[發明專利]一種基于衛星導航反射信號信噪比的海面高度測量方法

在審

• 申請號: 202011608074.5
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112747802A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 劉衛;胡媛;王勝正
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G01F23/284
• 分類號: G01F23/284;G01F23/00;G01S19/14;G01S19/37;G06F30/20
• 代理公司: 上海互順專利代理事務所(普通合伙) 31332
• 代理人: 裴姣姣

本發明公開了一種基于衛星導航反射信號信噪比的海面高度測量方法。從衛星導航反射信號信噪比(SNR)測量海平面高度出發，將整段去趨勢SNR進行按照時間分辨率要求進行分段，通過粗搜索和精細搜索的過程快速獲取精細模型參數，并代入相應的模型，從而求解出海面高度。旨在利用全球導航衛星系統(GNSS)的反射信號進行海面水位監測，提高海平面高度測量精度，保證高度測量的空間分辨率和時間分辨率。

技術領域

本發明涉及一種基于衛星導航反射信號信噪比的海面高度測量方法，可用于全球衛星導航系統(GNSS)反射信號進行海面高度監測，屬于海洋氣象監測的應用領域。

背景技術

沿海地區的長期海面監測對于了解當地海平面的變化和研究人類生活對海洋的影響非常重要。近年來，利用GNSS的反射信號進行海面水位監測已經成為一種新興的技術手段。利用GNSS反射信號進行海面測高主要是通過布設接收機天線連續接收導航直射信號和海面反射信號，根據反射信號和直射信號之間的路徑傳播時延，從而得到接收機天線距離地球參考面的高度，將該高度減去接收機的高度而獲得海面高度。目前很多研究都是基于衛星導航反射信號信噪比(SNR)數據進行海面高度的測量，這些研究主要使用頻譜分析方法(如Lomb-Scargle Periodogram)來分析來自單個大地測量接收機的SNR觀測數據。使用大地測量接收機SNR觀測數據進行海面測高的優點是，各接收機臺站分布在全球范圍內，并以標準的接收機獨立交換格式觀測文件記錄數據，存取和轉換相對方便。但是由于傳統的頻譜分析方法需要利用每顆衛星從最小仰角到最大仰角的整段信噪比數據，海面高度測量的空間分辨率和時間分辨率無法得到很好的保證。因此，對SNR進一步精細搜索尤為重要。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于衛星導航反射信號信噪比的海面高度測量方法。它是一種可利用某一海面區域內可視衛星的反射信號信噪比數據進行測高的技術。首先，將接收到反射信號信噪比數據進行去趨勢；構建去趨勢SNR的擬合模型；然后進行擬合模型的搜索，包括兩個步驟：首先基于優化方法搜索不同衛星從最小仰角到最大仰角的整段去趨勢SNR的擬合模型粗參數，然后將整段去趨勢SNR進行分段，搜索合適的精細模型參數。最后，利用所獲取的模型的頻率求解海面高度。

為了實現上述目的，一種基于衛星導航反射信號信噪比的海面高度測量方法，所述方法包括：

步驟一：將所獲得的所有衛星的信噪比數據進行去趨勢，通過利用多項式函數可以去掉信噪比的直接信號貢獻，即信噪比數據的趨勢項，獲得去趨勢后的具有振蕩特性的信噪比數據；

步驟二：構建去趨勢SNR的擬合模型，模型采用如下計算式子：

y＝a₁ cos(a₂x+a₃)；

其中，a₁為去趨勢SNR的幅度，a₂＝4πf₀h/c為去趨勢SNR數據的振蕩項，a₃為考慮海面電磁特性和天線模式的信號相位貢獻項，f₀為信號的載波頻率，c為光速，h為所需解算的海面高度；

步驟三：進行擬合模型粗參數和精細參數的搜索，主要包括兩個步驟：

(1)把殘差當成目標函數，利用優化方法搜索不同衛星從最小仰角到最大仰角的整段去趨勢SNR的擬合模型粗參數

其中，為粗搜索的目標函數，dSNR_i為去趨勢SNR的實際數據；

(2)將整段去趨勢SNR進行按照不同仰角變化步長進行分段，將所獲得的整段去趨勢SNR的粗參數代入優化算法初始值中，可實現對分段后的去趨勢SNR進行快速搜索，從而獲取每段的精細參數每段的目標函數為：