[發明專利]一種基于星地鏈路衰減效應的降雨強度測量方法

有效

• 申請號: 201910170984.0
• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN110031916B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 劉西川;咸明皓;蒲康;高太長;賀彬晟;宋堃
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01W1/14
• 分類號: G01W1/14;G01S19/42;G01S13/95
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 劉珊珊

本發明公開了一種基于星地鏈路衰減效應的降雨強度測量方法，利用衛星通信信號穿過雨區時產生的衰減特征，測量星地鏈路在雨區傳播路徑上的平均降雨強度，包括如下步驟：首先在地面搭建衛星信號接收天線，確定衛星信號的頻率、極化方式，利用衛星接收機記錄信號強度；然后根據信號強度在降雨和非降雨天氣下的變化分離出雨致信號衰減量；最后利用雨致衰減與降雨強度的關系反演得到傳播路徑上的平均降雨強度。該方法具有測量點多、覆蓋范圍廣、時空分辨率高且架設和維護成本低等優點，只要有衛星天線架設的地方都能夠用來測量降雨強度，可以彌補氣象衛星時空分辨率低、天氣雷達掃描有盲區、雨量計站點稀疏等缺點。

技術領域

本發明涉及地面氣象要素的自動化探測領域，尤其是一種基于星地鏈路衰減效應的降雨強度測量方法。

背景技術

準確測量降雨強度和降雨位置對于研究水循環和危險性天氣預警等具有重要的意義。目前，常用的降雨測量方法主要包括星載測雨雷達、地基天氣雷達和雨量計。星載測雨雷達雖然能夠對全球的降雨情況進行監測，但是它需要安裝在低軌道的極軌衛星上，所以時間分辨率很低，無法滿足對降雨實時監控的要求；地基天氣雷達能夠監控的范圍大概為30,000km²，時間分辨率約為幾分鐘，空間分辨率在一公里左右，但是由于雷達發射的電磁波近似直線傳播，高仰角掃描下存在盲區；雨量計能夠對降雨強度進行實時監測，但空間代表性有限，在山區、雨林、沙漠和濕地等地區布設雨量計不僅困難而且不易維護。

如今，全球大約有200多顆廣播、通信、海事和導航衛星，實時發射L、S、C、X、Ku和Ka等不同頻段的電磁波，幾乎覆蓋了整個地球。電磁波頻率越高，對降雨就越為敏感，有利于進行降雨強度測量。另外，即使在人跡罕至的地區也有衛星地面接收站的存在，從而使得降雨監測的空間分辨率和覆蓋范圍大大提高，衛星接收天線及接收機的價格低廉，架設方便、易于維護。因此，通過星地鏈路測量降雨強度相較于天氣雷達、雨量筒等傳統的降雨測量方式，無需額外投入，不僅能夠節約成本，而且能夠保證較高的時空分辨率和覆蓋范圍。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于提出一種基于星地鏈路衰減效應的降雨強度測量方法，該方法利用衛星信號傳播過程中經過雨區產生的衰減信息，反演得到傳播路徑上的平均降雨強度。

技術方案：為實現上述目的，本發明提出的技術方案為：

一種基于星地鏈路衰減效應的降雨強度測量方法，包括步驟：

(1)確定衛星信號源，在地面架設用于接收衛星信號的衛星天線，建立衛星信號源與衛星天線之間的星地鏈路；

(2)利用衛星天線在非降雨時和降雨時分別接收衛星信號源發出的衛星信號，記錄非降雨和降雨狀態下所接收到的衛星信號的強度，將兩次信號強度求差，即可得到衛星強度因降雨產生的損耗，即雨致衰減A_rain；從降雨時接收到的衛星信號中提取出衛星信號的頻率f、極化方式；

(3)建立雨致衰減與降雨強度關系模型：

A_rain＝αR^βl (1)

其中，α和β為冪律關系系數，l表示衛星信號在降雨區域中的等效傳播路徑長度，R表示降雨強度；

(4)計算衛星信號在雨區中的等效傳播路徑l：

其中，h_R表示雨頂高度，h_S表示天線海拔高度，θ表示衛星天線仰角，k表示等效地球半徑因子，a表示平均地球半徑；

(5)將步驟(2)得到的雨致衰減A_rain和步驟(4)得到的等效傳播路徑長度l代入雨致衰減與降雨強度關系模型，得到降雨強度R。

進一步的，所述α和β的確定方法為：