CN114355421A - 一种基于北斗卫星l4和cmc组合观测值洪水探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要提供一种基于北斗导航系统卫星L4和CMC组合观测值的洪水探测方法，该方法既能够有效克服低端接收机不输出载噪比观测值而导致基于北斗卫星载噪比的洪水探测法失效的问题，同时又通过双组合观测值联合探测提高了洪水探测的成功率和准确率。因为地面积水会导致北斗信号产生严重的多径信号，而多径信号会直接影响L4和CMC组合观测值，其中L4组合观测值直接受北斗卫星载波信号的多径影响，CMC组合观测值直接受北斗卫星伪距信号的多径影响。因此，可以利用L4和CMC组合观测值对洪水进行联合探测。

Description

一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法

技术领域

本发明描述了一种基于北斗卫星L4(双频无几何线性组合，geometry-freelinear combination，简称L4)和CMC(码相位组合，code-minus-carrier combination，简称CMC)组合观测值的洪水探测方法，属于导航卫星遥感反演技术领域。

背景技术

近年来，极端强降雨导致的局部洪水泛滥或城市内涝等灾害频繁发生，比如发生在2021年7月20日的河南郑州城市洪水内涝以及10月5日发生在山西晋中的洪水灾害，给当地人民群众的生命安全和经济发展带来了极大的影响。因此，如何快速精准及时的对洪水进行探测和监控，为政府和洪水防控主管部门提供有力支持，从而最大程度保障人民的生命安全和经济建设，是当前亟待解决的问题之一。

目前，针对洪水的探测方法主要分为三种：1)基于地面观测的雨量监测站。2)基于遥感卫星反演的雷达站。3)基于导航卫星载噪比观测值的洪水探测。然而，基于地面雨量观测站的方法受覆盖范围小，站点分布不均匀的影响，导致洪水探测时空分辨率小，探测精度低等问题。而基于遥感卫星的雷达站可以提供较高的时空分辨率，但观测站建设用地面积广，建设周期长，且硬件成本高，还需要专用的接收设备，因此导致成本较大，也不利于在城市人口密集区进行设站观测。尽管基于导航卫星系统的洪水探测方法可以较好的解决上述两种方法存在的问题，但目前基于导航系统卫星的洪水探测方法主要是基于载噪比观测值的洪水探测。然而，大多数低端接收机并不提供载噪比数据，且不同接收机类型所提供的载噪比观测值也有较大差异，导致该方法受接收机硬件影响较大。因此，研究利用低成本导航卫星接收机，仅提供伪距和载波观测值即可进行洪水探测的方法尤为重要，不仅可以有效提高洪水探测时空分辨率，节约硬件成本和建设周期，同时可以大幅提升北斗导航系统卫星的应用范围，为洪水灾害预防提供强有力的支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗L4和CMC组合观测值的洪水探测方法，该方法能够利用现有北斗导航系统卫星和低成本的接收机对洪水进行有效探测，既可以大幅提高洪水探测的时空分辨率和探测精度，同时又可以解决低端接收机不提供载噪比观测值而导致基于载噪比的洪水探测法失效等问题。通过采用基于小波变换去噪模型对L4和CMC组合观测值进行滤波去噪处理，滤除掉高频随机噪声误差，提高L4和CMC组合观测值精度。同时采用基于自适应滑动窗口模型对两种组合观测值进行平滑，滤除掉固定常量，得到精确的L4和CMC组合观测值残差。采用分轨道类型分卫星分频率对L4和CMC组合观测值进行建模，并按高度角和方位角进行排序，便于后续洪水探测搜索比对。最终建立基于L4和CMC组合观测值的洪水探测模型。联合两种组合观测值对洪水进行比对探测，若对比结果超过阈值，则进行标记。若小于探测阈值，则将新的数据对探测模型进行更新迭代。因此，本发明可以满足任意情形下的洪水探测，解决现有方法时空分辨率低和低端接收机不提供载噪比观测值而导致基于载噪比的洪水探测法失效等问题。

本发明提出一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，包括以下步骤：

步骤1，建立探测模型；

步骤1-1，提取北斗导航系统卫星原始观测值，包括伪距、载波相位观测值，并计算卫星相应的高度角，方位角信息；

步骤1-2，基于伪距和载波相位观测值分别计算L4和CMC组合观测值；

步骤1-3，对L4和CMC组合观测值进行去噪处理，保证L4和CMC组合观测值的精度；

步骤1-4，按照高度角方位角有序分类存储，建立基于L4和CMC组合观测值的洪水探测模型；

步骤2，使用基于L4组合观测值的洪水探测法探测；

步骤3，使用基于CMC组合观测值的洪水探测法探测；

步骤4，结合步骤2和步骤3的探测结果分析处理，若两种算法都存在标记，则认为存在洪水危险，需进行洪水预警处理；若只有一种情况出现标记，则更新原有探测模型，提高原有模型探测精度和准确率。

作为优选，所述的步骤1-2的计算模型如下：

L4≡L1-L2 (1)

其中，L1和L2分别代表北斗B1和B2频段的载波相位观测值；CMC组合观测值计算模型表示如下：

CMC＝P-λφ＝ρ+c(δt_r-δt^s)+I+T+λN+M+ε (2)

其中，P为北斗卫星B1频段的伪距观测值，λ是B1频段的波长，φ表示B1频段的载波相位观测值；p代表卫星与接收机之间的几何距离，δt_r和δt^s分别是接收机的钟差和卫星的钟差，c代表是光速；I代表的是电离层延迟，T代表的是对流层延迟影响；N即为载波模糊度参数，若不发生周跳的情况下，该参数不变；M和ε分别为伪距多径和随机噪声。

作为优选，所述的步骤1-3，采用基于小波变换去噪模型对步骤2中生成的L4和CMC组合观测值进行去噪处理，滤除高频随机噪声，包括以下子步骤：

子步骤1-3-1，选取小波变换母基函数，构建二进离散正交小波变换函数，公式如下所示：

ψ_j,k(t)＝a^-j/2ψ(a^-jt-kb) (3)

其中，a和b分别是尺度参数和平移参数；j是系数因子，k是转换参数；同时，离散小波变换系数可以定义为：

上式中，x(t)是待变换信号，ψ(t)是小波函数；

子步骤1-3-2，选取去噪阈值策略,采用基于高度角约束的自适应阈值策略进行去噪，公式如下所示：

式中，E表示当前去噪数据平均高度角；N_J是当前分解层的数据长度，J是当前分解层数；σ_J是当前分解层待分解信号的噪声标准差，通过公式σ_J＝median{|N_J|}/0.6745计算；

子步骤1-3-3，对去噪后的小波系数进行信号重构，输出去噪后的观测值；重构公式表示如下：

通过上述过程，可以滤除高频随机噪声对L4和CMC组合观测值的影响，提取精确的L4和CMC组合观测值。

作为优选，所述的步骤2和步骤3均使用自适应滑动窗口模型滤除固定常量，自适应滑动窗口模型包括以下子步骤：

子步骤3-1，在高度角由0度到30度的上升阶段，选择窗口前向后向联合平滑；

子步骤3-2，当卫星高度角大于30度时，此阶段选择前向窗口平滑模式；

子步骤3-3，在高度角由30度到0度的下降阶段，此时采用后向滑动窗口进行滤波去噪。

作为优选，自适应滑动窗口模型的窗口长度以10度为准。

作为优选，所述的步骤2包括以下子步骤：

子步骤2-1，根据原始伪距和载波相位观测值计算当前探测日的L4组合观测值，得到当前历元时刻的L4组合观测值；

子步骤2-2，滤除高频噪声和固定常量，得到精确的L4组合观测值残差；

子步骤2-3，将此刻的L4组合观测值残差与步骤1的模型进行对比，选取对比参考基准为该历元时刻卫星的高度角和方位角；

子步骤2-4，若差值大于设定阈值，则进行洪水标记，若没有则不标记，并输出结果。

作为优选，所述的子步骤2-4的阈值为上升偏差达0.5cm。

作为优选，所述的步骤3包括以下子步骤：

子步骤3-1，根据原始伪距和载波相位观测值计算当前探测日的CMC组合观测值，得到当前历元时刻的CMC组合观测值；

子步骤3-2，滤除高频噪声和固定常量，得到精确的CMC组合观测值；

子步骤3-3，将此刻的CMC组合观测值残差与步骤1的模型进行对比，选取对比参考基准为该历元时刻卫星的高度角和方位角；

子步骤3-4，若差值大于设定阈值，则进行洪水标记，若没有则不标记，并输出结果。

作为优选，所述的子步骤3-4的阈值为上升偏差达0.2m。

本发明主要提供一种基于北斗导航系统卫星L4和CMC组合观测值的洪水探测方法，该方法既能够有效克服低端接收机不输出载噪比观测值而导致基于北斗卫星载噪比的洪水探测法失效的问题，同时又通过双组合观测值联合探测提高了洪水探测的成功率和准确率。因为地面积水会导致北斗信号产生严重的多径信号，而多径信号会直接影响L4和CMC组合观测值，其中L4组合观测值直接受北斗卫星载波信号的多径影响，CMC组合观测值直接受北斗卫星伪距信号的多径影响。因此，可以利用L4和CMC组合观测值对洪水进行联合探测。利用小波变换模型对两种组合观测值进行去噪，滤除掉高频随机噪声，降低洪水探测量的误差。基于自适应滑动窗口模型对两种组合观测值进行平滑，滤除掉固定常量，得到精确的L4和CMC组合观测值残差。采用分轨道类型分卫星分频率对L4和CMC组合观测值残差进行建模，并按高度角和方位角进行存储排序，便于后续洪水探测对比搜索。计算探测日的L4和CMC组合观测值残差，并与建立起来的探测模型进行比对，若超过设定阈值，则进行标记。通过本方法，不仅可以利用现有的北斗导航卫星提高洪水探测的时空分辨率和探测精度，同时可以解决低端接收机不提供载噪比观测值而导致基于载噪比的洪水探测法失效等问题。

与现有技术相比，本发明充分利用现有北斗导航系统卫星对进行洪水探测，解决现有方法时空分辨率低和低端接收机不提供载噪比观测值而导致基于载噪比的洪水探测法失效等问题。采用低成本的大地测量型接收机和利用已经建成的北斗导航系统卫星进行洪水探测，不仅比基于传统地面观测站洪水探测法有更高的时空分辨率，同时也可以节约硬件成本。考虑高频随机澡声对L4和CMC组合观测值的影响，采用基于小波变换去噪模型对L4和CMC组合观测者进行滤波去噪，可有效地降低L4和CMC组合观测值的误差水平，提高后续洪水探测模型的精度。同时，采用自适应滑动窗口模型对L4和CMC组合观测值进行平滑处理，滤除其中的固定常量部分，消除该部分对洪水探测的影响，保留精确的L4和CMC组合观测值残差，提高后续洪水探测的成功率。根据北斗卫星轨道类型分卫星分频率对L4和CMC组合观测值残差进行建模，并按高度角和方位角进行排序。最后，联合两种探测算法的探测结果对洪水进行预测，同时利用新的数据对探测模型进行更新迭代，保证模型的探测精度。

附图说明

图1基于北斗卫星L4和CMC组合观测值的洪水探测算法流程图；

图2基于L4组合观测值的洪水探测算法流程图；

图3基于CMC组合观测值的洪水探测算法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1

步骤1：提取北斗导航系统卫星原始观测值，包括伪距、载波相位观测值，并计算卫星相应的高度角，方位角等信息。

步骤2：基于伪距和载波相位观测值分别计算L4和CMC组合观测值。L4组合观测值计算模型如下：

L4≡L1-L2 (1)

其中，L1和L2分别代表北斗B1和B2频段的载波相位观测值。CMC组合观测值计算模型表示如下：

CMC＝P-λφ＝ρ+c(δt_r-δt^s)+I+T+λN+M+ε (2)

其中，P为北斗卫星B1频段的伪距观测值，λ是B1频段的波长，φ表示B1频段的载波相位观测值。p代表卫星与接收机之间的几何距离，δt_r和δt^s分别是接收机的钟差和卫星的钟差，c代表是光速。I代表的是电离层延迟，T代表的是对流层延迟影响。N即为载波模糊度参数，若不发生周跳的情况下，该参数不变。M和ε分别为伪距多径和随机噪声。

步骤3：采用基于小波变换去噪模型对步骤2中生成的L4和CMC组合观测值进行去噪处理，滤除高频随机噪声，保证L4和CMC组合观测值的精度。该步算法主要有三部分组成：1)选取合适的小波变换母基函数，考虑到信号特征，这里构建二进离散正交小波变换函数，公式如下所示：

ψ_j,k(t)＝a^-j/2ψ(a^-jt-kb) (3)

其中，a和b分别是尺度参数和平移参数。j是系数因子，k是转换参数。同时，离散小波变换系数可以定义为：

上式中，x(t)是待变换信号，ψ(t)是小波函数。

2)选取合适的去噪阈值策略。考虑到小波变换去噪主要依赖于阈值的选择，而信号的噪声与卫星高度角的关联性很强，因此采用基于高度角约束的自适应阈值策略进行去噪，公式如下所示：

式中，E表示当前去噪数据平均高度角。N_J是当前分解层的数据长度，J是当前分解层数。σ_J是当前分解层待分解信号的噪声标准差，通过公式σ_J＝median{|N_J|}/0.6745计算。

3)对去噪后的小波系数进行信号重构，输出去噪后的观测值。重构公式表示如下：

通过上述过程，可以滤除高频随机噪声对L4和CMC组合观测值的影响，提取精确的L4和CMC组合观测值。

步骤4：采用基于自适应滑动窗口模型滤除固定常量，消除固定常量对L4和CMC组合观测值的影响，得到精确的L4和CMC组合观测值残差。该步算法主要有三部分组成：1)在高度角由0度到30度的上升阶段，因该阶段高度角较低，卫星信号受环境影响大，噪声误差偏大，因此这段应选择前向后向联合平滑。且为了提高这段的平滑精度，窗口长度不宜过长，否则会导致误差偏大。因此窗口长度应选取高度角十度以内进行平滑，比如当高度角在5度时，选取0-10度内的数据进行平滑，这样可以提高这组数据内的平滑精度，不将该阶段的噪声传递给下一平滑段。由于低于5度时的数据受噪声影响较大，因此这里只选取大于5度时的数据进行处理。2)当卫星高度角大于30度时，此阶段应选择前向(即数据向前取)窗口平滑模式。因这阶段卫星高度角较高，受噪声影响小，为了避免低高度角数据对这段数据的影响，因此此时只选取前向数据进行平滑，保证该阶段内的数据精度，窗口长度也以10度为准。比如，假设此时高度角为30度，则应取高度角为30-40内的数据进行平滑。3)在高度角由30度到0度的下降阶段，此时采用后向滑动窗口进行滤波去噪。因为此阶段后向数据精度较高，因此采用后向(即数据向后取)滑动模型提高该阶段的数据精度，其窗口长度选择按上面描述选取，窗口长度也以10度为准。比如，假设此时高度角为20度，则应取高度角为30-20内的数据进行平滑。

步骤5：采用分轨道类型分卫星分频率对L4和CMC组合观测值残差进行建模，并按照高度角方位角有序分类存储，便于后续洪水探测比对，最终建立基于L4和CMC组合观测值的洪水探测模型。注意：这里仅选取非雨天时的数据进行建模。

步骤6：采用基于L4组合观测值对洪水进行探测。该步算法主要有三部分组成：1)根据原始伪距和载波相位观测值计算当前探测日的L4组合观测值，其计算过程如公式(1)描述相同，得到当前历元时刻的L4组合观测值。并分别采用步骤3和步骤4所描述方法滤除高频噪声和固定常量，得到精确的L4组合观测值残差。2)将此刻的L4组合观测值残差与步骤5中建立的L4组合观测值洪水探测模型进行对比，选取对比参考基准主要为该历元时刻卫星的高度角和方位角。若差值大于设定阈值，则进行洪水标记，若没有则不标记。阈值根据经验模型得到，通常认为L4组合观测值平均上升偏差达0.5cm则表明存在洪水强相关。注意：该经验模型随环境改变，因此具体的阈值模型也需要根据测站环境更新。3)将探测结果输出。

步骤7：采用基于CMC组合观测值对洪水进行探测。该步算法主要有三部分组成：1)根据原始伪距和载波相位观测值计算当前探测日的CMC组合观测值，其计算过程如公式(2)描述相同，得到当前历元时刻的CMC组合观测值。并分别采用步骤3和步骤4所描述方法滤除高频噪声和固定常量，得到精确的CMC组合观测值残差。2)将此刻的CMC组合观测值残差与步骤5中建立的CMC组合观测值洪水探测模型进行对比，选取对比参考基准为该历元时刻卫星的高度角和方位角。若差值大于设定阈值，则进行洪水标记，若没有则不标记。阈值根据经验模型得到，通常认为CMC组合观测值平均上升偏差达0.5cm则表明存在洪水强相关。注意：该经验模型随环境改变，因此具体的阈值模型也需要根据测站环境更新。3)将探测结果输出。

步骤8：将经过两种算法的洪水探测结果进行处理，若两种算法都存在标记，则认为存在洪水危险，需进行洪水预警处理。若只有一种情况出现标记，则更新原有探测模型，提高原有模型探测精度和准确率。

Claims (9)

1.一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立探测模型；

步骤1-1，提取北斗导航系统卫星原始观测值，包括伪距、载波相位观测值，并计算卫星相应的高度角，方位角信息；

步骤1-2，基于伪距和载波相位观测值分别计算L4和CMC组合观测值；

步骤1-3，对L4和CMC组合观测值进行去噪处理，保证L4和CMC组合观测值的精度；

步骤1-4，按照高度角方位角有序分类存储，建立基于L4和CMC组合观测值的洪水探测模型；

步骤2，使用基于L4组合观测值的洪水探测法探测；

步骤3，使用基于CMC组合观测值的洪水探测法探测；

步骤4，结合步骤2和步骤3的探测结果分析处理，若两种算法都存在标记，则认为存在洪水危险，需进行洪水预警处理；若只有一种情况出现标记，则更新原有探测模型，提高原有模型探测精度和准确率。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的步骤1-2的计算模型如下：

L4≡L1-L2 (1)

其中，L1和L2分别代表北斗B1和B2频段的载波相位观测值；CMC组合观测值计算模型表示如下：

CMC＝P-λφ＝ρ+c(δt_r-δt^s)+I+T+λN+M+ε (2)

其中，P为北斗卫星B1频段的伪距观测值，λ是B1频段的波长，φ表示B1频段的载波相位观测值；p代表卫星与接收机之间的几何距离，δt_r和δt^s分别是接收机的钟差和卫星的钟差，c代表是光速；I代表的是电离层延迟，T代表的是对流层延迟影响；N即为载波模糊度参数，若不发生周跳的情况下，该参数不变；M和ε分别为伪距多径和随机噪声。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的步骤1-3，采用基于小波变换去噪模型对步骤2中生成的L4和CMC组合观测值进行去噪处理，滤除高频随机噪声，包括以下子步骤：

子步骤1-3-1，选取小波变换母基函数，构建二进离散正交小波变换函数，公式如下所示：

ψ_j,k(t)＝a^-j/2ψ(a^-jt-kb) (3)

其中，a和b分别是尺度参数和平移参数；j是系数因子，k是转换参数；同时，离散小波变换系数可以定义为：

上式中，x(t)是待变换信号，ψ(t)是小波函数；

子步骤1-3-2，选取去噪阈值策略,采用基于高度角约束的自适应阈值策略进行去噪，公式如下所示：

式中，E表示当前去噪数据平均高度角；N_J是当前分解层的数据长度，J是当前分解层数；σ_J是当前分解层待分解信号的噪声标准差，通过公式σ_J＝median{|N_J|}/0.6745计算；

子步骤1-3-3，对去噪后的小波系数进行信号重构，输出去噪后的观测值；重构公式表示如下：

通过上述过程，可以滤除高频随机噪声对L4和CMC组合观测值的影响，提取精确的L4和CMC组合观测值。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的步骤2和步骤3均使用自适应滑动窗口模型滤除固定常量，自适应滑动窗口模型包括以下子步骤：

子步骤3-1，在高度角由0度到30度的上升阶段，选择窗口前向后向联合平滑；

子步骤3-2，当卫星高度角大于30度时，此阶段选择前向窗口平滑模式；

子步骤3-3，在高度角由30度到0度的下降阶段，此时采用后向滑动窗口进行滤波去噪。

5.根据权利要求4所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，自适应滑动窗口模型的窗口长度以10度为准。

6.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的步骤2包括以下子步骤：

子步骤2-1，根据原始伪距和载波相位观测值计算当前探测日的L4组合观测值，得到当前历元时刻的L4组合观测值；

子步骤2-2，滤除高频噪声和固定常量，得到精确的L4组合观测值残差；

子步骤2-3，将此刻的L4组合观测值残差与步骤1的模型进行对比，选取对比参考基准为该历元时刻卫星的高度角和方位角；

子步骤2-4，若差值大于设定阈值，则进行洪水标记，若没有则不标记，并输出结果。

7.根据权利要求6所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的子步骤2-4的阈值为L4组合观测值上升偏差达0.5cm,CMC组合观测值上升偏差达0.2m。

8.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下子步骤：

子步骤3-1，根据原始伪距和载波相位观测值计算当前探测日的CMC组合观测值，得到当前历元时刻的CMC组合观测值；

子步骤3-2，滤除高频噪声和固定常量，得到精确的CMC组合观测值；

子步骤3-3，将此刻的CMC组合观测值残差与步骤1的模型进行对比，选取对比参考基准为该历元时刻卫星的高度角和方位角；

子步骤3-4，若差值大于设定阈值，则进行洪水标记，若没有则不标记，并输出结果。

9.根据权利要求7所述的一种基于北斗卫星L4和CMC组合观测值洪水探测方法，其特征在于，所述的子步骤3-4的阈值为L4组合观测值上升偏差达0.5cm,CMC组合观测值上升偏差达0.2m。

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