基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法与流程

专利2022-05-09  67



1.本发明属于海洋测绘技术领域,尤其是一种基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法。


背景技术:

2.传统的海面风场获取方法主要是利用浮标、船舶、海洋站等观测手段,观测点较少,难以实现大范围的同步观测。
3.传统的海洋环境要素星载测量仪器主要包括辐射计、散射计、高度计和合成孔径雷达(sar)等4种。其中,辐射计是一种被动仪器,主要用于大气轮廓线、大气/土壤温湿度、海水盐度等要素的测量,也可用于海面风场探测,但其易受海面大气环境影响,精度往往不高;散射计是一种当前应用最为广泛的海面风场测量仪器,其风速测量精度一般≤3m/s、风向测量精度一般≤20
°
,缺点是重量和功耗较大,成本也往往较高,不利于组网/编队使用;高度计是当前应用最为广泛的海面平均高度测量仪器,其测量精度一般≤5cm,也可用于海面风场和有效波高测量,缺点是只能覆盖星下点附近的海面、时间分辨率差,风向测量精度不高,此外与散射计相类似,也有重量、功耗、成本方面的问题;sar是一种主动的高空间分辨率的仪器,主要用于海面风场、浮冰和溢油等要素的测量,缺点是刈幅较小、时间分辨率差,重量、功耗、成本方面的问题更加突出。
4.全球导航卫星系统反射测量(gnss

r)利用gnss等导航系统反射信号,反演海洋、地表、植被等物理参数的遥感手段。但是gnss

r信号并没有用于海面风场观测,因此,如何利用gnss

r技术进行海面风场反演是目前迫切需要解决的问题。


技术实现要素:

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、精度高且测量方便的基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法。
6.本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的:
7.一种基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,包括以下步骤:
8.步骤1、以镜面反射点为原点建立本地坐标系,确定gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机的几何关系;利用等时延线和等多普勒线将散射面在空间上进行划分,将各个划分区域的散射功率在空间上的分布映射到时延

多普勒域;
9.步骤2、建立包括elfouhaily海浪谱模型和海面均方坡度的海洋遥感模型;
10.步骤3、建立包括ka

go电磁散射模型和散射信号相关功率模型的海洋遥感相关数学模型;
11.步骤4、利用时延

多普勒二维相关功率模型,计算gnss

r反射信号的相关功率,从而得到反射信号在不同反射面单元的反射强度。
12.进一步,所述gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机的几何关系为:
13.设t、o和r三点分别表示gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机,h
t
和h
r
分别代表
gnss卫星和gnss

r接收机的高度;e代表观测高度角;发射机、接收机到镜面反射点的距离为r
t
,r
r
,接收机到发射机的直射距离为r
d
;r
e
为地球半径;发射机和接收机到地心的距离分别为g、l;本地坐标系下发射机和接收机的坐标分别为(0,

r
t
cos e,r
t
sin e)和(0,r
r
cos e,r
r
sin e);则:
14.g=r
e
h
t
;l=r
e
h
r
[0015][0016][0017][0018]
进一步,所述时延

多普勒域中任意散射单元处的多普勒频差为:
[0019][0020]
其中,f0为镜面反射点处具有的多普勒频移,和分别发射机和接收机运动速度,和分别为散射单元处的入射向量和反射向量。
[0021]
进一步,所述elfouhaily海浪谱模型为:
[0022]
s
e
(k,ψ)=m
e
(k)f
e
(k,ψ)
[0023]
该模型对应方位部分的函数为:
[0024][0025][0026]
elfouhaily谱的各向同性部分为:
[0027][0028][0029][0030][0031]
ω=0.84tanh[(x/2.2
×
104)
0.4
]

0.75
[0032]
[0033][0034][0035]
上式中,k表示波数矢量,ω、ψ分别表示海浪谱的角频率和波向,x为风区的长度,其他参数均为过程变量;所述海面均方坡度的计算方法为:
[0036][0037][0038][0039]
式中,分别代表顺风向/逆风向、侧风向的海面均方坡度,为总的海面均方坡度,且有如下关系式:
[0040][0041]
进一步,所述步骤3中的ka

go电磁散射模型的建立方法为:
[0042]
使用统计方法计算二维粗糙表面单位面积上平均光学反射点数目n
a
和光学反射点的平均曲率半径<|r1r2|>,是菲涅尔系数,得到单位面积上的平均散射截面σ
0a

[0043][0044]
对于表面高度ζ(x,y)服从高斯分布的海面,单位面积上平均光学反射点的数目为:
[0045][0046]
所述散射信号相关功率模型的建立方法为:
[0047]
利用克希霍夫近似的几何光学方法建立了gps海面散射信号的时延

多普勒二维相关功率模型:
[0048][0049]
式中,r
t
(r)和r
r
(r)分别为gps卫星和接收机到散射点r的距离;g(r)为对应散射点r处的天线增益;λ表示gps c/a码自相关函数;δτ和δf分别为反射面上各点的反射信号分时延和多普勒值与τ和f的差值,其表达式分别为:
[0050]
δτ=[r
t
(r) r
r
(r)]
[0051]
δf=[v
t
·
m(r)

v
r
·
n(r)]/λ

f
[0052][0053]
进一步,所述时延

多普勒二维相关功率模型是综合时延一维相关功率和多普勒一维相关功率得到的,反射信号的时延

多普勒二维相关功率计算公式如下:
[0054][0055]
式中,τ为时间延迟,为镜面反射点处多普勒的估计值,l为水平方向表面相关长度。
[0056]
本发明的优点和积极效果是:
[0057]
本发明设计合理,其充分分析海面风场反演的内在联系,建立系统的风场反演模型,并通过时延

多普勒二维相关功率值说明反射信号在不同反射面单元的反射强度,从而实现海面风场的准确观测功能,具有精度高、测量方便等特点。
附图说明
[0058]
图1是本发明的gnss

r几何关系示意图;
[0059]
图2是机载场景等多普勒示意图;
[0060]
图3是星载场景等多普勒线示意图。
具体实施方式
[0061]
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
[0062]
一种基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,包括以下步骤:
[0063]
步骤1、分析gnss

r信号在海面散射几何结构
[0064]
由于gnss

r采用双基观测模式,接收gnss直射及反射信号来获取海面风场信息,而且这种前向散射信号的功率强于后向散射,其功率也随海面粗糙度的增大而减小,其风速测量精度一般≤2m/s、风向测量精度一般≤20
°
。相比于其它传统载荷形式,gnss

r的l波段信号对云雨敏感性较小,可实现全天候探测。由于卫星导航信号cdma扩频的特点,gnss

r空间分辨率可以做到km级别以下。
[0065]
(1)以镜面反射点为原点建立本地坐标系,确定gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机的几何关系。
[0066]
gnss

r信号是经过地球表面反射到达接收机的,存在反射点使得反射路径最短,这一点称为镜面反射点,以镜面反射点为原点建立坐标系可以方便地描述gnss

r几何关系中各个变量之间的关系。
[0067]
gnss

r几何关系如图1所示,t、o和r三点分别表示gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机,这三点确定了入射面。h
r
和h
r
分别代表gnss卫星和gnss

r接收机的高度;e代表观测高度角;v
t
和v
r
分别为gnss卫星和gnss

r接收机的速度大小,它们与入射面的夹角用表示。wd代表风向,其与入射面夹角用表示。注意到与可见星的方位角是一一对应的,图1的定义中它们是补角关系,因此研究等效于研究可见星方位角。
[0068]
给定h
t
、h
r
和e后,便确定了发射机、接收机以及镜面反射点之间的相对几何关系,继而可以求出发射机、接收机到镜反点的距离r
t
,r
r
和接收机到发射机的直射距离r
d

[0069]
已知r
e
为地球半径,首先求得发射机和接收机到地心的距离:
[0070]
g=r
e
h
t
;l=r
e
h
r
ꢀꢀꢀ
(1)
[0071]
图1中按照余弦定理有:
[0072][0073]
求得:
[0074][0075]
因此,在图1本地坐标系下发射机和接收机的坐标分别为(0,

r
t
cos e,r
t
sin e)和(0,r
r
cos e,r
r
sin e),进而求得:
[0076][0077]
(2)等时延线和等多普勒线将散射面在空间上进行划分,将各个划分区域的散射功率在空间上的分布映射到时延

多普勒域。
[0078]
gnss

r接收机接收到的gnss

r反射信号来自于镜面反射点附近的区域,称之为闪耀区,其大小与形状受诸多因素影响,如海面粗糙度、高度角以及接收机高度。闪耀区内不同位置的散射单元具有不同的时延和多普勒频率,因此对散射区域可以按照时延、多普勒来划分散射单元,利用等时延环与等多普勒线的分布规律便可以更清晰地理解散射相关功率在时延

多普勒域的分布。
[0079]
镜面反射点对应的反射信号路径是最短的,因此散射面上的其它散射单元对应的延迟均大于镜反点处的延迟,延迟相等的散射点组成的曲线为近似的椭圆形,称之为等延迟环,其椭圆轨迹可用以下公式描述:
[0080][0081][0082]
其中δ为与镜面反射点处相比的延迟距离差。
[0083]
由于gnss卫星、gnss

r接收机的运动,以及散射面上不同散射单元到两者的几何关系存在的差异,使得接收机接收的来自不同散射单元的反射信号具有不同的多普勒频移。一般以镜面反射点处具有的多普勒频移f0为参考,与f0相比具有相等多普勒频差的散射单元呈双曲线分布,称之为等多普勒线。
[0084]
当发射机和接收机运动速度为和散射单元处的入射向量和反射向量为和对,任意散射单元处的多普勒频差为:
[0085][0086]
机载和星载场景下,接收机速度大小差别较大,各个散射单元到接收机的反射向量也存在较大差别,使得机载和星载情形下,整个散射面上的多普勒分布特性存在较大
差异,如图2和图3所示。图中机载高度5km,接收机速度170m/s,星载高度450km,接收机速度7640m/s,星载和机载的接收机速度方向均为入射面正向,卫星高度角均为45
°
,椭圆线圈是等延迟环,等多普勒线间隔均为500hz,虚线表示相对于镜面反射点为负多普勒频差。
[0087]
通过对比可以看出,机载场景下散射单元的多普勒频率范围小、变化较慢,而星载场景下散射单元的多普勒频率跨度大、分布均匀。
[0088]
等延迟环和等多普勒线将散射面在空间上进行了划分,从而将各个划分区域的散射功率在空间上的分布映射到时延

多普勒域,这种映射结果即包含了风场的潜在信息。
[0089]
步骤2、建立海洋遥感模型
[0090]
本步骤建立的海洋遥感模型包括elfouhaily海浪谱模型和海面均方坡度。
[0091]
(1)elfouhaily海浪谱模型
[0092]
海浪可视为由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、位相杂乱的波组成。这些波组合起来共同构成海浪谱,描述海浪能量相对于各组成波的分布,故又名“能量谱”,是研究海浪的一个重要概念。
[0093]
海浪谱定义为海面自相关函数的傅里叶变换,设ζ=ζ(r)为水平位置矢量r处的海面高度随机变量,则海浪谱定义为:
[0094]
s(k)=ft{<ζ(r0)ζ(r0 r)>}
ꢀꢀꢀ
(8)
[0095]
式中,ft表示傅里叶变换,<...>表示集合平均,k表示波数矢量。
[0096]
海浪谱用于描述海浪内部能量相对于频率和波向的分布,是频率和波向的二维函数海浪的二维方向谱函数表示为s(ω,ψ),ω表示角频率,ψ表示波向。将组成波的角频率转换为组成波的波数k,可得到波数谱函数s(k,ψ)。
[0097]
对海浪方向谱在整个方向上进行积分,可以得到一维海浪谱,s(k)和s(ω)分别为波数和角频率的函数,其定义分别为:
[0098][0099][0100]
为了简化问题,常将二维海浪谱s(k,ψ)表示成下列形式
[0101]
s(k,ψ)=m(k)f(k,ψ)
ꢀꢀꢀ
(11)
[0102]
式中,m(k)表示海浪谱的各向同性部分。
[0103]
假定δ(k)为顺风(或逆风向)风速与侧风向风速之比,对应方位部分的函数f(k,ψ)可表示为
[0104][0105]
一维海浪游有neumann谱、pierson谱和jonswap(joint north sea wave project)谱等,它们都是重力谱,pierson是最早同时考虑重力波分量和毛细波分量的海浪谱之一,目前其他海浪谱仍然继续保留其重力波分量,只是对毛细波分量作了修正,如apel谱。但在某些特定的自然条件下,apel谱也不能很好地描述毛细波分量。1997年建立的elfouhaily谱是在前人研究的基础上综合获得的,同时考虑了apel谱和pierson谱没有涉及的因素,并且结合了风区影响。
[0106]
elfouhaily谱是目前海面风场反演应用较为普遍的二维能量谱,该模型考虑了风
区对能量的影响,可以表示为
[0107]
s
e
(k,ψ)=m
e
(k)f
e
(k,ψ)
ꢀꢀꢀ
(13)
[0108]
对应方位部分的函数为
[0109][0110][0111]
elfouhaily谱的各向同性部分为:
[0112][0113][0114][0115][0116]
ω=0.84 tanh[(x/2.2
×
104)
0.4
]

0.75
ꢀꢀꢀ
(20)
[0117][0118][0119][0120]
以上各式中,x为风区的长度(单位:m),其他参数均为过程变量。
[0121]
对于开放的完全成熟海域,x为无穷大,此时在此条件下,elfouhaily海浪谱函数的值接近于apel谱函数。
[0122]
(2)海面均方坡度
[0123]
海面均方坡度由海浪谱求得,即
[0124][0125][0126][0127]
式中,和分别代表顺风向(逆风向)和侧风向的海面均方坡度,为总的海面均方坡度,且有关系式:
[0128]
[0129]
步骤3、建立海洋遥感相关数学模型
[0130]
本步骤利用gnss

r实现海洋遥感所涉及的ka

go电磁散射模型以及散射信号相关功率模型。
[0131]
(1)ka

go电磁散射模型
[0132]
双基雷达海面前向散射理论模型主要有小斜率近似(small slope approximation,ssa)模型、基于克希霍夫近似的几何光学(kirchhoff approximation

geometric optics,ka

go)模型、iem(integral equation method)模型、二尺度(two scale model,tsm)模型和spm(small perturbation method)模型等。各类模型前向散射系数的表达形式都是关于载波频率、入射角、方位角和极化等参数以及海浪方向谱的一个积分方程,是海面风场的隐函数.克希霍夫近似(ka)模型适用于大尺度粗糙海面,spm模型一般用来描述微粗糙海面,iem和ssa模型适于所有尺度的粗糙面。ssa模型是在小斜率海面假设的基础上建立的,在入射角和散射角正切值满足大于粗糙面的均方坡度时,可适用于任意频率谱分量及任何波长海浪的情况,能够较准确地描述工波段信号的散射情况。tsm是在ssa基础上建立的,但是它包含一个划分波浪尺度的参量,因此不能说tsm是适用于任意尺度的散射模型。ka

go模型适用于近镜面方向,而在远离镜面方向,ka

go模型难以给出准确的结果。
[0133]
当表面的曲率半径远大于发射无线电波长时,表面场可以用各点切平面的场来近似,此过程称为克希霍夫近似法或几何光学法(geometric optics,go)。该方法要求水平方向表面相关长度l大于电磁波波长,垂直方向满足高度标准偏差δ
ζ
足够小,即k1l>6,l2>2.76δ
ζ
λ,其中k1为电磁波在空气中的波数。
[0134]
使用统计方法计算二维粗糙表面单位面积上平均光学反射点数目n
a
和光学反射点的平均曲率半径<|r1r2|>,是菲涅尔系数,可得到单位面积上的平均散射截面σ
0a
,即
[0135][0136]
对于表面高度ζ(x,y)服从高斯分布的海面,单位面积上平均光学反射点的数目为
[0137][0138]
ka

go模型在入射角小于30
°
时适用。
[0139]
(2)散射信号相关功率模型(z

v模型)
[0140]
根据海面散射信号相关函数可以得出,海面散射信号相关功率也是码延迟和多普勒的函数,可用于海面风场的反演。其中码延迟相关功率即一维相关功率曲线匹配和码延迟多普勒二维相关功率曲线匹配是两种常用的方法。
[0141]
在利用gps海面散射信号进行海面风场遥感的研究中,valery l.zavortny和akexander g.voronovich在双基雷达方程的基础上,利用克希霍夫近似的几何光学方法建立了gps海面散射信号的时延(τ)

多普勒(f)二维相关功率模型,即
[0142][0143]
式中,r
t
(r)和r
r
(r)分别为gps卫星和接收机到散射点r的距离;g(r)为对应散射点r处的天线增益;λ表示gps c/a码自相关函数;δτ和δf分别为反射面上各点的反射信号分
时延和多普勒值与τ和f的差值,其表达式分别为
[0144]
δτ=[r
t
(r) r
r
(r)]
ꢀꢀꢀ
(31)
[0145]
δf=[v
t
·
m(r)

v
r
·
n(r)]/λ

f
ꢀꢀꢀ
(32)
[0146][0147]
从式(33)可以看出,在整个观测区域中对积分有贡献的区域是闪耀区、等延迟区等多普勒区和天线覆盖区交叉的区域,分别由σ0、λ(δτ)、s(δf)和方向系数d的表达式决定。
[0148]
步骤4、计算反射信号的相关功率
[0149]
(1)时延一维相关功率
[0150]
反射信号的时延一维相关功率与直射信号的相关功率定义相同,即
[0151][0152]
可以看出,反射信号的时延一维相关功率是指在特定的某个多普勒频移f0下,接收信号与本地伪码信号在不同时间延迟τ下的相关值,为镜面反射点处多普勒的估计值。它表示反射信号相关值随时延的一维变化趋势,反映了反射面上特定的等多普勒区城内不同等延迟区的反射信号的分布情况。
[0153]
反射信号时延一维相关功率与反射面特性的关系十分密切。例如,在海面风场的遥感中,时延一维相关功率的能量值与海面的风速和风向等物理参数有着密切的关系时。
[0154]
(2)多普勒一维相关功率
[0155]
多普勒维相关功率是指在特定的某个码延迟τ0下,接收信号与本地载波信号在不同多普勒频移f下的相关值,即
[0156][0157]
从式(35)中可以看出,多普勒一维相关功率表征了反射信号的频域特性,反映了反射面上特定等延迟环内不同等多普勒区的反射信号的分布情况。反射信号的多普勒一维相关功率同样与反射面特性的关系十分密切。
[0158]
(3)时延

多普勒二维相关功率
[0159]
综合时延一维相关功率和多普勒一维相关功率,便可得到反射信号的时延

多普勒二维相关功率,即
[0160][0161]
式(36)反映了反射区内各等延迟线和各等多普勒线交叉区域处反射信号的相关值,是反射信号最为全面的描述方式。
[0162]
时延

多普勒二维相关功率值可以用来描述反射信号在不同反射面单元的反射强度,其幅度的最大值可用于描述反射介质对gnss反射信号的反射率;二维相关值的时间延迟可用于描述反射信号相对于直射信号的路径延迟关系:二维相关值的相位可用于描述反射信号自身的相干特性。
[0163]
上述物理参量对于利用gnss反射信号进行遥感而言都是至关重要的。因此如何有效地获得此二维相关值矩阵,是反射信号特征提取的关键问题。
[0164]
需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。

技术特征:
1.一种基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤1、以镜面反射点为原点建立本地坐标系,确定gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机的几何关系;利用等时延线和等多普勒线将散射面在空间上进行划分,将各个划分区域的散射功率在空间上的分布映射到时延

多普勒域;步骤2、建立包括elfouhaily海浪谱模型和海面均方坡度的海洋遥感模型;步骤3、建立包括ka

go电磁散射模型和散射信号相关功率模型的海洋遥感相关数学模型;步骤4、利用时延

多普勒二维相关功率模型,计算gnss

r反射信号的相关功率,从而得到反射信号在不同反射面单元的反射强度。2.根据权利要求1所述的基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,其特征在于:所述gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机的几何关系为:设t、o和r三点分别表示gnss卫星、镜面反射点和gnss

r接收机,h
t
和h
r
分别代表gnss卫星和gnss

r接收机的高度;e代表观测高度角;发射机、接收机到镜面反射点的距离为r
t
,r
r
,接收机到发射机的直射距离为r
d
;r
e
为地球半径;发射机和接收机到地心的距离分别为g、l;本地坐标系下发射机和接收机的坐标分别为(0,

r
t
cos e,r
t
sin e)和(0,r
r
cose,r
r
sin e);则:g=r
e
h
t
;l=r
e
h
rrr
3.根据权利要求1所述的基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,其特征在于:所述时延

多普勒域中任意散射单元处的多普勒频差为:其中,f0为镜面反射点处具有的多普勒频移,和分别发射机和接收机运动速度,和分别为散射单元处的入射向量和反射向量。4.根据权利要求1所述的基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,其特征在于:所述elfouhaily海浪谱模型为:s
e
(k,ψ)=m
e
(k)f
e
(k,ψ)该模型对应方位部分的函数为:该模型对应方位部分的函数为:
elfouhaily谱的各向同性部分为:elfouhaily谱的各向同性部分为:v
g
=u
10
/ω,/ω,/ω,ω=0.84tanh[(x/2.2
×
104)
0.4
]

0.750.750.75
上式中,k表示波数矢量,ω、ψ分别表示海浪谱的角频率和波向,x为风区的长度,其他参数均为过程变量;所述海面均方坡度的计算方法为:参数均为过程变量;所述海面均方坡度的计算方法为:参数均为过程变量;所述海面均方坡度的计算方法为:式中,分别代表顺风向/逆风向、侧风向的海面均方坡度,为总的海面均方坡度,且有如下关系式:5.根据权利要求1所述的基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,其特征在于:所述步骤3中的ka

go电磁散射模型的建立方法为:使用统计方法计算二维粗糙表面单位面积上平均光学反射点数目n
a
和光学反射点的平均曲率半径<|r1r2|>,是菲涅尔系数,得到单位面积上的平均散射截面σ
0a
:对于表面高度ζ(x,y)服从高斯分布的海面,单位面积上平均光学反射点的数目为:所述散射信号相关功率模型的建立方法为:利用克希霍夫近似的几何光学方法建立了gps海面散射信号的时延

多普勒二维相关功率模型:
式中,r
t
(r)和r
r
(r)分别为gps卫星和接收机到散射点r的距离;g(r)为对应散射点r处的天线增益;λ表示gps c/a码自相关函数;δτ和δf分别为反射面上各点的反射信号分时延和多普勒值与τ和f的差值,其表达式分别为:δτ=[r
t
(r) r
r
(r)]δf=[v
t
·
m(r)

v
r
·
n(r)]/λ

f6.根据权利要求1所述的基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,其特征在于:所述时延

多普勒二维相关功率模型是综合时延一维相关功率和多普勒一维相关功率得到的,反射信号的时延

多普勒二维相关功率计算公式如下:式中,τ为时间延迟,为镜面反射点处多普勒的估计值,l为水平方向表面相关长度。
技术总结
本发明涉及一种基于卫星导航信息的海面风场反演观测方法,包括以下步骤:以镜面反射点为原点建立本地坐标系,确定GNSS卫星、镜面反射点和GNSS


技术研发人员:金际航 李海滨 王致芃 闸旋 袁延艺 刘洪琛 赵健 李梦龙 瞿宏博 刘泽培
受保护的技术使用者:中国人民解放军92859部队
技术研发日:2021.03.19
技术公布日:2021/6/29

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