CN113945955A - 基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统 - Google Patents

基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统 Download PDF

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CN113945955A CN202111015047.1A CN202111015047A CN113945955A CN 113945955 A CN113945955 A CN 113945955A CN 202111015047 A CN202111015047 A CN 202111015047A CN 113945955 A CN113945955 A CN 113945955A
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Abstract

本发明公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统，该方法包括：构建电离层改正模型和对流层改正模型；根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟和直射信号的电离层延迟；根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟与直射信号的对流层延迟的差值；解算得到电离层和对流层对测高过程的影响，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。本发明消除了大气延迟误差(电离层和对流层)对测高过程的影响，提高了海面测高精度。

Description

基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统
技术领域
本发明属于卫星测高学、海洋测绘学等交叉技术领域，尤其涉及一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统。
背景技术
海面高度是研究海洋动力学、气象学、大地测量学、地球物理学等领域的基础数据。全球海面高度数据可以用于监测全球气候变化，获取大地水准面，确定大洋环流，反演海洋重力场，建立大洋潮汐模型以及进行中尺度气候模型研究等。监测海平面高度变化具有重要意义。目前，海面高度可以从传统的船测、潮位站到现在中分辨率成像光谱仪、合成孔径雷达、雷达高度计等方法获得。然而，船舶测量和潮汐站模式受限于空间，数据采样方面效率低下，适用于局部观测，无法达到全球海洋覆盖。合成孔径雷达高度计和雷达高度计都只能测量出星下点的目标高度，使用条件较为局限。雷达高度计虽然能获得高精度的全球海面高度，但其缺乏中尺度空间分辨率导致此尺度地表水体信息无法长时间稳定观测到，无法满足当前新型海洋观测的应用需求。
全球导航卫星系统反射遥感(GNSS-R)是新一代测高技术，其利用GNSS信号在海面的反射实现测高。在GNSS导航定位中，在接收直射信号的同时，反射信号作为多路径干扰通常认为有害，需要进行抑制和消除处理。但是，从电磁波传播理论来看，反射信号中携带着反射面的物理特性信息，通过反射信号波形、极化特征、幅值、相位、频率等参量的变化，可以直接反映出反射面的物理特性。因此，对反射信号进行精确估计和接收处理，可以实现对反射面物理特性的估计和反演。基于此理论，1993年，欧空局科学家Martin-Neira首次提出并叙述了利用海面反射信号测高PARIS(passive reflectometry and interferometrysystem)的概念。主要思想是将GPS海面反射波作为测距信号来进行海洋测高。1994年，法国科学家Auber通过飞行试验意外发现接收机可以接收到GPS海面反射信号。美国NASA的兰利研究中心分别在1996年8月6日、8日、27日通过实验得出接收GPS反射信号需要特制接收机的结论。Martin-Neira分别于1997年9月、2001年6月和2003年2月在荷兰进行了PARIS高度计桥Ⅰ、桥Ⅱ、桥Ⅲ试验，分别利用C/A码相关函数延迟和相位测量的方法，验证了GNSS-R测高的可能性。2003年，英国UK-DMC卫星利用搭载的GNSS-R设备成功获得海面粗糙度等地表物理系数。2014年，发射了第一颗GNSS-R卫星(TDS-1)。这些成果激发了众多科研人员对GPS反射信号的兴趣，促使各国开始了对GNSS-R技术的探索与研究，GNSS-R技术得以飞速发展。
GNSS-R作为一种新型有效的双(多)基地雷达无源遥感技术，与传统的遥感技术相比，以其信号源丰富、成本低、覆盖范围广、低功耗、全天候、高实时性等优点，有效地弥补了现有海洋遥感技术的不足。目前，全球导航卫星系统反射遥感技术(GNSS-R)已广泛用于海面测风、海面测高、海冰探测、海洋盐度探测、土壤湿度探测、移动目标探测等领域。其中GNSS-R海面测高技术主要有五种方法，分别是基于码测高、载波相位测高、载波频率变化测高、干涉测高、时延多普勒图(DDM)测高、信噪比测高等。
GNSS-R海面测高的实现依赖于GPS电磁波信号在空间的传输。信号在空间中传播会受到电离层、对流层、多路径等的影响，这些因素作为误差项会影响GPS海面测高精度，因此需要尽可能消除这些误差的影响。电离层在卫星高度计使用的高频段信号上有几十厘米的距离误差，单频高度计在低电子浓度区域还是有用的，随着科研需要，高精度电离层改正是必然要求，而在航天器上搭载双频高度计带来成本和其他的复杂性问题。本发明提出利用GNSS-R技术确定卫星附近的电离层电子密度，并且分析了该技术的可能性。文献研究了利用星载GNSS-R技术研究电离层的可行性，通过模拟实验，结果表明可以使用GNSS双频或者多频信号利用GNSS-R技术估计电离层延迟，利用双频伪距测量和模型预测，得到在1s积分后提高2m测量精度的结果。在电离层探测方面，陈必焰提出一种改进的电离层层析方法，利用地面GPS接收机的观测数据建立区域性电离层模型，内插得到充足的TEC数据，克服经验电离层模型受空间环境影响而失真的缺点。文献提出一种利用DDM反演海洋上空电离层总电子含量的方法。其结果与IRI-2012模型值比较，具有良好的一致性。任晓东基于GPS、GLNOASS、BDS和Galileo四大卫星系统联合MGEX网和IGS网的数据，建立基于多系统GNSS观测数据的电离层模型，并对该模型进行精度分析，结果表明精度与IGS中心发布产品相当，同时提出利用非差模糊度固定技术提取TEC，相较于传统的载波相位平滑伪距，该方法提取的电离层TEC精度显著提高，对未来利用短时段低轨卫星数据提取TEC具有重要价值。在GNSS-R应用的其他研究中，研究人员对大气延迟误差使用模型来进行纠正，分为单频导航接收机使用全球电离层模型改正，例如klobuchar模型，双频导航接收机使用载波相位和伪距码进行线性组合来消除电离层误差，没有系统的研究大气延迟变化规律。张云在机载GNSS-R反射信号测高模型研究中，只从理论上排除了电离层对实验结果的影响，没有深入地给出实际结果。上述实验有的受制于条件，只从模拟角度分析了GNSS-R电离层探测的可能性，有的借助电离层模型来削减大气延迟影响。但众所周知，电离层模型受空间环境变化的影响较大，无法较好反映实际测量情况。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法和系统，旨在消除大气延迟误差(电离层和对流层)对测高过程的影响，提高海面测高精度。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，包括：
构建电离层改正模型和对流层改正模型；
根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000031
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000032
根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000033
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000041
的差值Δρtro；
根据解算得到的
Figure BDA0003240075930000042
和Δρtro，解算得到电离层和对流层对测高过程的影响H；
根据解算得到的H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，电离层和对流层对测高过程的影响H表示如下：
Figure BDA0003240075930000043
其中，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000044
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000045
包括：
通过如下式(2)，解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000046
Figure BDA0003240075930000047
通过如下式(3)，解算得到直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000048
Figure BDA0003240075930000049
其中，f表示GPS信号载波频率，STECr表示反射信号传播路径所包含的电子总含量，STECd表示直射信号传播路径所包含的电子总含量。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA00032400759300000410
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA00032400759300000411
还包括：
通过如下式(4)和式(5)，解算STECr和STECd：
Figure BDA00032400759300000412
Figure BDA0003240075930000051
其中，VTECr表示反射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量，VTECd表示直射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量，Re表示地球半径，h表示电离层单层模型高度，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000052
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000053
还包括：
确定电离层穿刺点；
电离层穿刺点处天顶方向VTEC的表达式如下：
Figure BDA0003240075930000054
其中，
Figure BDA0003240075930000055
表示电离层穿刺点j的VTEC值，
Figure BDA0003240075930000056
表示电离层穿刺点邻近范围电离层格网点i处的VTEC值，dij表示电离层穿刺点j与电离层格网点i之间的距离，DR表示距离阈值。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，电离层穿刺点的坐标
Figure BDA0003240075930000057
求解公式如下：
Figure BDA0003240075930000058
其中，γ表示地心张角，
Figure BDA0003240075930000059
表示穿刺点的经度，λm表示穿刺点的纬度，φn表示接收机的经度，λn表示接收机的纬度，A表示卫星方位角。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA00032400759300000510
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA00032400759300000511
的差值Δρtro，包括：
通过如下式(8)，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000061
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000062
的差值Δρtro：
Figure BDA0003240075930000063
其中，hr表示接收机相对于参考椭球面的高度，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法中，反射信号指：镜面反射点到接收机的GPS信号；直射信号指：GNSS卫星到接收机的GPS信号。
相应的，本发明还公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的系统，包括：
模型构建模块，用于构建电离层改正模型和对流层改正模型；
第一解算模块，用于根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000064
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000065
第二解算模块，用于根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000066
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000067
的差值Δρtro；
第三解算模块，用于根据解算得到的
Figure BDA0003240075930000068
和Δρtro，得到电离层和对流层对测高过程的影响H；
修正模块，用于根据H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。
在上述基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的系统中，电离层和对流层对测高过程的影响H表示如下：
Figure BDA0003240075930000069
其中，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，考虑GNSS-R海面测高过程中的大气延迟误差，通过几何角度算法减弱大气传播延迟对海面测高结果的影响，从而提高了海面测高的精度。
(2)本发明公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，通过实验得出低卫星高度角对测高结果影响较大，在实际应用中应提高卫星截止高度角的结论。
附图说明
图1是本发明实施例中一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种飞行轨迹图；
图3是本发明实施例中一种GNSS-R测高几何路径延迟模型示意图；
图4是本发明实施例中一种全球电离层VTEC分布示意图；
图5是本发明实施例中一种各卫星大气延迟示意图；其中，5(a)为PRN1卫星大气延迟，5(b)为PRN11卫星大气延迟，5(c)为PRN14卫星大气延迟，5(d)为PRN32卫星大气延迟；
图6是本发明实施例中一种星载实验大气延迟结果示意图；其中，6(a)为星载A平台0333时延迟和高度角变化，6(b)为星载B平台0348时延迟和高度角变化，6(c)为星载A平台2048时延迟和高度角变化，6(d)为星载B平台2103时延迟和高度角变化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明从数理角度出发，借助电离层产品并将信号路径细分，从接收机、GPS卫星、镜面反射点三点实际空间变化中研究电离层和对流层对测高精度的影响，探索卫星高度角与误差延迟间的联系，以机载实验为基础，扩展研究星载平台GNSS-R实验中的大气延迟误差，为提高星载GNSS-R测高精度提供可能。
GNSS信号在空间中传播经过电离层和对流层而产生大气延迟，因此，观测到的伪距ρe与实际距离ρp的距离关系为：ρe＝ρp+ρion+ρtro，ρion表示电离层延迟，ρtro表示对流层延迟。进一步的，结合信号传播几何路径，可得电离层和对流层对测高过程的影响H表示如下：
Figure BDA0003240075930000081
其中，
Figure BDA0003240075930000082
表示反射信号的电离层延迟，
Figure BDA0003240075930000083
表示直射信号的电离层延迟，Δρtro表示反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000084
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000085
的差值；反射信号具体可以是指：镜面反射点到接收机的GPS信号；直射信号具体可以是指：GNSS卫星到接收机的GPS信号。
在本实施例中，如图1，该基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，包括：
步骤101，构建电离层改正模型和对流层改正模型。
步骤102，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000086
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000087
电离层是一种弥散性介质，不同频率的电磁波在电离层中的传播路径和速度不同，这种效应称为电离层延迟。对于GNSS信号而言，因电离层折射引起的电磁波传播路径距离差，在垂直梯度方向最大可达50m，在水平梯度方向最大可达150m。电离层在距离地面130～500km的空间中电子含量最多，因此为了方便研究，本发明将电离层看作被压缩的距离地面450km的单层，称为电离层单层模型，电离层单层模型的高度为h。
GPS信号穿过电离层单层模型的交点称为电离层穿刺点。电离层穿刺点的坐标
Figure BDA0003240075930000088
求解公式如下：
Figure BDA0003240075930000091
其中，γ表示地心张角，
Figure BDA0003240075930000092
表示穿刺点的经度，λm表示穿刺点的纬度，φn表示接收机的经度，λn表示接收机的纬度，A表示卫星方位角。
自1988年以来，IGS(International Gnss Services)向全球发布精密产品全球电离层TEC格网图(GIM)，为电离层研究和应用提供了极大帮助。目前向IGS提供GIM产品的IAAC(Ionosphere Associate Analysis Center)有欧洲定轨中心(CODE)、美国喷气推进实验室(JPL)、欧洲航天局(ESA)、西班牙加泰罗尼亚理工大学(UPC)、加拿大自然资源部(NRCan/EMR)、中国科学院(CAS)和武汉大学(WHU)七家IGS电离层分析中心。电离层格网模型是将空间按一定的经纬度划分为若干格网，每个格网的交点称为格网点。目前IGS将全球按经度从-180°～180°以5°为间隔，纬度-87.5°～87.5°以2.5°为间隔划分为5183块格网，通过格网点的VTEC值可以插值得到任何位置的VTEC。相较于其他的电离层模型，GIM可以提供大范围的电离层数据，并且不受基站的环境限制。CODE分析中心的电离层产品精度较高，本发明选用CODE提供的电离层产品。图4给出由CODE提供的GIM产品得到的2015年12月3日10时全球电离层垂直电子浓度总含量VTEC(Vertical Total Electron Content)分布图。本发明使用反距离权重法(IDW)对格网点进行插值，得到电离层穿刺点处的VTEC值，然后通过几何关系计算信号路径方向的电子浓度总含量TEC(Total Electron Content)，即倾斜电子浓度总含量STEC(Slant Total Electron Content),从而得到路径方向的电离层延迟。反距离权重法是根据待求点与周围已知点之间的距离，确定待求点与已知点相关度并确定权重系数大小，来求得待求点属性值的方法。待求点距离已知点越近，所占权重越大。利用反距离权重法，电离层穿刺点处天顶方向VTEC的表达式如下：
Figure BDA0003240075930000101
其中，
Figure BDA0003240075930000102
表示电离层穿刺点j的VTEC值，
Figure BDA0003240075930000103
表示电离层穿刺点邻近范围电离层格网点i处的VTEC值，dij表示电离层穿刺点j与电离层格网点i之间的距离，DR表示距离阈值。
优选的，基于式(6)和式(7)，可以解算得到反射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量VTECr和直射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量VTECd。
进一步的，可以通过如下式(4)和式(5)，解算STECr和STECd：
Figure BDA0003240075930000104
Figure BDA0003240075930000105
其中，Re表示地球半径，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
本发明研究GNSS-R海面测高过程中大气延迟对测高精度的影响，通过对IGS(International Gnss Services)提供的全球电离层TEC格网图(GIM)进行内插，得到电离层穿刺点处的VTEC，然后通过投影函数转换为路径方向STEC，最后通过通过如下式(2)和式(3)，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000106
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000107
Figure BDA0003240075930000108
Figure BDA0003240075930000109
其中，f表示GPS信号载波频率，STECr表示反射信号传播路径所包含的电子总含量，STECd表示直射信号传播路径所包含的电子总含量。
步骤103，根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA00032400759300001010
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000111
的差值Δρtro。
在本实施例中，从地面到60km左右高度范围为地球的大气层，电磁波通过大气层时，由于介质密度的变化，导致信号传播发生延迟，其中80％左右的大气延迟发生在对流层，称为对流层延迟。根据空气中分子气体的不同可以将对流层延迟分为湿延迟和流体静力学延迟，流体静力学主要与地面大气压和温度有关，又称为干延迟，占总延迟的90％，湿延迟与传播路径的大气湿度和高度有关，在GNSS-R实验中，主要考虑干延迟分量。
优选的，可以通过如下式(8)，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000112
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000113
的差值Δρtro：
Figure BDA0003240075930000114
其中，hr表示接收机相对于参考椭球面的高度。
步骤104，根据解算得到的
Figure BDA0003240075930000115
和Δρtro，解算得到电离层和对流层对测高过程的影响H。
在本实施例中，联立上述公式(1)～(8)，即可解算得到电离层和对流层对测高过程的影响H。
步骤105，根据解算得到的H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。
在上述实施例的基础上，下面结合具体使用的实验数据、验证与结果，对该基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法进行进一步说明。
实验数据
(1)机载GNSS-R海面测高实验数据
本次机载实验数据由在芬兰波罗的海进行的机载实验采集。本次机载实验信号采样速率为80MHz。实验期间飞机飞行高度约3km，飞行速度约50m/s，收集直射信号的天线(RHCP，右手圆极化)指向天顶，收集反射信号的天线(LHCP，左手圆极化)指向地面，直射信号和反射信号各通过八个元件的天线阵列获取，信号通过射频模块下变频到35MHz的中频信号后以80MHz的速率进行1bit量化和存储。仪器控制和数据记录系统由一台运行Linux的工业计算机组成，飞机转弯时关闭原始数据记录，无法对间隔期间收集的信号进行频谱分析。
机载实验数据时间段全球定位系统(Global Positioning System，GPS)时间为384702～386364s，为了避免飞机转向所造成的影响，去除飞机转向时间段385121～385542s，只选取飞机直线飞行时的数据作为本次实验分析数据，飞机飞行轨迹如图2所示，飞行高度变化如图3所示。选取伪随机噪声码(Pseudo Random Noise code，PRN)1号、11号、19号、32号卫星作为信号源。
(2)星载GNSS-R海面测高数据
星载实验数据为2019年6月27日星载GNSS-R测高数据产品，卫星轨道高度为580km。选取该天不同时段不同星载平台数据加以分析，所选数据创建时间分别为星载A平台协调世界时(UTC)2019年6月27日3时33分、20时48分，星载B平台协调世界时(UTC)2019年6月27日3时48分、21时03分。
验证与结果
(1)机载实验修正结果
机载GNSS-R海面测高实验中，可将信号的空间过程切分为三个部分。第一部分为信号在GPS卫星与机载接收机间路径，即直射信号传输路径，信号在传输过程中穿过电离层与对流层，受到电离层延迟和对流层延迟；第二部分为信号在GPS卫星与镜面反射点间路径，该过程信号同样穿过电离层和对流层；第三部分为信号在机载接收机与镜面反射点间路径，由于飞机飞行高度只有约3km，所以这一过程中信号未经过电离层，只考虑对流层的影响，如图5所示。
(2)星载实验修正结果
星载GNSSS-R测高实验中，电磁波信号的传输路径同机载实验中一致，区别在于星载实验中，因接收机搭载于580km高运行的卫星上，直射信号只穿过电离层，不受对流层影响，反射信号不仅穿过电离层，而且也穿过对流层。如图6所示，分别为上述各时间段实验中，信号所受到的大气延迟及其与镜面反射点处卫星高度角之间的关系。
(3)讨论
通过分析六颗卫星做为观测卫星得到的信号延迟结果，可以明显发现在机载平台GNSS-R测高实验中，由于平台高度相对电离层高度过低，在接收机处及镜面反射点处的高度角十分接近，信号穿过电离层的路径相似度高，以致电离层对信号的延迟影响可以相互抵消，最终对测高结果的影响可以忽略不计，对流层对信号产生米级的延迟，必须进行修正。本发明以平均绝对误差(MAE)及其标准偏差(STD)作为实验的评估标准，同时计算该时段对流层延迟对测高结果的影响平均值，用mean表示：
Figure BDA0003240075930000131
Figure BDA0003240075930000132
Figure BDA0003240075930000133
其中，
Figure BDA0003240075930000134
表示对流层延迟值；xa表示对流层延迟平均值，作为参考值。
在低仰角的情况下，信号受到的对流层影响相对较大，所得对流层结果离散度高，反演海面高度结果比较不稳定；高仰角情况下，信号所受对流层影响较小，通过计算得到的对流层结果离散度低，通过平均化处理，可以消除对流层对测高结果的影响，达到亚米级精度。
对于星载实验结果，本发明将镜面反射点高度角每隔10°划分，统计计算每部分大气延迟对测高误差的平均值，其中电离层影响平均值为Iono_mean，对流层影响平均值为Tro_mean。
张秋阳分析星载GNSS-R实验中全球八个不同区域相应的电离层延迟测量值，结果显示在米级精度，其中与本实验地点相近处电离层延迟结果在约6m波动。张云在实验中使用国际参考电离层模型对星载GNSS-R测高实验进行电离层纠正，其延迟误差约15m。本发明通过研究星载GNSS-R实验六个时段数据，结果发现星载平台GNSS-R测高受电离层与对流层影响较大，是提高测高精度必须考虑的误差项。同机载实验相同，反射信号入射角即镜面反射点处高度角越大，大气延迟越小。如图6所示，对流层延迟在10～20m间变化，电离层延迟一般不超过6m。通过对大气延迟误差修正，最终可将GNSS-R海面测高精度提高5～7m。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的系统，包括：模型构建模块，用于构建电离层改正模型和对流层改正模型；第一解算模块，用于根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000141
和直射信号的电离层延迟
Figure BDA0003240075930000142
第二解算模块，用于根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000143
与直射信号的对流层延迟
Figure BDA0003240075930000144
的差值Δρtro；第三解算模块，用于根据解算得到的
Figure BDA0003240075930000145
和Δρtro，得到电离层和对流层对测高过程的影响H；修正模块，用于根据H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，包括：
构建电离层改正模型和对流层改正模型；
根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000011
和直射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000012
根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure FDA0003240075920000013
与直射信号的对流层延迟
Figure FDA0003240075920000014
的差值Δρtro；
根据解算得到的
Figure FDA0003240075920000015
和Δρtro，解算得到电离层和对流层对测高过程的影响H；
根据解算得到的H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。
2.根据权利要求1所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，电离层和对流层对测高过程的影响H表示如下：
Figure FDA0003240075920000016
其中，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
3.根据权利要求1所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000017
和直射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000018
包括：
通过如下式(2)，解算得到反射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000019
Figure FDA00032400759200000110
通过如下式(3)，解算得到直射信号的电离层延迟
Figure FDA00032400759200000111
Figure FDA00032400759200000112
其中，f表示GPS信号载波频率，STECr表示反射信号传播路径所包含的电子总含量，STECd表示直射信号传播路径所包含的电子总含量。
4.根据权利要求3所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000021
和直射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000022
还包括：
通过如下式(4)和式(5)，解算STECr和STECd：
Figure FDA0003240075920000023
Figure FDA0003240075920000024
其中，VTECr表示反射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量，VTECd表示直射信号传播路径垂直方向所包含的电子含量，Re表示地球半径，h表示电离层单层模型高度，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
5.根据权利要求4所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000025
和直射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000026
还包括：
确定电离层穿刺点；
电离层穿刺点处天顶方向VTEC的表达式如下：
Figure FDA0003240075920000027
其中，
Figure FDA0003240075920000028
表示电离层穿刺点j的VTEC值，
Figure FDA0003240075920000029
表示电离层穿刺点邻近范围电离层格网点i处的VTEC值，dij表示电离层穿刺点j与电离层格网点i之间的距离，DR表示距离阈值。
6.根据权利要求5所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，电离层穿刺点的坐标
Figure FDA00032400759200000210
求解公式如下：
Figure FDA0003240075920000031
其中，γ表示地心张角，
Figure FDA0003240075920000032
表示穿刺点的经度，λm表示穿刺点的纬度，φn表示接收机的经度，λn表示接收机的纬度，A表示卫星方位角。
7.根据权利要求1所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure FDA0003240075920000033
与直射信号的对流层延迟
Figure FDA0003240075920000034
的差值Δρtro，包括：
通过如下式(8)，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure FDA0003240075920000035
与直射信号的对流层延迟
Figure FDA0003240075920000036
的差值Δρtro：
Figure FDA0003240075920000037
其中，hr表示接收机相对于参考椭球面的高度，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
8.根据权利要求1所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的方法，其特征在于，反射信号指：镜面反射点到接收机的GPS信号；直射信号指：GNSS卫星到接收机的GPS信号。
9.一种基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建电离层改正模型和对流层改正模型；
第一解算模块，用于根据电离层改正模型，分别解算得到反射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000038
和直射信号的电离层延迟
Figure FDA0003240075920000039
第二解算模块，用于根据对流层改正模型，解算得到反射信号的对流层延迟
Figure FDA00032400759200000310
与直射信号的对流层延迟
Figure FDA00032400759200000311
的差值Δρtro；
第三解算模块，用于根据解算得到的
Figure FDA0003240075920000041
和Δρtro，得到电离层和对流层对测高过程的影响H；
修正模块，用于根据H，对反演得到的海面高度进行修正并输出，以提高海面测高精度。
10.根据权利要求9所述的基于大气延迟误差修正提高海面测高精度的系统，其特征在于，电离层和对流层对测高过程的影响H表示如下：
Figure FDA0003240075920000042
其中，θ表示镜面反射点处的GNSS卫星高度角。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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