CN113900158A - 基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法，包括：卫星接收天线、卫星接收机、同步控制模块、物联网信息传输模块、云处理计算平台、显示平台；卫星接收天线用于跟踪接收极轨卫星的下行信号并采集其信号强度和信号质量；卫星接收天线与卫星接收机共同构成卫星接收装置；同步控制模块用于控制卫星接收天线的方位角和仰角；物联网信息传输模块用于将卫星接收天线采集的信号强度和信号质量传输至云处理计算平台；云处理计算平台用于对多路卫星信号进行时序匹配、预处理和反演计算，得到云场信息；显示平台用于对云场垂直分布进行三维可视化展示。通过多条星地链路扫描层析垂直云场，实现对大气云场垂直分布的高分辨率重构。

Description

基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种非合作源气象信息获取与应用领域，特别是涉及基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法。

背景技术

利用非合作微波链路的衰减、时延和去极化等传播效应来反演大气降水、水汽密度等信息，是常规大气探测的一种有效补充手段，已成为高时空分辨气象信息获取与公共气象服务的潜在方向之一。除了近地面传播的视距微波链路以外，全球还广泛覆盖了广播和通信卫星的信号，其所采用S(2～4GHz)、X(8～12GHz)、C(4～8GHz)、Ku(12.5～18GHz)、Ka(26.5～40GHz)、Q(33～50GHz)和V(50～75GHz)等多个频段，这些信号在从卫星至地面的斜程传播过程中，实时受到云和降水的衰减，频率越高，影响越大。在卫星通信领域，气象影响是需要尽量避免的，而在气象领域，则可以利用这一影响来反演获取气象信息。

现有星地链路研究以测量降水为主，利用单条星地链路可以反演得到路径平均降雨，利用多个星地链路可以重构水平降雨场、垂直降雨场和三维降雨场。实际上，云和降水没有本质区别，都是由小水滴或冰晶组成，仅在粒子尺度和数密度等方面略有差别。现有方法中，地基遥感能够获取单点或小范围的云宏观或微观特征，但是覆盖范围有限，存在盲区；空基遥感能够获取大范围云分布或微观信息，但是时空分辨率有限，受到轨道和扫描方式的限制，难以进一步提高。当前，全球大部分区域都有数量众多的卫星接收天线，如能将星地链路应用于云场的测量，那么对于进一步提高气象信息获取的覆盖范围和时空分辨率，提升海上、山区、无人区等区域的气象监测和预警效果等都具有重要的促进作用。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法，利用多个地面卫星天线组成接收阵列，通过多条星地链路扫描层析垂直云场，实现对大气云场垂直分布的高分辨率重构。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统，包括：

若干卫星接收天线、卫星接收机、同步控制模块、物联网信息传输模块、云处理计算平台和显示平台；

其中，所述卫星接收天线用于跟踪接收极轨卫星的下行信号并采集其信号强度和信号质量；所述卫星接收天线与所述卫星接收机共同构成独立的卫星接收装置；

所述同步控制模块用于将所述卫星接收天线的伺服机构进行同步，并控制所述卫星接收天线的方位角和仰角；

所述物联网信息传输模块用于将所述卫星接收天线采集的信号强度和信号质量传输至所述云处理计算平台；

所述云处理计算平台用于对采集的多路卫星信号进行时序匹配、预处理和反演计算，得到云场信息；

所述显示平台用于对云场垂直分布进行三维可视化展示。

优选的，所述卫星接收天线包括抛物面天线或平板天线、机械伺服机构、高频头和馈源。

优选的，所述卫星接收天线中的机械伺服机构能够用于根据极轨卫星的星历，实时调整卫星接收天线的方位角和仰角，使若干卫星接收天线同时接收同一颗极轨卫星的信号。

基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，，包括：

选择测量区域，并沿极轨卫星轨道方向架设若干地面卫星接收天线，组成天线阵列；

所述卫星接收天线接收所述极轨卫星穿过轨道时所产生的极轨卫星信号，形成多条星地链路层析云场；

卫星接收机以相同时间间隔采集所述卫星接收天线接收到的信号，并传输至云处理计算平台；当所述云处理计算平台接收到采集的信号后，对所述多条星地链路层析云场进行实时重构，得到云场垂直分布情况；

显示平台根据所述云场垂直分布情况进行三维可视化显示。

优选的，根据极轨卫星轨道及地面投影情况，选择所述测量区域，并沿所述极轨卫星轨道方向每隔相同距离架设一个地面卫星接收天线，组成天线阵列。

优选的，根据极轨卫星轨道和云场反演分辨率调整所述地面卫星接收天线的间距，相邻两个地面卫星接收天线间距范围为1km～30km。

优选的，在所述极轨卫星穿过轨道时，所述卫星接收天线在同步控制模块的控制下，同时接收该颗极轨卫星的信号，用于形成所述多条星地链路层析云场。

优选的，对所述多条星地链路层析云场进行实时重构的过程包括：

对所述卫星接收天线回传的卫星信号进行时序同步判读，若判断为偏差1秒以内的同时采样，则进行信号的去噪、滤波和定标处理，同时提取信号接收电平RSL和载噪比SNR特征量；否则，丢弃此次数据。

优选的，基于所述信号接收电平RSL和载噪比SNR特征量得到星地链路的总衰减值；根据所述地面卫星接收天线和极轨卫星的精确位置，计算干性大气的路径损耗；基于所述星地链路的总衰减值与所述干性大气路径损耗，得到每条星地链路的云层衰减，进而得到多条星地链路层析云场总衰减值；

基于所述多条星地链路层析云场建立二维网格，利用线性化方法求解得到垂直云场的含水量二维网格分布。

本发明的有益效果为：

本发明提出的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法，利用广泛分布、成本低廉的地面天线阵列，同步接收极轨卫星下行信号，实现云层二维垂直分布的实时观测，与常规的地基遥感和星基遥感手段相比，无需专门配置大功率发射装置或高成本卫星平台，利用常用的广播卫星天线即可实现大范围监测，具有时空分辨率高、性价比高、覆盖范围广等优势。基于高时空分辨率资料，还可以进行云层的短时预测，与云平台相结合，还能够将实时、动态的云层分布直观展示给各类用户，提高数据的应用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于地面天线阵列的星地链路层析垂直降雨场系统结构示意图；

图2为本发明实施例基于地面天线阵列的星地链路层析垂直降雨场方法的探测原理示意图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如附图1所示，首先给出一种基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统，包括若干卫星接收天线、卫星接收机、同步控制模块、物联网信息传输模块、云处理与计算平台、显示平台。

卫星接收天线，包括抛物面天线或平板天线、机械伺服机构、高频头和馈源，与卫星接收机共同组成一套独立的卫星接收装置，可跟踪接收极轨卫星的C、X、Ku、Ka等波段的下行信号；

同步控制模块将多个卫星天线的伺服机构进行同步，能够根据极轨卫星的星历，实时调整多个卫星天线的方位角和仰角，使多个天线同时接收同一颗极轨卫星的信号。地面卫星接收天线的精确位置(包括经度、纬度和高度)，可以根据北斗或GPS定位得到；极轨卫星的精确位置(包括经度、纬度和高度)，可以根据极轨卫星的精密星历计算得到。同步控制模块同时控制多个卫星天线的伺服机构，能够根据极轨卫星的星历计算各个卫星天线对应的方位角和仰角，然后实时调整多个卫星天线的方向伺服和方位伺服，使多个天线同时接收同一颗极轨卫星的信号。

物联网信息传输模块将卫星接收机采集的信号强度、信号质量等通过无线方式传输至云处理与云计算平台；

云处理与云计算平台对多路采集的卫星信号进行时序匹配，预处理和反演计算，得到云场信息；

显示平台依托云平台，对云场垂直分布进行三维可视化显示，具备实时查看、历史查询与统计等功能。

基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，包括：

步骤1：根据极轨卫星轨道及地面投影情况，选择测量区域，沿极轨卫星轨道方向每隔一定距离架设一个地面卫星接收天线，组成天线阵列，如附图2所示；

步骤2：极轨卫星穿过整个预定轨道的过程中，多个卫星天线在同步控制模块的控制下，同时接收该颗极轨卫星的信号，从而实现多条星地链路层析云场；相邻两个地面天线间距介于1km～30km之间，可根据极轨卫星轨道和云场反演分辨率而调整。

步骤3：卫星接收机以一定的采样间隔，采集接收信号的采样时间、信号强度和信号质量等参量，并实时回传至云处理与云计算平台；卫星信号采样间隔介于1秒～1分钟之间，可根据具体需求进行调整。

步骤4：云处理与云计算平台对云场进行实时重构，具体步骤包括：

步骤4.1：信号同步及预处理

对多个卫星天线回传的卫星信号进行时序同步判读，如果判断为偏差1秒以内的同时采样，进行信号的去噪、滤波和定标处理，提取高精度的信号接收电平(RSL)和载噪比(SNR)等特征量。否则，丢弃此次数据。

步骤4.2：干性大气路径损耗计算

根据地面天线和极轨卫星的精确位置，计算干性大气的路径损耗，计算公式如下：

L_dry＝A_f+A_s+A_gas (1)

其中，L_dry为干性大气对星地链路的总路径损耗，A_f为自由空间损耗，A_s为闪烁衰落，A_gas为气体吸收。可根据国际电信联盟2017版ITU-R recommendation P.618-13建议书计算得到。

假设有M个卫星天线，则可以分别计算得到M条星地链路的干性大气路径损耗：

L_M＝L_dry,1,L_dry,2,…,L_dry,M (2)

步骤4.3：云层衰减与水含量的特征关系拟合

利用T矩阵方法计算云层衰减系数G

其中，Q_ext(D)为直径为D的云滴的消光系数，N(D)为云滴的尺度谱分布，采用两参数的Γ分布来描述，即

式中，a＝(9.781/V⁶W⁵)×10¹⁵，b＝13_.04/VW×10⁴，W为含水量，V为能见度。

由此拟合得到云层衰减系数G与水含量W的幂率关系：

G＝cW^d (5)

其中，c、d为幂率系数，与星地链路频率有关。

步骤4.4：单条星地链路云层衰减提取

以输出的信号接收电平(RSL)和载噪比(SNR)为基础，计算星地链路的总衰减值：

L_total＝f(RSL,SNR) (6)

其中，f为通过理论计算和实测拟合得到的经验公式。

将每条链路的总衰减值减去干性大气路径损耗后，得到单条星地链路的云层衰减：

L_cloud＝L_total-L_M (7)

步骤4.5：多条星地链路层析云场

(1)根据M条星地链路形成的垂直剖面，划分I×J个二维网格；

(2)第N条星地链路的总衰减为链路在各个网格的总和：

其中，w_i,j为第i，j个网格的含水量，l_i,j为链路穿过第i，j个网格的路径长度。

(3)构建I×J个二维网格的层析方程：

(4)利用线性化方法将上述方程组转化为易于求解的线性方程组，求解得到垂直云场的含水量二维网格分布。

步骤5：显示平台根据实时反演得到云场垂直分布，进行三维可视化显示，结合地理信息系统和星地链路分布，实现实时查看、历史查询与统计等功能。

本发明的有益效果为：

本发明提出的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统及方法，利用广泛分布、成本低廉的地面天线阵列，同步接收极轨卫星下行信号，实现云层二维垂直分布的实时观测，与常规的地基遥感和星基遥感手段相比，无需专门配置大功率发射装置或高成本卫星平台，利用常用的广播卫星天线即可实现大范围监测，具有时空分辨率高、性价比高、覆盖范围广等优势。基于高时空分辨率资料，还可以进行云层的短时预测，与云平台相结合，还能够将实时、动态的云层分布直观展示给各类用户，提高数据的应用效果。

虽然上述说明描述了完整的实施例，包括地面天线阵列构建、星地链路同步跟踪扫描、云层衰减特性计算、二维网格构建与层析反演，但并不局限于上述举例。

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统，其特征在于，包括：

若干卫星接收天线、卫星接收机、同步控制模块、物联网信息传输模块、云处理计算平台和显示平台；

其中，所述卫星接收天线用于跟踪接收极轨卫星的下行信号并采集其信号强度和信号质量；所述卫星接收天线与所述卫星接收机共同构成独立的卫星接收装置；

所述同步控制模块用于将所述卫星接收天线的伺服机构进行同步，并控制所述卫星接收天线的方位角和仰角；

所述物联网信息传输模块用于将所述卫星接收天线采集的信号强度和信号质量传输至所述云处理计算平台；

所述云处理计算平台用于对采集的多路卫星信号进行时序匹配、预处理和反演计算，得到云场信息；

所述显示平台用于对云场垂直分布进行三维可视化展示。

2.根据权利要求1所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统，其特征在于，所述卫星接收天线包括抛物面天线或平板天线、机械伺服机构、高频头和馈源。

3.根据权利要求2所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统，其特征在于，所述卫星接收天线中的机械伺服机构能够用于根据极轨卫星的星历，实时调整卫星接收天线的方位角和仰角，使若干卫星接收天线同时接收同一颗极轨卫星的信号。

4.根据权利要求1-3所述的任意一项基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，其特征在于，包括：

选择测量区域，并沿极轨卫星轨道方向架设若干地面卫星接收天线，组成天线阵列；

所述卫星接收天线接收所述极轨卫星穿过轨道时所产生的极轨卫星信号，形成多条星地链路层析云场；

卫星接收机以相同时间间隔采集所述卫星接收天线接收到的信号，并传输至云处理计算平台；当所述云处理计算平台接收到采集的信号后，对所述多条星地链路层析云场进行实时重构，得到云场垂直分布情况；

显示平台根据所述云场垂直分布情况进行三维可视化显示。

5.根据权利要求4所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，其特征在于，根据极轨卫星轨道及地面投影情况，选择所述测量区域，并沿所述极轨卫星轨道方向每隔相同距离架设一个地面卫星接收天线，组成天线阵列。

6.根据权利要求5所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，其特征在于，根据极轨卫星轨道和云场反演分辨率调整所述地面卫星接收天线的间距，相邻两个地面卫星接收天线间距范围为1km～30km。

7.根据权利要求4所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，其特征在于，在所述极轨卫星穿过轨道时，所述卫星接收天线在同步控制模块的控制下，同时接收该颗极轨卫星的信号，用于形成所述多条星地链路层析云场。

8.根据权利要求4所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，其特征在于，对所述多条星地链路层析云场进行实时重构的过程包括：

对所述卫星接收天线回传的卫星信号进行时序同步判读，若判断为偏差1秒以内的同时采样，则进行信号的去噪、滤波和定标处理，同时提取信号接收电平RSL和载噪比SNR特征量；否则，丢弃此次数据。

9.根据权利要求8所述的基于地面天线阵列的星地链路层析垂直云场的系统的使用方法，其特征在于，基于所述信号接收电平RSL和载噪比SNR特征量计算得到星地链路的总衰减值；根据所述地面卫星接收天线和极轨卫星的精确位置，计算干性大气的路径损耗；基于所述星地链路的总衰减值与所述干性大气路径损耗，计算得到每条星地链路的云层衰减，进而得到多条星地链路层析云场总衰减值；

基于所述多条星地链路层析云场建立二维网格，利用线性化方法求解得到垂直云场的含水量二维网格分布。

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