CN113589350B - 基于测量型gnss接收机的海面风速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，包括步骤：(1)选定方位角和高度角范围；(2)利用二次拟合方法剔除信噪比序列的趋势项；(3)建立影响截止高度角的参数与风速之间的关系；(4)建立截止高度角变化量与风速之间的关系；(5)利用小波分析处理残余信噪比序列，捕捉信噪比的多径消失的截止高度角参数；(6)根据小波谱图进行数据检查，剔除质量较差的参数；(7)计算截止高度角变化量；(8)根据截止高度角变化量推算风速。本发明能够实现全自动、小成本、长期连续、有稳定框架支持的海面风速监测性能；利用现有的布设在岸边或海洋中的GNSS连续跟踪站，无需额外投入，就能完成测风工作。

Description

基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法

技术领域

本发明涉及海面风速测量方法，尤其涉及一种基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法。

背景技术

海面风速的测量对于海洋环境数值预报、海洋灾害监测、海气相互作用、气象预报、气候研究等都具有重要意义。常规的海面风速资料主要通过船舶、海上浮标、沿岸和岛屿气象台站来测量获得，资料受限于站点数量。除了常规测量，卫星遥感技术起到了重要补充作用—微波散射计、高度计、SAR等，然而遥感测风具有精度不高、重返周期长、无法获得近岸风速信息等缺点。

随着全球导航卫星系统(Global navigation satellite systems,GNSS)的不断发展，过去被认为是误差源的多路径效应，已经被证实可以用来监测反射面物理参数。GNSS接收机在捕获信号过程中，除了直射信号，也会捕获到反射信号。不同的反射面会造成不同的反射信号，根据反射信号特性可以反推反射面的物理特性。目前，基于测量型GNSS接收机，已经实现了对水位、雪深、植被指数、土壤湿度等相关参数的监测。而基于特制的双天线型接收机也被证实可以对海面风速、土壤湿度、冰区范围、水面等相关参数进行监测；并且有已经有搭载双天线接收机的卫星群播发，该卫星群被设计用来探测海风。目前，基于双天线GNSS接收机的海面风速探测技术已经相对成熟；然而，现在还没有相关方法，能够使常规大地测量型GNSS接收机实现海风监测。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种实现全自动、小成本、长期连续、有稳定框架支持的海面风速监测性能的基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法。

技术方案：本发明的海面风速测量方法，包括步骤如下：

(1)选定方位角和高度角范围；

(2)利用二次拟合方法剔除信噪比序列的趋势项；

(3)确定影响截止高度角变化的因素，建立截止高度角参数与风速之间的关系；

(4)建立截止高度角变化量与风速之间的关系；

(5)利用小波分析处理残余信噪比序列，捕捉信噪比的多径消失的截止高度角参数；

(6)根据小波谱图进行数据检查，剔除质量较差的参数；

(7)计算截止高度角变化量；

(8)根据步骤(7)中得到的截止高度角变化量推算风速。

进一步，步骤(1)中，根据接收机天线周围的环境状态选择高度角和方位角区间，确保区间内的信号反射区是海面。

进一步，步骤(2)中，利用二次拟合方法获取信噪比序列的趋势项，并从中剔除趋势项；在不考虑噪声的情况下，剔除趋势项后的残余项为：

其中，h为反射面到天线相位中心的高度；λ为信号波长；k＝2π/λ；d是衰减因子；e为高度角，Amp为振幅。

进一步，步骤(3)中，根据截止高度角e_cutoff与海面粗糙度σ_h相关，关系式为：

其中，T是反射表面的相关长度；i表示第i个散射分量；A为散射区域面积；θ_d是入射角，θ_r是反射角；G(e_cutoff,σ_h)为与截止高度角e_cutoff、海面粗糙度σ_h相关的函数表达式；

当e＜e_cutoff，相干分量更显著，SNR存在振荡；当e＞e_cutoff，非相干分量更显著，SNR振荡消失。

进一步，步骤(4)中，选取同一卫星同一信号同一轨迹的截止高度角的均值作为基准，来计算δe_cutoff：

δe_cutoff＝e_{cutoff,wind_speed＝3}-e_cutoff

其中，e_{cutoff,wind_speed＝3}是风速为3m/s时推算获得的截止高度角e_cutoff。

进一步，步骤(5)中，设ψ是基本小波函数，对于输入SNR序列δS(sin(e))，其小波变换为：

其中，a和b分别是尺度缩放因子和平移因子；通过小波分析获得信噪比序列的频率随时间的变化；e为高度角；当频率突然上升时，为噪声信号主导，对应的频率上升时的高度角为截止高度角。

进一步，步骤(6)中，根据小波谱图，选择能量区连续的信噪比序列数据。

进一步，步骤(7)中，将第i个GPS卫星、第j个GPS信号，在第n天、第k轨迹获得的截止高度角写为则定义该截止高度角对应第i个GPS卫星、第j个GPS信号、第n天、第k轨迹的/>为：

其中，为第i个GPS卫星、第j个GPS信号、第k轨迹在共N天里的信噪比截止高度角的平均值，为该卫星、该信号、该轨迹截止高度角的基准。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、提出了基于GNSS接收机监测海面风速的方法，扩充了现有测风技术，补充了现有海面风速资料；2、扩展地基于GNSS技术的监测对象和应用范围，使得测量型GNSS接收机能提供更多的服务；3、能够实现全自动、小成本、长期连续、有稳定框架支持的海面风速监测性能；4、利用现有的布设在岸边或海洋中的GNSS连续跟踪站，无需额外投入，就能完成测风工作。

附图说明

图1为本发明的系统总示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

图1为本发明系统示意图。系统结构简单，只需要在待监测的海域附近(岸边、灯塔、港口等)安置一个常规测量型GNSS接收机就能完成海面风速监测。

图2为本发明的流程图。首先，从原理上证明了信噪比序列的多径截止高度角参数能反映海面粗糙度特性，并建立风速和多径截止高度角参数之间的对应关系；然后利用了小波分析来提取该截止高度角参数；最后通过统一基准，获得多径截止高度角参数的变化量，并据此推算风速。具体步骤如下：

步骤1，方位角和高度角范围选定。

根据接收机天线周围的环境状态，选择高度角和方位角区间，采用下述两种方法之一：a)根据电子地图和信号反射区位置，选定高度角和方位角区间，以保证区间内的信号反射区是海面；b)根据信噪比序列的振荡特性，确定属于海面多径的信噪比所对应的高度角和方位角区间，以保证信噪比的干涉振荡是由海面多径引起的。

步骤2，剔除信噪比趋势项。

信噪比(SNR：SIGNAL-NOISE RATIO)数据中包括直射信号、干涉信号及噪声信号。一般认为直射信号影响信噪比的整体趋势，因此，利用二次拟合方法获取信噪比序列的趋势项，并从中剔除趋势项。在不考虑噪声的情况下，剔除趋势项后的残余项可表示为：

式(1)中，h为反射面到天线相位中心的高度；λ为信号波长；k＝2π/λ；d是衰减因子；e为高度角，Amp为振幅。

步骤3，建立影响截止高度角的参数与风速之间的数学关系。

在风速影响下，反射面并不光滑，存在粗糙度时，信号会存在散射现象。此时的残余SNR序列可以写为

式(2)中，下标i表示第i个散射分量的相关参数，分别为反射面到天线相位中心的高度h_i、衰减因子d_i、高度角e_i、振幅Amp_i，M为散射分量的总数。

δSNR_s可以写为相干分量(共性部分)δSNR_coh和非相干分量(非共性部分)δSNR_incoh；相干分量表现为反射主导的分量，非相干量表现为噪声n_i，即将公式(2)写为：

式(3)中，当相干分量δSNR_coh更显著时，SNR序列表现有干涉振荡；当非相干量(噪声)δSNR_incoh更显著时，SNR序列表现无干涉振荡。

设光滑反射面的反射功率为<|E_2ss ²|>，则粗糙反射面的散射功率可以写为：

式(4)中，

ρ₀＝sin(v_xx)sin(v_yy)

v_x＝k(sinθ_d-sinθ_rcosφ_r)x

v_y＝k(sinθ_rsinφ_r)y

其中，σ_h是反射表面高度的标准偏差，表示反射面粗糙度；T是反射表面的相关长度，θ_d是入射角(等于90°-e)，θ_r是反射角，φ_r是反射的方位角，x和y是反射区域的不同方向，A为散射区域面积。

只考虑镜面反射方向上的散射反射，此时，入射角等于反射角，反射方位角为零，v_x＝0，v_y＝0且D＝1，所以等式(4)可简化为

公式(5)中，<|E_2ss ²|>·e^-G为相干分量，为非相干分量。当非相干分量大于1时，非相干分量更显著，振荡消失。即，存在一截止高度角e_cutoff，使公式(6)成立：

当e＜e_cutoff，相干分量更显著，SNR存在振荡；当e＞e_cutoff，非相干分量更显著，SNR振荡消失。根据公式(6)，不同的σ_h，会造成不同的e_cutoff。即获得e_cutoff和σ_h的一一映射关系σ_h(e_cutoff)。而不同的风速，会造成不同的σ_h。利用波浪谱可以推测风速和σ_h之间的关系。

针对不同的海域情况，选取合适的波浪谱，波浪谱可表示为海浪频率ω和风速wind_speed之间的数学关系：S(ω)＝f(wind_speed)；对波浪频率进行积分，可以获得不同风速下的仿真海面及相应的粗糙度σ_h＝g(S(ω))＝g(f(wind_speed))。

综上，根据映射关系，可以得到不同粗糙度下的风速，表达为wind_speed(σ_h)；结合映射关系σ_h(e_cutoff)，可以得到e_cutoff和风速wind_speed之间的映射关系wind_speed(e_cutoff)。

步骤4，建立截止高度角变化量与风速之间的数学关系。

在实际观测中，截止高度角与许多因素有关，其中包括粗糙度、反射率因子等反射面特性，也包括信号解调方式、信号频率、信号带宽等信号特性。为了提高反演精度，需要保证粗糙度是影响截止高度角变化的唯一因素。由于GPS卫星的周期为1天(11h 58min)，因此，同一卫星每天同一轨迹被接收机捕获的同一信号，理论上具有相同的反射区，及相同的解调方式、信号频率、信号带宽；为了实现唯一变量影响，需要计算同一卫星同一信号同一轨迹的截止高度角的变化。选取同一卫星同一信号同一轨迹的截止高度角的均值作为基准，来计算δe_cutoff。在仿真中，选取风速为3m/s时，推算获得的e_cutoff为基准截止高度角(即表示为e_cutoff(wind_speed＝3))。步骤(3)中给出了e_cutoff和风速wind_speed之间的映射关系wind_speed(e_cutoff)，对应的反映射关系为e_cutoff(wind_speed)。可得，

δe_cutoff(wind-speed)＝e_cutoff(wind-speed＝3)-e_cutoff(wind_speed) (7)

从而可以建立δe_cutoff和风速之间的映射关系δe_cutoff(wind_speed)；由于δe_cutoff参数和wind_speed参数之间一一对应，因此也可以得到随δe_cutoff变化的wind_speed的映射关系wind_speed(δe_cutoff)。

步骤5，小波分析处理。

小波分析是一种通过对时间和频率进行局域变换，实现信号多尺度细化分析的方法，对序列的细节信号进行放大，起到“放大器”的作用。设ψ是基本小波函数，对于输入SNR序列δS(sin(e))，其小波变换为

式(8)中，a和b分别是尺度缩放因子和平移因子。要获得小波分析结果，需要计算每个移位参数b的卷积，并对a重复此过程。通过小波分析获得信噪比序列的频率随时间的变化；当频率突然上升时，认为此时为噪声信号主导，对应的频率上升时的高度角即为截止高度角。

步骤6，数据质量检查。

数据质量的好坏会影响小波分析能否准确识别截止高度角参数。根据小波谱图的能量区连续程度可以判断信噪比数据的质量好坏。如果能量区破碎，说明噪声影响太大，不能利用小波分析方法获得准确的截止高度角参数，该信噪比序列不可用；如果能量区连续，则信噪比序列可用。

步骤7，计算截止高度角变化量。

将第i个GPS卫星、第j个GPS信号，在第n天、第k轨迹获得的截止高度角写为则定义该截止高度角对应第i个GPS卫星、第j个GPS信号、第n天、第k轨迹的为：

式(9)中，为第i个GPS卫星、第j个GPS信号、第k轨迹在共N天里的信噪比截止高度角的平均值，即该卫星、该信号、该轨迹截止高度角的基准。

步骤8，根据截止高度角变化量推算风速。

根据步骤(4)得到的映射关系wind_speed(δe_cutoff)，利用步骤(7)获得的δe_cutoff推算信噪比序列对应时刻的风速wind_speed。

Claims (6)

1.一种基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，其特征在于，包括步骤：

(1)根据接收天线周围的环境状态，选定方位角和高度角范围；

(2)利用二次拟合方法剔除信噪比序列的趋势项；

(3)建立影响截止高度角的参数与海面粗糙度之间的关系，其中海面粗糙度与风速相关；根据截止高度角e_cutoff与海面粗糙度σ_h相关，建立关系式为：

其中，T是反射表面的相关长度；i表示第i个散射分量；A为散射区域面积；θ_d是入射角，θ_r是反射角；

G(e_cutoff,σ_h)表示与截止高度角e_cutoff、海面粗糙度σ_h相关的函数表达式；

当e＜e_cutoff，相干分量更显著，SNR存在振荡；当e＞e_cutoff，非相干分量更显著，SNR振荡消失；

(4)确定影响截止高度角变化的因素，建立截止高度角变化量与风速之间的关系；

其中，确定粗糙度是影响截止高度角变化的唯一因素，选取同一卫星同一信号同一轨迹的截止高度角的均值作为基准，来计算δe_cutoff：

δe_cutoff＝e_{cutoff,wind_speed＝3}-e_cutoff

其中，e_{cutoff,wind_speed＝3}是风速为3m/s时推算获得的截止高度角e_cutoff；

(5)利用小波分析处理残余信噪比序列，获得截止高度角；

(6)根据小波谱图进行信噪比数据检查，选取可用信噪比序列；

(7)计算截止高度角变化量；

(8)根据步骤(7)中得到的截止高度角变化量推算风速。

2.根据权利要求1所述的基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，其特征在于，步骤(1)中，根据接收机天线周围的环境状态选择高度角和方位角区间，确保区间内的信号反射区是海面。

3.根据权利要求1所述的基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，其特征在于，步骤(2)中，利用二次拟合方法获取信噪比序列的趋势项，并从中剔除趋势项；在不考虑噪声的情况下，剔除趋势项后的残余项为：

其中，h为反射面到天线相位中心的高度；λ为信号波长；k＝2π/λ；d是衰减因子；e为高度角，Amp为振幅。

4.根据权利要求1所述的基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，其特征在于，步骤(5)中，设ψ是基本小波函数，对于输入SNR序列δS(sin(e))，其小波变换为：

其中，a为尺度缩放因子；b为平移因子；通过小波分析获得信噪比序列的频率随时间的变化；e为高度角；当频率突然上升时，为噪声信号主导，对应的频率上升时的高度角为截止高度角。

5.根据权利要求1所述的基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，其特征在于，步骤(6)中，根据小波谱图，选择能量区连续的信噪比序列数据。

6.根据权利要求1所述的基于测量型GNSS接收机的海面风速测量方法，其特征在于，步骤(7)中，将第i个GPS卫星、第j个GPS信号，在第n天、第k轨迹获得的截止高度角写为则定义该截止高度角对应第i个GPS卫星、第j个GPS信号、第n天、第k轨迹的为：

其中，为第i个GPS卫星、第j个GPS信号、第k轨迹在共N天里的信噪比截止高度角的平均值，为该卫星、该信号、该轨迹截止高度角的基准。