CN112305572B - 空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，属于雷达高度计技术领域。本发明利用GNSS连续运行站位置信息进行站点的筛选，根据GNSS观测数据计算大气总延迟ZTD；卫星微波辐射计采用多个通道分别观测海洋亮度温度，采用经验模型并计算获得湿延迟；根据沿轨辐射计湿延迟的一阶微分方法，确定陆地对微波辐射计湿延迟污染的初始距离；进行卫星微波辐射计和GNSS站点大气湿延迟的误差估计；计算初始距离处的由空间不相关引起的湿延迟不确定度；根据GNSS解算误差和空间不相关误差，计算卫星微波辐射计湿延迟测量的不确定度。本发明可准确判断陆地对湿延迟影响的初始距离，提高定标精度，并可准确分离得到卫星微波辐射计本身的湿延迟误差。

Description

空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法

技术领域

本发明涉及一种空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，属于雷达高度计技术领域。

背景技术

卫星雷达信号穿过大气层时，受到大气水汽和云的影响，造成无线电传播速度下降，卫星测距值增加，因此必须使用进行雷达测距的大气改正，大气改正包括干延迟和湿延迟，干延迟改正量级通常大于2m，可以使用气压模型精确模拟，湿延迟的改正量级通常小于50cm，但变化剧烈，难以使用误差模拟，使用微波辐射计进行湿延迟改正是最佳方法。卫星微波辐射计观测的大气湿延迟可用于改正卫星测高观测的海面高度数据，湿延迟改正是卫星测高误差中最显著的成分，而微波辐射计自身的精度标定是评估海面高度观测数据的关键，也是进一步分离卫星测高误差的关键。现在对微波辐射计的定标方法通常有气象模型交叉定标、基于地面水汽辐射计、探空气球和GNSS湿延迟的定标等，但上述已知的方法不能估计陆地辐射信息污染卫星微波辐射计的初始距离，因而导致定标结果中的偏差估计出现异常；并且难以准确分离卫星微波辐射计的自身不确定度。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法。

本发明所述的一种空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，包括以下步骤：

S1：利用GNSS连续运行站位置信息进行站点的筛选，根据GNSS观测数据计算大气总延迟ZTD；

S2：卫星微波辐射计采用多个通道分别观测海洋亮度温度，采用经验模型计算获得湿延迟；

S3：根据沿轨辐射计湿延迟的一阶微分方法，确定陆地对微波辐射计湿延迟污染的初始距离：提取经过GNSS站点的每一个周期的沿轨湿延迟，计算每一个周期的沿轨一阶微分，公式如下：

其中：S表示一阶微分值，WET_PD表示位于(lat_i+1，lon_i+1)和(lat_i，lon_i)点处的湿延迟，lat_i表示站点纬度，lon_i表示站点经度，d表示两个点之间的地面距离，对全部周期的一阶微分结果进行共线平均，统一观测点位置，得到多年的沿轨一阶微分结果，通过该参数判断陆地影响的初始距离，记为Distance_land，并作为定标检验的位置；

S4：进行卫星微波辐射计和GNSS站点大气湿延迟的误差估计：提取GNSS站点之外，远离陆地距离至少污染初始距离Distance_land的开阔海域卫星载波辐射计湿延迟，计算每一个周期的累计均方根误差，对全部周期的累计均方根误差进行共线平均，得到多年平均的以距离为变量的累计均方根误差函数，公式如下：

ΔS(d)＝RMS_PD(d) (2)

其中：d表示距离变量，然后利用最小二乘原理拟合指数函数，公式如下：

其中：C_RMS0、C_RMS1、C_RMS2表示拟合参数，上述拟合的指数函数表示微波辐射计的空间不相关性，带入Distance_land，可以得到定标检验点相对于GNSS站点的空间不相关误差RMS_PD(Distance_land)；

S5：计算初始距离Distance_land处的由空间不相关引起的湿延迟不确定度；

S6：根据GNSS解算误差和空间不相关误差，计算卫星微波辐射计湿延迟测量的不确定度。

优选地，所述步骤S1中，选择的站点需距离海岸线小于50km、距离卫星地面轨迹小于100km。

优选地，所述步骤S2中，通过经验模型获得湿延迟的提取参数，公式如下：

ZWD_gdr＝c₀(WS₀，PD₀)+∑_fc_f(WS₀，PD₀)log(280-T_B(f)) (4)

其中：f表示微波辐射计多个通道的频率，c₀和c_f表示和风速与预估湿延迟有关的湿延迟提取参数，T_B表示对应通道的亮度温度。

优选地，所述步骤S4中，提取开阔海域卫星载波辐射计湿延迟的数据长度为15-200km。

优选地，所述步骤S5中，计算方法为如下小步：

S51：在进行定标之前减去大气中的干延迟分量，采用GDR数据集合中的干延迟模型拟合值拟合至GNSS站点位置，得到GNSS站点的基于海平面高度的干延迟，对GNSS站点的干延迟进行海拔高度改正，得到GNSS天线高度处的大气干延迟ZHD，公式如下：

其中：P表示气压，

表示大地纬度，H表示海拔高度；

S52：得到GNSS湿延迟，公式如下：

ZWD_GNSS＝ZTD-ZHD (6)

S53：将GNSS湿延迟改正到海平面高度，公式如下：

S54：将GNSS湿延迟插值到卫星微波辐射计的观测时间，得到相同时间和空间位置下的GNSS湿延迟ZWD_{GNSS_sealevel_t}，得到微波辐射计的湿延迟偏差，公式如下：

ZWD_bias＝ZWD_gdr-ZWD_{GNSS_sealevel_t} (8)。

可降低干延迟模型的不确定度，提高卫星辐射计湿延迟的定标可靠性。

优选地，所述步骤S6中，计算方法为：

考虑空间不相关误差RMS_PD(Distance_land)，忽略短时间内湿延迟改变，考虑GNSS自身湿延迟的解算误差RMS_GNSS，最终得到微波辐射计的不确定度，公式如下：

本发明所述的空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，具有以下有益效果：

(1)通过对卫星微波辐射计湿延迟沿轨一阶微分，可以准确判定陆地对湿延迟影响的初始距离，进而剔除陆地干扰，提高定标精度；

(2)利用开阔海域多周期平均的湿延迟空间距离函数拟合，应用于近岸空间不符的不确定度估计，并结合GNSS解算结果中的标准偏差，可提高微波辐射计自身不确定度估计的可靠性。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是在某海区实验的卫星微波辐射计沿轨一阶微分结果图。

图3是由GNSS得到的Jason-2和Jason-3微波辐射计湿延迟偏差图。

图4是由5年连续的卫星微波辐射计开阔海域湿延迟计算得到的累计空间不相关因子图。

图中：1、表示距离海岸线为50km的等值线；2、表示多年周期的一阶微分平均值曲线；3、表示卫星轨迹；4、表示每一个周期的沿轨一阶微分结果曲线；A、表示Jason-2微波辐射计相对于GNSS湿延迟的偏差时间序列；B、表示Jason-3微波辐射计相对于GNSS湿延迟的偏差时间序列。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明所述的空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，首先利用全球或者局部GNSS连续运行站位置信息进行站点的筛选，选择位于距离海岸线小于50km、距离卫星地面轨迹小于100km的站点，利用GNSS连续运行站数据来计算大气总延迟ZTD。

卫星微波辐射计通常采用三个通道分别观测海洋亮度温度，并采用经验模型计算获得湿延迟：

其中：f表示微波辐射计三个通道的频率，c₀和c_f为和风速与预估湿延迟有关的湿延迟提取参数，T_B表示对应通道的亮度温度。

根据沿轨辐射计湿延迟的一阶微分方法，确定陆地对微波辐射计湿延迟污染的初始距离，提取经过GNSS站点的每一个周期的沿轨湿延迟，其长度应大于100km，计算每一个周期的沿轨一阶微分：

其中：S表示一阶微分值，WET_PD表示位于(lat_i+1，lon_i+1)和(lat_i，lon_i)点处湿延迟，lat_i表示站点纬度，lon_i表示站点经度，d表示两个点之间的地面距离(单位km)，由于每一个周期的位置有约1km的偏移，对全部周期的一阶微分结果进行共线平均，统一观测点位置，得到多年的沿轨一阶微分结果。当观测值位于开阔海域时，微波辐射计的湿延迟仅仅是大气中对流层的反应结果，具有随机特征，因此均值接近于0，二陆地的误差初步出现时，将对微波辐射计的湿延迟反演带来扭曲，产生一个恒定方向的一阶微分值，多年的均值明显不为0，因此通过该参数判断陆地影响的初始距离，记为Distance_land，并作为定标检验的位置。

空间相关的误差是由于定标点和GNSS站点的位置不同造成的，理论上当GNSS站点和定标点重合时，Distance_land为0，该项误差也为0，由于定标检验点的位置和GNSS站点的位置存在空间差异，因此在定标流程中将带来空间相关的误差，需要进行误差估计。要提取GNSS站点之外，远离陆地距离至少污染初始距离Distance_land的开阔海域卫星微波辐射计湿延迟，提取数据的空间长度为150-200km，计算每一个周期的累计均方根误差，对全部周期的累计均方根误差进行共线平均，得到多年平均的以距离为变量的累计均方根误差函数：

ΔS(d)＝RMS_PD(d)

其中：d表示距离变量。然后利用最小二乘原理拟合指数函数：

其中：C_RMS0、C_RMS1、C_RMS2表示拟合参数。上述拟合的指数函数表示微波辐射计的空间不相关性，带入Distance_land，可以得到定标检验点相对于GNSS站点的空间不相关误差RMS_PD(Distance_land)。

GNSS直接计算得到的是大气总延迟ZTD，在进行定标之前需要减去大气中的干延迟分量，为了降低干延迟模型的不确定度，提高卫星辐射计湿延迟的定标可靠性，采用GDR数据集合中的干延迟模型值拟合至GNSS站点位置，得到GNSS站点的基于海平面高度的干延迟，然后对GNSS站点的干延迟进行海拔高度改正，得到GNSS天线高度处的大气干延迟ZHD：

其中：P表示气压，

表示大地纬度，H表示海拔高度。于是可得到GNSS湿延迟为：

ZWD_GNSS＝ZTD-ZHD

然后将GNSS湿延迟改正到海平面高度：

由于GNSS的时间频率和卫星微波辐射计的频率不一致，因此还存在时间差异，将GNSS湿延迟插值到卫星微波辐射计的观测时间，得到相同时间和空间位置下的GNSS湿延迟ZWD_{GNSS_sealevel_t}，最终得到微波辐射计的湿延迟偏差：

ZWD_bias＝ZWD_gdr-ZWD_{GNSS_sealevel_t}

最后计算卫星微波辐射计湿延迟测量的不确定度，考虑空间不相关误差RMS_PD(Distance_land)，忽略短时间内湿延迟改变，即忽略时间相关误差，并考虑GNSS自身湿延迟的解算误差RMS_GNSS，最终得到微波辐射计的不确定度为：

实施例2：

以在某地对Jason-2和Jason-3微波辐射计湿延迟开展的定标试验为例：

如图2所示，1表示距离海岸线为50km的等值线，4表示每一个周期的沿轨一阶微分结果曲线，2表示多年周期的一阶微分平均值曲线，3表示卫星轨迹，利用一阶微分方法准确判断陆地污染卫星微波辐射计湿延迟的初始距离为50km，因此确定定标地点为离岸50km。

然后通过计算得到如图3所示的Jason-2和Jason-3微波辐射计相对于GNSS湿延迟的偏差时间序列，A表示Jason-2微波辐射计相对于GNSS湿延迟的偏差时间序列，B表示Jason-3微波辐射计相对于GNSS湿延迟的偏差时间序列，均值为2mm，均方根误差RMS为14.4mm。

如图4所示，再利用空间不相关拟合函数可得到空间不相关的因子为4.4mm，考虑GNSS的解算湿延迟的误差因子为5mm，最终得到卫星微波辐射计湿延迟的误差为2±12.8mm。本发明弥补了传统定标技术中的基于方差最小判断陆地污染距离的不足，可以实现陆地污染信号的精准识别。

本发明可广泛运用于雷达高度计的湿延迟数据定标场合。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用GNSS连续运行站位置信息进行站点的筛选，根据GNSS观测数据计算大气总延迟ZTD；

S2：卫星微波辐射计采用多个通道分别观测海洋亮度温度，采用经验模型计算获得湿延迟；

S3：根据沿轨辐射计湿延迟的一阶微分方法，确定陆地对微波辐射计湿延迟污染的初始距离：提取经过GNSS站点的每一个周期的沿轨湿延迟，计算每一个周期的沿轨一阶微分，公式如下：

其中：S表示一阶微分值，WET_PD表示位于(lat_i+1，lon_i+1)和(lat_i，lon_i)点处的湿延迟，lat_i表示站点纬度，lon_i表示站点经度，d表示两个点之间的地面距离；再对全部周期的一阶微分结果进行共线平均，统一观测点位置，得到多年的沿轨一阶微分结果，通过该参数判断陆地影响的初始距离，记为Distance_land，并作为定标检验的位置；

通过经验模型获得湿延迟的提取参数，公式如下：

其中：f表示微波辐射计多个通道的频率，c₀和c_f表示和风速与预估湿延迟有关的湿延迟提取参数，T_B表示对应通道的亮度温度；

S4：进行卫星微波辐射计和GNSS站点大气湿延迟的误差估计：提取GNSS站点之外，远离陆地距离至少污染初始距离Distance_land的开阔海域卫星载波辐射计湿延迟，计算每一个周期的累计均方根误差，对全部周期的累计均方根误差进行共线平均，得到多年平均的以距离为变量的累计均方根误差函数，公式如下：

ΔS(d)＝RMS_PD(d) (3)

其中：d表示两个点之间的地面距离，再利用最小二乘原理拟合指数函数，公式如下：

其中：C_RMS0、C_RMS1、C_RMS2表示拟合参数，上述拟合的指数函数表示微波辐射计的空间不相关性，带入Distance_land，可以得到定标检验点相对于GNSS站点的空间不相关误差RMS_PD(Distance_land)；

S5：计算初始距离Distance_land处的由空间不相关引起的湿延迟不确定度；计算方法为如下小步：

S51：在进行定标之前减去大气中的干延迟分量，采用GDR数据集合中的干延迟模型拟合值拟合至GNSS站点位置，得到GNSS站点的基于海平面高度的干延迟，对GNSS站点的干延迟进行海拔高度改正，得到GNSS天线高度处的大气干延迟ZHD，公式如下：

其中：P表示气压，

表示大地纬度，H表示海拔高度；

S52：得到GNSS湿延迟，公式如下：

ZWD_GNSS＝ZTD-ZHD (6)

S53：将GNSS湿延迟改正到海平面高度，公式如下：

S54：将GNSS湿延迟插值到卫星微波辐射计的观测时间，得到相同时间和空间位置下的GNSS湿延迟ZWD_{GNSS_sealevel_t}，得到微波辐射计的湿延迟偏差，公式如下：

ZWD_bias＝ZWD_gdr-ZWD_{GNSS_sealevel_t} (8)；

S6：根据GNSS解算误差和空间不相关误差，计算卫星微波辐射计湿延迟测量的不确定度，

计算方法为：

考虑空间不相关误差RMS_PD(Distance_land)，忽略短时间内湿延迟改变，考虑GNSS自身湿延迟的解算误差RMS_GNSS，最终得到微波辐射计的不确定度，公式如下：

2.根据权利要求1所述的空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，选择的站点需距离海岸线小于50km、距离卫星地面轨迹小于100km。

3.根据权利要求1所述的空间去相关的卫星微波辐射计湿延迟评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，提取开阔海域卫星载波辐射计湿延迟的数据长度为15-200km。

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