CN112747802A - 一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法。从卫星导航反射信号信噪比(SNR)测量海平面高度出发，将整段去趋势SNR进行按照时间分辨率要求进行分段，通过粗搜索和精细搜索的过程快速获取精细模型参数，并代入相应的模型，从而求解出海面高度。旨在利用全球导航卫星系统(GNSS)的反射信号进行海面水位监测，提高海平面高度测量精度，保证高度测量的空间分辨率和时间分辨率。

Description

一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法，可用于全球卫星导航系统(GNSS)反射信号进行海面高度监测，属于海洋气象监测的应用领域。
背景技术
沿海地区的长期海面监测对于了解当地海平面的变化和研究人类生活对海洋的影响非常重要。近年来，利用GNSS的反射信号进行海面水位监测已经成为一种新兴的技术手段。利用GNSS反射信号进行海面测高主要是通过布设接收机天线连续接收导航直射信号和海面反射信号，根据反射信号和直射信号之间的路径传播时延，从而得到接收机天线距离地球参考面的高度，将该高度减去接收机的高度而获得海面高度。目前很多研究都是基于卫星导航反射信号信噪比(SNR)数据进行海面高度的测量，这些研究主要使用频谱分析方法(如Lomb-Scargle Periodogram)来分析来自单个大地测量接收机的SNR观测数据。使用大地测量接收机SNR观测数据进行海面测高的优点是，各接收机台站分布在全球范围内，并以标准的接收机独立交换格式观测文件记录数据，存取和转换相对方便。但是由于传统的频谱分析方法需要利用每颗卫星从最小仰角到最大仰角的整段信噪比数据，海面高度测量的空间分辨率和时间分辨率无法得到很好的保证。因此，对SNR进一步精细搜索尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法。它是一种可利用某一海面区域内可视卫星的反射信号信噪比数据进行测高的技术。首先，将接收到反射信号信噪比数据进行去趋势；构建去趋势SNR的拟合模型；然后进行拟合模型的搜索，包括两个步骤：首先基于优化方法搜索不同卫星从最小仰角到最大仰角的整段去趋势SNR的拟合模型粗参数，然后将整段去趋势SNR进行分段，搜索合适的精细模型参数。最后，利用所获取的模型的频率求解海面高度。
为了实现上述目的，一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法，所述方法包括：
步骤一：将所获得的所有卫星的信噪比数据进行去趋势，通过利用多项式函数可以去掉信噪比的直接信号贡献，即信噪比数据的趋势项，获得去趋势后的具有振荡特性的信噪比数据；
步骤二：构建去趋势SNR的拟合模型，模型采用如下计算式子：
y＝a1 cos(a2x+a3)；
其中，a1为去趋势SNR的幅度，a2＝4πf0h/c为去趋势SNR数据的振荡项，a3为考虑海面电磁特性和天线模式的信号相位贡献项，f0为信号的载波频率，c为光速，h为所需解算的海面高度；
步骤三：进行拟合模型粗参数和精细参数的搜索，主要包括两个步骤：
(1)把残差当成目标函数，利用优化方法搜索不同卫星从最小仰角到最大仰角的整段去趋势SNR的拟合模型粗参数
Figure BDA0002872352790000021
Figure BDA0002872352790000022
其中，
Figure BDA0002872352790000023
为粗搜索的目标函数，dSNRi为去趋势SNR的实际数据；
(2)将整段去趋势SNR进行按照不同仰角变化步长进行分段，将所获得的整段去趋势SNR的粗参数
Figure BDA0002872352790000024
代入优化算法初始值中，可实现对分段后的去趋势SNR进行快速搜索，从而获取每段的精细参数
Figure BDA0002872352790000025
每段的目标函数为：
Figure BDA0002872352790000026
其中，
Figure BDA0002872352790000027
为精细搜索的目标函数，dSNRel i为每段去趋势SNR的实际数据；
步骤四：将所搜索到的精细模型参数代入相应的模型，利用去趋势SNR数据的振荡项与海面高度的关系，可求解出海面高度，计算公式为：
Figure BDA0002872352790000031
以及公开了一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量装置，所述装置包括处理器、以及通过通信总线与所述处理器连接的存储器；其中，
所述存储器，用于存储所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量程序；
所述处理器，用于执行所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量程序，以实现任一项所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量步骤。
此外，还公开了一种存储装置，所述存储装置为计算机存储装置，其上存储一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行如任一项所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量步骤。
应用本发明实施例提供的基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法，具备的有益效果如下：
旨在将反射信号SNR用于海平面高度测量，精细SNR搜索模型，提高海平面高度测量精度。将整段去趋势SNR进行按照时间分辨率要求进行分段，通过粗搜索和精细搜索的过程快速获取精细模型参数，并代入相应的模型，从而求解出海面高度。
附图说明
图1是本发明基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法的一种流程示意图。
图2是本发明基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法的整段去趋势SNR的粗搜索拟合曲线图。
图3是本发明基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法的分段去趋势SNR的精细搜索拟合曲线图。
图4是本发明基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法的反演结果与实际验潮仪比较情况。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例根据GNSS-R测高系统所获取的实际信噪比数据进行海面高度反演，具体步骤如下：
步骤一：将所获得的所有卫星的信噪比数据进行去趋势，通过利用多项式函数可以去掉信噪比的直接信号贡献，即信噪比数据的趋势项，获得去趋势后的具有振荡特性的信噪比数据；
步骤二：构建去趋势SNR的拟合模型，模型采用如下计算式子：
y＝a1 cos(a2x+a3) (1)
其中，a1为去趋势SNR的幅度，a2＝4πf0h/c为去趋势SNR数据的振荡项，a3为考虑海面电磁特性和天线模式的信号相位贡献项，f0为信号的载波频率，c为光速，h为所需解算的海面高度；
步骤三：进行拟合模型粗参数和精细参数的搜索，主要包括两个步骤：
(1)把残差当成目标函数，利用优化方法搜索不同卫星从最小仰角到最大仰角的整段去趋势SNR的拟合模型粗参数
Figure BDA0002872352790000041
Figure BDA0002872352790000042
其中，
Figure BDA0002872352790000051
为粗搜索的目标函数，dSNRi为去趋势SNR的实际数据；
(2)将整段去趋势SNR进行按照不同仰角变化步长进行分段，将所获得的整段去趋势SNR的粗参数
Figure BDA0002872352790000052
代入优化算法初始值中，可实现对分段后的去趋势SNR进行快速搜索，从而获取每段的精细参数
Figure BDA0002872352790000053
每段的目标函数为
Figure BDA0002872352790000054
其中，
Figure BDA0002872352790000055
为精细搜索的目标函数，dSNRel i为每段去趋势SNR的实际数据；
步骤四：将所搜索到的精细模型参数代入相应的模型，利用去趋势SNR数据的振荡项与海面高度的关系，可求解出海面高度，计算公式为：
Figure BDA0002872352790000056
如图2所示，给出2015年第186天GPS PRN 18卫星的去趋势SNR进行粗搜索后所获取的拟合曲线图；
如图3所示，给出2015年第186天GPS PRN 18卫星的在仰角范围为4度情况下进行去趋势SNR分段后的精细搜索后所获取的拟合曲线图；
如图4所示，采用本发明提出的一种基于导航反射信号信噪比的海面高度测量方法，从2015年7月1日至2016年6月30日一年数据进行海面高度反演，反演结果与实际验潮仪进行比较的情况，所提出的方法与验潮仪之间的均方根误差(RMSE)为9.29cm。
此外，本发明还公开了一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量装置，所述装置包括处理器、以及通过通信总线与所述处理器连接的存储器；其中，
所述存储器，用于存储所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量程序；
所述处理器，用于执行所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量程序，以实现任一项所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量步骤。
以及公开了一种存储装置，所述存储装置为计算机存储装置，其上存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行如任一项所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量步骤。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将所获得的所有卫星的信噪比数据进行去趋势，通过利用多项式函数可以去掉信噪比的直接信号贡献，即信噪比数据的趋势项，获得去趋势后的具有振荡特性的信噪比数据；
步骤二：构建去趋势SNR的拟合模型，模型采用如下计算式子：
y＝a1 cos(a2x+a3)；
其中，a1为去趋势SNR的幅度，a2＝4πf0h/c为去趋势SNR数据的振荡项，a3为考虑海面电磁特性和天线模式的信号相位贡献项，f0为信号的载波频率，c为光速，h为所需解算的海面高度；
步骤三：进行拟合模型粗参数和精细参数的搜索，主要包括两个步骤：
(1)把残差当成目标函数，利用优化方法搜索不同卫星从最小仰角到最大仰角的整段去趋势SNR的拟合模型粗参数
Figure FDA0002872352780000011
Figure FDA0002872352780000012
其中，
Figure FDA0002872352780000013
为粗搜索的目标函数，dSNRi为去趋势SNR的实际数据；
(2)将整段去趋势SNR进行按照不同仰角变化步长进行分段，将所获得的整段去趋势SNR的粗参数
Figure FDA0002872352780000014
代入优化算法初始值中，可实现对分段后的去趋势SNR进行快速搜索，从而获取每段的精细参数
Figure FDA0002872352780000015
每段的目标函数为：
Figure FDA0002872352780000016
其中，
Figure FDA0002872352780000017
为精细搜索的目标函数，dSNRel i为每段去趋势SNR的实际数据；
步骤四：将所搜索到的精细模型参数代入相应的模型，利用去趋势SNR数据的振荡项与海面高度的关系，可求解出海面高度，计算公式为：
Figure FDA0002872352780000021
2.一种基于卫星导航反射信号信噪比的海面高度测量装置，其特征在于，所述装置包括处理器、以及通过通信总线与所述处理器连接的存储器；其中，
所述存储器，用于存储所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量程序；
所述处理器，用于执行所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量程序，以实现如权利要求1所述基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量步骤。
3.一种存储装置，其特征在于，所述存储装置为计算机存储装置，其上存储权利要求1所述的一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行如权利要求1中所述的基于卫星导航反射信号信噪比的海平面高度测量步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113805208A (zh) * 2021-08-31 2021-12-17 杭州电子科技大学 一种适用于导航接收机的gnss-ir测高方法
CN115290160A (zh) * 2022-08-03 2022-11-04 哈尔滨工程大学 一种基于北斗水位反演的无人机动态水位监测系统及方法

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CN113805208B (zh) * 2021-08-31 2024-04-16 杭州电子科技大学 一种适用于导航接收机的gnss-ir测高方法
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