CN116699666A - 星下点观测的星载gnss-r海面风场反演方法及系统 - Google Patents

星下点观测的星载gnss-r海面风场反演方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星下点观测的星载GNSS‑R海面风场反演方法及系统，涉及海面风矢量探测技术领域，方法包括：建立星载环境下的坐标系；其中，坐标系的原点位于镜面反射点；坐标系的Z轴指向镜面反射点切平面的法向；导航卫星与GNSS‑R接收卫星均位于坐标系YOZ平面的Z轴正半轴侧；导航卫星位于坐标系的Y轴正半轴侧，GNSS‑R接收卫星位于坐标系的Y轴负半轴侧；在坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量，并计算海面风矢量的数值解，具有反演精度高，算法复杂度低等特点。

Description

星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法及系统
技术领域
本发明涉及海面风矢量探测技术领域，特别是涉及一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法及系统。
背景技术
海洋动力灾害是对全球沿海各国危害最大的自然灾害。因此，准确探测海面风矢量对海洋动力灾害的预报预警起着至关重要的作用，传统的海面风矢量星载探测手段主要包括辐射计、高度计和散射计等，具有设备较复杂、成本较高等特点，不适合大规模卫星组网遥感探测，因此其空间覆盖性和时间分辨率较低。
全球导航卫星系统反射信号(Global Navigation Satellite SystemReflectometry，GANN-R)技术通过采用岸基、机载以及空载的特殊接受设备接受GNSS直射信号和以及经反射面反射的GNSS反射信号，对GNSS直射信号和GNSS反射信号进行处理来反演目标物的特性。目前星载GNSS-R应用较为广泛，但尚未见星载GNSS-R海面风矢量直接反演的相关研究论述。
发明内容
本发明的目的是提供一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法及系统，可利用三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号，反演得到海面风矢量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，包括：
建立星载环境下的坐标系；所述坐标系的原点位于镜面反射点；所述坐标系的Z轴指向镜面反射点切平面的法向；其中，导航卫星与GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的YOZ平面，且所述导航卫星与所述GNSS-R接收卫星均位于所述坐标系的Z轴正半轴侧；所述导航卫星位于所述坐标系的Y轴正半轴侧，所述GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的Y轴负半轴侧；
在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量；
计算所述海面风矢量的数值解。
本发明还提供了一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统，包括：
坐标系构建模块，用于建立星载环境下的坐标系；所述坐标系的原点位于镜面反射点；所述坐标系的Z轴指向镜面反射点切平面的法向；其中，导航卫星与GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的YOZ平面，且所述导航卫星与所述GNSS-R接收卫星均位于所述坐标系的Z轴正半轴侧；所述导航卫星位于所述坐标系的Y轴正半轴侧，所述GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的Y轴负半轴侧；
海面风矢量计算模块，用于在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量；
数值解计算模块，用于计算所述海面风矢量的数值解。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
一、提供了一种基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，可直接利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风矢量（即海面风速和海面风向），反演精度高，算法复杂度低。
二、观测几何关系的对称性和海浪谱的对称性导致海面风向有四个模糊解，在多星观测中可以消除观测几何关系导致的模糊解，将海面风向模糊解由四个降为两个，即增加导航卫星的数量可以消除观测对称性导致的海面风向模糊解。
三、本发明使用的GNSS-R技术，具有信号资源丰富，全球全天时、全天候覆盖、探测范围广、成本低的优点。
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为本发明实施例提供的星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的星载GNSS-R本地坐标系示意图。
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。
本发明针对星载GNSS-R海面风矢量反演这一难点，利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风速和海面风向，为星载GNSS-R海面风矢量反演提供了一种适合推广应用的解决方案。
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。
实施例一
海面通常可认为是微粗糙表面，GNSS直射信号在海面的散射既包含了镜向散射，也包含了非镜向散射。其中，镜向模式是指镜面反射点位于反射天线的有效覆盖区内，此时接收到的信号主要是镜向散射信号，即镜面反射点附近的信号；非镜向模式则是指镜面反射点位于反射天线的有效覆盖区之外，此时接收到的信号主要是非镜向散射信号，即远离镜面反射点的信号。
由于非镜向散射系数随海面风向呈周期性波动，可以利用时延-多普勒(Delay-Doppler Mapping，DDM)均值（Delay-Doppler Mapping Average，DDMA）作为海面风矢量反演的特征观测量。DDMA是星下点天线波束中心附近特定时延-多普勒窗内散射系数的均值。在星下点非镜向观测配置下，星载GNSS-R接收机（又称为GNSS-R卫星或者GNSS-R接收卫星）在同一观测海域同时接收到三颗导航卫星的星下点非镜向散射信号的概率很大。基于此，旨在利用三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号实现海面风矢量的反演。
本实施例提供了一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，特别是涉及基于极大似然估计（Maximum Likelihood Estimation，MLE）的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，主要包括：分析非镜向海面散射信号对海面风矢量的敏感性，构建星下点非镜向独立观测模式，定义了该模式下对海面风矢量敏感的特征观测量。在此基础上，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演。
如图1所示，本实施例提供的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，包括如下步骤。
步骤100：建立星载环境下的坐标系；如图2所示，所述坐标系的原点位于镜面反射点S0；所述坐标系的Z轴指向镜面反射点S0切平面的法向；其中，导航卫星与GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的YOZ平面，且所述导航卫星与所述GNSS-R接收卫星均位于所述坐标系的Z轴正半轴侧；所述导航卫星位于所述坐标系的Y轴正半轴侧，所述GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的Y轴负半轴侧。
导航卫星T、镜面反射点S0和GNSS-R接收卫星R的位置坐标可分别表示为：
（1）；
（2）；
（3）；
式中，为镜面反射点S0处导航信号的入射角/>或者散射角/>，即在镜面反射点处/>；Rt为镜面反射点S0与导航卫星T之间的距离，Rr为镜面反射点S0与GNSS-R接收卫星R之间的距离。
散射点处的散射向量q则可表示为：
（4）；
式中，、/>和/>分别为X轴、Y轴和Z轴的单位向量；qx表示散射向量q在X轴的单位向量，qy表示散射向量q在Y轴的单位向量，qz表示散射向量q在Z轴的单位向量，入射信号和散射信号的单位向量m和n可分别表示为：
（5）；
（6）；
式中，和/>分别为入射信号和散射信号相对于镜面反射点S0处的入射面的方位角；/>和/>分别为导航信号的入射角和散射角，两者的范围均为/>，满足：
（7）；
（8）。
其中，Sy表示散射点S向量在y方向的分量。
在本实施例所述的坐标系中，将海面风向定义为海面风矢量与所述坐标系的X轴正半轴侧的夹角；该夹角/>的范围为[0°，360°]。
步骤200：在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量。
在本实施例中，步骤200具体包括：
在所述坐标系下，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行处理，得到每颗导航卫星对应的DDMA测量值，进而确定每颗导航卫星对应的DDMA测量值的残差的条件概率密度函数；然后根据所述条件概率密度函数，确定似然函数，并计算所述似然函数的最大值，进而得到海面风矢量。
受噪声的影响，每一个DDMA测量值可表示为：
（9）；
式中，DDMAi为第i个导航卫星的DDMA测量值；为GNSS-R接收卫星在无噪声时测量的第i个导航卫星的DDMA真实值；/>和/>分别为海面风速和海面风向；/>为第i个导航卫星的入射角；/>为随机测量误差，是由各种随机噪声引起的，可认为其满足均值为0，方差为/>的高斯分布，即/>；i的取值范围为1至N。
在经验地球物理模式函数（Geophysical Model Function，GMF）中，DDMA是星载GNSS-R的已知特征观测量数据，入射角也可根据收发卫星位置坐标得到，海面风矢量，即海面风速和海面风向，为未知变量。如果对于每一个海面风矢量观测区域有两个独立的DDMA测量结果，则可以根据经验GMF构成两个方程，求解方程组，理论上可求得海面风矢量解。而经验GMF的不确定性导致了DDMA模型预测值与DDMA真实值之间也存在一个偏差，可称其为模型误差。DDMA模型预测值与DDMA真实值之间的关系可表示为：
（10）；
式中，为模型预测值；/>为模型误差，也可以看作是一个均值为0，方差为/>的高斯分布。
对于给定的海面风矢量，DDMAi测量值和模型预测值之间的残差Ri可定义为：
（11）。
由于测量随机误差和模型误差/>相互独立，所以残差Ri也是一个均值为0，方差为/>的高斯分布。方差/>可表示为：
（12）。
因此，每一个DDMA测量值的残差Ri的条件概率密度函数为：
（13）。
其中，W为海面风矢量；
假设在同一观测海域内星载GNSS-R同时接收了N颗导航卫星的星下点非镜向散射信号（N=3），并得到了相应的DDMA测量值，所有这些测量值对应于同一个海面风矢量。由于每个DDMA测量值是相互独立的，意味着对应的残差Ri也相互独立，所以这些残差的联合条件概率密度函数为：
（14）。
当测量值给定时，/>是参数的函数，记为：
（15）。
函数即为似然函数，求/>使似然函数取最大值，即满足下式：
（16）。
则对应的即为需要求解的海面风矢量。
其中，sup {}表示“上确界”，即最小上界。
步骤300：计算所述海面风矢量的数值解。
由于似然函数形式复杂，很难直接求得海面风矢量的数值解，本实施例采用数值搜索算法，计算所述海面风矢量的数值解，具体步骤如下：
（1）取海面风向为0°，以给定的起始风速为搜索起点，分别计算风速起始点的似然函数值和右边相邻点的似然函数值，比较两者大小，如果风速起始点的似然函数值小于右边相邻点的似然函数值，则继续向右搜索，反之向左搜索，直到找到使似然函数取最大值的点，并记录似然函数值、海面风速和海面风向。
（2）令海面风向值增加一个搜索间隔，风速起始点为上一个风向搜索到的海面风速，按照与第1步相同的搜索步骤寻找似然函数取最大值的点，并记录似然函数值、海面风速和海面风向。
（3）重复第2步的操作，将风向区间0°~360°搜索完，共得到361组似然函数值、海面风速和海面风向。
（4）根据第3步得到的结果在风向区间0°~360°寻找似然函数的局部极大值，并记录似然函数值、海面风速和海面风向。
（5）将第4步搜索得到的似然函数局部极大值从大到小排序，海面风矢量的模糊解为前四个局部极大值对应的海面风速和海面风向。其中，第一模糊解为排名第一的海面风矢量模糊解。
上述算法利用了似然函数在风矢量二维空间的分布特征，避免了在整个海面风速区间维度逐点搜索似然函数最大值，搜索效率高。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统。
本实施例提供的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统，包括：
坐标系构建模块，用于建立星载环境下的坐标系；所述坐标系的原点位于镜面反射点；所述坐标系的Z轴指向镜面反射点切平面的法向；其中，导航卫星与GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的YOZ平面，且所述导航卫星与所述GNSS-R接收卫星均位于所述坐标系的Z轴正半轴侧；所述导航卫星位于所述坐标系的Y轴正半轴侧，所述GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的Y轴负半轴侧。
海面风矢量计算模块，用于在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量。
数值解计算模块，用于计算所述海面风矢量的数值解。
进一步地，该系统还包括：海面风向定义模块，用于在所述坐标系中，将海面风向定义为海面风矢量与所述坐标系的X轴正半轴侧的夹角。
进一步地，该海面风矢量计算模块，具体包括：
条件概率密度函数确定模块，用于在所述坐标系下，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行处理，得到每颗导航卫星对应的DDMA测量值，并确定每颗导航卫星对应的DDMA测量值的残差的条件概率密度函数。
海面风矢量计算单元，用于根据所述条件概率密度函数，确定似然函数，并计算所述似然函数的最大值，进而得到海面风矢量。
进一步地，该数值解计算模块，具体包括：
数值解计算单元，用于采用数值搜索算法，计算所述海面风矢量的数值解。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，其特征在于，包括：
建立星载环境下的坐标系；所述坐标系的原点位于镜面反射点；所述坐标系的Z轴指向镜面反射点切平面的法向；其中，导航卫星与GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的YOZ平面，且所述导航卫星与所述GNSS-R接收卫星均位于所述坐标系的Z轴正半轴侧；所述导航卫星位于所述坐标系的Y轴正半轴侧，所述GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的Y轴负半轴侧；
在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量；
计算所述海面风矢量的数值解。
2.根据权利要求1所述的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，其特征在于，还包括：在所述坐标系中，将海面风向定义为海面风矢量与所述坐标系的X轴正半轴侧的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，其特征在于，在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量，具体包括：
在所述坐标系下，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行处理，得到每颗导航卫星对应的DDMA测量值，并确定每颗导航卫星对应的DDMA测量值的残差的条件概率密度函数；
根据所述条件概率密度函数，确定似然函数，并计算所述似然函数的最大值，进而得到海面风矢量。
4.根据权利要求1所述的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演方法，其特征在于，计算所述海面风矢量的数值解，具体包括：
采用数值搜索算法，计算所述海面风矢量的数值解。
5.一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统，其特征在于，包括：
坐标系构建模块，用于建立星载环境下的坐标系；所述坐标系的原点位于镜面反射点；所述坐标系的Z轴指向镜面反射点切平面的法向；其中，导航卫星与GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的YOZ平面，且所述导航卫星与所述GNSS-R接收卫星均位于所述坐标系的Z轴正半轴侧；所述导航卫星位于所述坐标系的Y轴正半轴侧，所述GNSS-R接收卫星位于所述坐标系的Y轴负半轴侧；
海面风矢量计算模块，用于在所述坐标系下，采用基于极大似然估计的星载GNSS反射信号海面风矢量反演算法，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演，得到海面风矢量；
数值解计算模块，用于计算所述海面风矢量的数值解。
6.根据权利要求5所述的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统，其特征在于，还包括：海面风向定义模块，用于在所述坐标系中，将海面风向定义为海面风矢量与所述坐标系的X轴正半轴侧的夹角。
7.根据权利要求5所述的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统，其特征在于，海面风矢量计算模块，具体包括：
条件概率密度函数确定模块，用于在所述坐标系下，对三颗方位角不同的导航卫星的星下点非镜向散射信号进行处理，得到每颗导航卫星对应的DDMA测量值，并确定每颗导航卫星对应的DDMA测量值的残差的条件概率密度函数；
海面风矢量计算单元，用于根据所述条件概率密度函数，确定似然函数，并计算所述似然函数的最大值，进而得到海面风矢量。
8.根据权利要求5所述的一种星下点观测的星载GNSS-R海面风场反演系统，其特征在于，数值解计算模块，具体包括：
数值解计算单元，用于采用数值搜索算法，计算所述海面风矢量的数值解。
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