采样点上各星地链路的降雨衰减归集为降雨衰减向量A，将采样周期T内每个采样点上各星地链路在自身所穿过的每个立方体内的长度归集为长度矩阵L；构建线性方程组：

Lγ＝A

γ＝[γ₁，γ₂，γ₃，…，γ_N×M×U]^T

其中，γ为待求的衰减系数向量，γ_j是第j个立方体内的衰减系数；

(5)求解线性方程组，得到衰减系数向量γ；根据降雨强度与衰减系数的幂律关系反演得到降雨强度分布矩阵：

其中，k和α均为幂律系数；

(6)将步骤(5)求得的降雨强度分布矩阵与带有标记号的立方体融合，完成三维降雨场的重构。

进一步的，所述步骤(4)中采用最小二乘法求解线性方程组Lγ＝A，具体步骤包括：

1)由方程组得到初始解γ′＝(L^TL)^-1L^TA；

2)对γ′非负约束得到γ，同时使其满足min||A-Lγ||²。

具体的，所述接收天线增益Gr、自由空间衰减A^free _i(t)、气体衰减A^gas _i(t)、云致衰减A^doud _i(t)的计算公式分别为：

G_r＝e_A(πd/λ)²

其中，e_A是孔径效率，d是天线直径，λ是电波波长，f为星地链路电波频率，s为卫星到接收天线的距离，N″_oxygen(H，f)和N″_vapour(H，f)分别是氧气和水汽复折射率的虚部，

是天线仰角，M是云中液态水密度，K_l是云中液态水比衰减系数，T为云中液态水温度，L_cloud为电波在云中的传播距离。

具体的，所述

的计算公式为：

其中，

和

分别代表第i条链路在第j个立方体内的入射点坐标和出射点坐标。

具体的，所述幂律系数k和α通过以下公式计算：

其中，f为星地链路电波频率，a_s、b_s、c_s、m_k、c_k、a_v、b_v、c_v、m_α、c_α是与星地链路极化方式有关的常数；

当极化方式为水平极化时，各参数取值如表1和表2所示所示：

表1

表2

当极化方式为垂直极化时，各参数取值如表3和表4所示所示：

表3

表4

进一步的，所述三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法还包括步骤：

将步骤(6)重构的三维降雨场与GIS地图结合，把三维降雨场数据存入数据库服务器，然后通过与数据库服务器交互的显示器实现降雨的可视化和动态显示。

本发明还提出一种用于实现所述方法的三维星地链路密织网探测三维降雨场的系统，包括：地面天线阵列、数据处理终端、数据库和数据显示终端；其中，地面天线阵列由布设于地面的n个卫星信号接收端阵列排布形成，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q条星地链路，q条星地链路相互交织构成三维星地链路密织网；卫星信号接收端接收所在星地链路的电磁波信号，并将电磁波信号的电磁频率信息f_i、信号强度信息p_i、卫星信号接收端天线的位置信息(x，y，z)、卫星的位置信息

传入数据处理终端；数据处理终端根据各卫星信号接收端上传的数据进行三维降雨场重构，重构后的三维降雨场数据存储在数据库中，并通过数据显示终端进行显示。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明提出的利用多地面站-多星源组成三维星地链路网探测三维降雨场的方法，充分利用了卫星数量庞大、覆盖范围广、时间连续性高等优势，重构的降雨场数据不仅时空分辨率满足降雨连续实时监测的要求，而且其成本低、精度高等特点也明显优于传统的降雨探测方法。与GIS地图的结合，实时地向公众提供降雨强度及其空间分布的变化情况，为降雨灾害预警和灾后救援疏散提供了重要的数据资料，本方法也可作为一种新的降雨场探测方法投入到气象观测业务中。

附图说明

图1为本发明的利用三维星地链路密织网探测三维降雨场的系统结构图；

图2为三维星地链路密织网示意图；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

本发明旨在提出能够准确反映地面附近的降雨情况并顺利重构三维降雨场的方法，基于这个目的，本发明提出了一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统。下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例：图1所示为本发明所述三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法的实施例的流程图，包括步骤：

(1)构建三维星地链路密织网：

将待探测区域分为N×M×U个相同的立方体并分别分配标记号，在待探测区域的地面布设n个卫星信号接收端，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q 条星地链路，q条星地链路相互交织构成三维星地链路密织网，如图2所示；

(2)降雨时，在采样周期T内的每个采样时间点t收集每条星地链路的频率信息和信号强度信息，并计算每条星地链路上的降雨衰减；具体计算过程如下：

G_r＝e_A(πd/λ)² (1)

其中，

表示第i条星地链路在采样时间点t的降雨衰减，eirp_i(t)表示第i条星地链路的接收卫星在采样时间点t的等效全辐射功率，G_r表示接收天线增益，

表示第i条星地链路在采样时间点t的自由空间衰减，

表示第i条星地链路在采样时间点t的气体衰减，

表示第i条星地链路在采样时间点t的云致衰减，p_i(t)表示第 i条星地链路在采样时间点t的信号强度信息；e_A是孔径效率，d是天线直径，λ是电波波长，f为星地链路电波频率，s为卫星到接收天线的距离，N″_oxygen(H，f)和N″_vapour(H，f)分别是氧气和水汽复折射率的虚部，是天线仰角，M是云中液态水密度，K_l是云中液态水比衰减系数，T为云中液态水温度，L_cloud为电波在云中的传播距离。

(3)对每个采样时间点t，计算每条星地链路在其所穿过的每个立方体内的长度信息：

其中，

为第i条星地链路在第j个立方体中的长度，

和

分别代表第i条链路在第j个立方体内的入射点坐标和出射点坐标，若第i条星地链路未穿过第j个立方体，则

(4)第i条链路的雨衰信息可表示为：

其中，γ_j是第j个立方体内的衰减系数。

将采样周期T内每个采样点上各星地链路的降雨衰减归集为降雨衰减向量A，将采样周期T内每个采样点上各星地链路在自身所穿过的每个立方体内的长度归集为长度矩阵L；根据公式(8)，可以构建线性方程组：

γ＝[γ₁，γ₂，γ₃，…，γ_N×M×U]^T (9)

Lγ＝A (12)

其中，γ为待求的衰减系数向量。

(5)由最小二乘法求解线性方程组，得到衰减系数向量γ：

具体步骤包括：

1)由方程组得到初始解γ′＝(L^TL)^-1L^TA；

2)对γ′非负约束得到γ，同时使其满足min||A-Lγ||²。

(6)由ITU模型和步骤四中的衰减系数向量γ计算对应的降雨强度向量R，具体为：

1、衰减系数与降雨强度满足幂律关系：

γ＝kR^α (14)

2、由ITU模型幂律系数k和α分别满足：

其中，f为星地链路电波频率，a_s、b_s、c_s、m_k、c_k、a_v、b_v、c_v、m_α、c_α是与星地链路极化方式有关的常数；

当极化方式为水平极化时，各参数取值如表1和表2所示所示：

表1

表2

当极化方式为垂直极化时，各参数取值如表3和表4所示所示：

表3

表4

3、通过衰减系数向量γ计算降雨强度向量R，具体为：

(7)将步骤(6)求得的降雨强度分布矩阵与带有标记号的立方体融合，完成三维降雨场的重构。

(8)将步骤(6)重构的三维降雨场与GIS地图结合，把三维降雨场数据存入数据库服务器，然后通过与数据库服务器交互的显示器实现降雨的可视化和动态显示。

本实施例还提出一种用于实现上述方法的系统，其结构如图1所示，包括：地面天线阵列、数据处理终端、数据库和数据显示终端；

其中，地面天线阵列由布设于地面的n个卫星信号接收端阵列排布形成，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q条星地链路，q条星地链路相互交织构成如图2所示的三维星地链路密织网；

卫星信号接收端接收所在星地链路的电磁波信号，并将电磁波信号的电磁频率信息 f_i、信号强度信息p_i、卫星信号接收端天线的位置信息(x，y，z)、卫星的位置信息

传入数据处理终端；

数据处理终端根据收到的采样周期T内的采集数据，执行以下步骤：

计算每个采样时间点t每条星地链路上的降雨衰减：

计算每个采样时间点t每条星地链路在其所穿过的每个立方体内的长度信息：

构建线性方程组Lγ＝A，并求解衰减系数向量；

根据降雨强度与衰减系数的幂律关系反演得到降雨强度分布矩阵

将步骤得的降雨强度分布矩阵与带有标记号的立方体融合，完成三维降雨场的重构；

将重构的三维降雨场与GIS地图结合，把三维降雨场数据存入数据库服务器，然后通过与数据库服务器交互的显示器实现降雨的可视化和动态显示。

这里的显示器或者类似的显示设备包括手机APP、电脑客户端、相关服务网站。

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 (7)

1.一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)构建三维星地链路密织网：

将待探测区域分为N×M×U个相同的立方体并分别分配标记号，在待探测区域的地面布设n个卫星信号接收端，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q条星地链路，q条星地链路相互交织构成三维星地链路密织网；

(2)降雨时，在采样周期T内的每个采样时间点t收集每条星地链路的频率信息和信号强度信息，并计算每条星地链路上的降雨衰减：

其中，

表示第i条星地链路在采样时间点t的降雨衰减，eirp_i(t)表示第i条星地链路的接收卫星在采样时间点t的等效全辐射功率，G_r表示接收天线增益，

表示第i条星地链路在采样时间点t的自由空间衰减，

表示第i条星地链路在采样时间点t的气体衰减，

表示第i条星地链路在采样时间点t的云致衰减，p_i(t)表示第i条星地链路在采样时间点t的信号强度信息；

(3)对每个采样时间点t，计算每条星地链路在其所穿过的每个立方体内的长度信息：

其中，

为第i条星地链路在第j个立方体中的长度，若第i条星地链路未穿过第j个立方体，则

(4)将采样周期T内每个采样点上各星地链路的降雨衰减归集为降雨衰减向量A，将采样周期T内每个采样点上各星地链路在自身所穿过的每个立方体内的长度归集为长度矩阵L；构建线性方程组：

Lγ＝A

γ＝[γ₁，γ₂，γ₃，…，γ_N×M×U]^T

其中，γ为待求的衰减系数向量，γ_j是第j个立方体内的衰减系数；

(5)求解线性方程组，得到衰减系数向量γ；根据降雨强度与衰减系数的幂律关系反演得到降雨强度分布矩阵：

其中，k和α均为幂律系数；

(6)将步骤(5)求得的降雨强度分布矩阵与带有标记号的立方体融合，完成三维降雨场的重构。

2.根据权利要求1所述的一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用最小二乘法求解线性方程组Lγ＝A，具体步骤包括：

1)由方程组得到初始解γ′＝(L^TL)^-1L^TA；

2)对γ′非负约束得到γ，同时使其满足min||A-Lγ||²。

3.根据权利要求1所述的一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，其特征在于，所述接收天线增益G_r、自由空间衰减A^free _i(t)、气体衰减A^gas _i(t)、云致衰减A^cloud _i(t)的计算公式分别为：

G_r＝e_A(πd/λ)²

其中，e_A是孔径效率，d是天线直径，λ是电波波长，f为星地链路电波频率，s为卫星到接收天线的距离，N″_oxygen(H，f)和N″_vapour(H，f)分别是氧气和水汽复折射率的虚部，

是天线仰角，M是云中液态水密度，K_l是云中液态水比衰减系数，T为云中液态水温度，L_cloud为电波在云中的传播距离。

4.根据权利要求1所述的一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，其特征在于，所述

的计算公式为：

其中，

和

分别代表第i条链路在第j个立方体内的入射点坐标和出射点坐标。

5.根据权利要求1所述的一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，其特征在于，所述幂律系数k和α通过以下公式计算：

其中，f为星地链路电波频率，a_s、b_s、c_s、m_k、c_k、a_v、b_v、c_v、m_α、c_α是与星地链路极化方式有关的常数；

当极化方式为水平极化时，各参数取值如表1和表2所示所示：

表1

表2

当极化方式为垂直极化时，各参数取值如表3和表4所示所示：

表3

表4

6.根据权利要求1所述的一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，其特征在于，还包括步骤：

将步骤(6)重构的三维降雨场与GIS地图结合，把三维降雨场数据存入数据库服务器，然后通过与数据库服务器交互的显示器实现降雨的可视化和动态显示。

7.一种用于实现权利要求1至6任意一项所述方法的三维星地链路密织网探测三维降雨场的系统，其特征在于，包括：地面天线阵列、数据处理终端、数据库和数据显示终端；其中，地面天线阵列由布设于地面的n个卫星信号接收端阵列排布形成，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q条星地链路，q条星地链路相互交织构成三维星地链路密织网；卫星信号接收端接收所在星地链路的电磁波信号，并将电磁波信号的电磁频率信息f_i、信号强度信息p_i、卫星信号接收端天线的位置信息(x，y，z)、卫星的位置信息

传入数据处理终端；数据处理终端根据各卫星信号接收端上传的数据进行三维降雨场重构，重构后的三维降雨场数据存储在数据库中，并通过数据显示终端进行显示。

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