CN112711050B - 基于椭球变换的星载gnss-r镜面反射点计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明介绍了一种基于椭球变换的星载GNSS‑R镜面反射点计算方法，通过数字高程模型DEM或海面地形模型，确定概略镜面反射点处大地高，并以此大地高改化椭球长半轴值，构建新的参考椭球面，并以新参考椭球面作为参考，依据导航卫星位置、GNSS‑R卫星位置和菲涅耳反射定律确定镜面反射点，提高镜面反射点定位精度。

Description

基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法
技术领域
本发明属于水下潜器的定位方法技术领域，具体涉及一种基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法。
背景技术
利用地球表面反射的卫星导航信号进行地球物理参数的探测是全球导航卫星系统(GNSS)一个创新性的研究热点，该项技术通常被称为GNSS-R技术，它具有全天候、全天时、多信号源、高时空分辨率等优势，主要为气象、海洋、农业、国土资源、灾害应急等部门提供业务化支撑，包括海面风场、海面高度、土壤湿度、内陆水资源和湿地分布、洪水监测等。
利用GNSS反射信号进行测量，需要知道导航卫星轨道和GNSS-R接收平台的位置或轨迹，同时，GNSS反射信号的接收处理，需要估计地表反射区参考点(镜面反射点)的位置。
在轨数据处理过程中，通常采用WGS84或GRS80参考椭球面作为参考，以此计算镜面反射点位置；但是，在实际情况中，反射点位于实际陆地地形表面或海面地形表面。当参考椭球面与实际地形表面有较大差异时，将会降低GNSS反射信号观测量的精度，甚至导致对GNSS反射信号的捕获。因此，有必要研究更高精度的星载GNSS-R镜面反射点计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法，以解决背景技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，镜面反射点概略位置计算，以WGS84或GRS80参考椭球面为参考，利用导航卫星位置、GNSS-R卫星位置和菲涅耳反射定律，计算出镜面反射点概略位置；
步骤二，椭球变换，结合数字高程模型DEM或海面地形模型，获取该概略镜面反射点大地高，继而利用此大地高改化椭球长半轴，但保持椭球扁率不变，从而形成新的参考椭球面；
步骤三，镜面反射点准确位置计算，以新参考椭球面为参考，利用导航卫星位置、GNSS-R卫星位置和菲涅耳反射定律，计算出镜面反射点准确位置，提高定位精度。
优选地，步骤一中建立镜面反射点计算约束条件：镜面反射点位于参考椭球面上；直射信号向量、反射信号向量与过镜面反射点处法线向量等三者共面；遵循菲涅耳反射定律，入射角等于反射角。
优选地，步骤二中进行椭球变换，使得镜面反射点位于新参考椭球面上，其关键在于通过概略镜面反射点位置，结合数字高程模型DEM或海面地形模型，获取该点大地高，继而改化椭球长半轴值，但保持椭球扁率不变，从而形成新的参考椭球面。
优选地，步骤三中以新参考椭球面为参考，并按照步骤一中的三项约束条件求解镜面反射点位置，提高定位精度。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：
本发明提出的一种基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法，通过数字高程模型DEM或海面地形模型，确定概略镜面反射点处大地高，并以此大地高改化椭球长半轴值，构建新的参考椭球面，并以新参考椭球面作为参考确定镜面反射点，提高镜面反射点定位精度，与实际情况更加符合。同时该方法计算简单，适合于卫星在轨数据处理。
附图说明
图1是本发明计算镜面反射点示意图；
图2是本发明变换参考椭球示意图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
本发明介绍了一种基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法，具体是指通过数字高程模型DEM或海面地形模型，确定概略镜面反射点处大地高，并以此大地高改化椭球长半轴值，构建新的参考椭球面，并以新参考椭球面作为参考确定镜面反射点，提高镜面反射点定位精度。
本发明基于椭球变换的星载GNSS-R镜面反射点计算方法，由镜面反射点概略位置计算、椭球变换、镜面反射点准确位置计算三个主要部分组成，具体过程如下：
步骤一，镜面反射点概略位置计算。以WGS84或GRS80参考椭球面为参考，利用导航卫星位置、GNSS-R卫星位置，以及三项约束条件，计算出镜面反射点概略位置。其中，约束条件一镜面反射点位于参考椭球面上如公式1所示，约束条件二直射信号向量、反射信号向量与过镜面反射点处法线向量等三者共面如公式2所示，约束条件三入射角等于反射角如公式3所示。
设镜面反射点
Figure GDA0003740858650000031
导航卫星位置
Figure GDA0003740858650000032
GNSS-R卫星位置
Figure GDA0003740858650000033
WGS84或GRS80参考椭球长短半轴分别为a,b，则约束条件一可表示为：
Figure GDA0003740858650000034
约束条件二可表示为：
Figure GDA0003740858650000035
约束条件三可表示为：
Figure GDA0003740858650000036
步骤二，椭球变换。结合数字高程模型DEM或海面地形模型，获取该概略镜面反射点大地高，镜面反射点大地坐标可表示为(B,L,H)，继而根据公式4，利用此大地高改化椭球长半轴，但保持椭球扁率
Figure GDA0003740858650000037
不变，从而形成新的参考椭球面，新参考椭球面长短半轴分别为anew,bnew。
Figure GDA0003740858650000038
Figure GDA0003740858650000039
步骤三，镜面反射点准确位置计算。以新参考椭球面为参考，利用导航卫星位置、GNSS-R卫星位置和菲涅耳反射定律，按照步骤一所列约束条件，计算出镜面反射点准确位置，提高定位精度。
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 (1)

1.一种基于椭球变换的星载GNSS R镜面反射点计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，镜面反射点概略位置计算，以WGS84或GRS80参考椭球面为参考，利用导航卫星位置、GNSS R卫星位置和菲涅耳反射定律，计算出镜面反射点概略位置；建立镜面反射点计算约束条件：镜面反射点位于参考椭球面上；直射信号向量、反射信号向量与过镜面反射点处法线向量三者共面；遵循菲涅耳反射定律，入射角等于反射角；
步骤二，椭球变换，结合数字高程模型DEM或海面地形模型，获取该概略镜面反射点大地高，继而利用此大地高改化椭球长半轴，但保持椭球扁率不变，从而形成新的参考椭球面；进行椭球变换，使得镜面反射点位于新参考椭球面上，其关键在于通过概略镜面反射点位置，结合数字高程模型DEM或海面地形模型，获取该点大地高，继而改化椭球长半轴值，但保持椭球扁率不变，从而形成新的参考椭球面；
步骤三，镜面反射点准确位置计算，以新参考椭球面为参考，利用导航卫星位置、GNSSR卫星位置和菲涅耳反射定律，并按照步骤一中的三项约束条件求解镜面反射点位置。
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