一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法

摘要

本发明公开一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法，包括：获取第一空间参数信息和第二空间参数信息；基于所述第一空间参数信息构建风驱海浪谱和涌浪谱；对所述风驱海浪谱和所述涌浪谱进行线性滤波处理；基于线性滤波处理后的所述风驱海浪谱建立随机海面；基于所述随机海面、所述第二空间参数信息和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第三散射系数；根据所述第三散射系数确定考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型。本发明建立GNSS反射信号模型综合考虑了涌浪的影响，提高了GNSS反射信号模型建立的准确性，进而提高了模拟仿真预测GNSS反射信号的准确性与真实性，为模拟器的研制提供保障。

说明书

技术领域

本发明涉及反射信号建模领域，特别是涉及一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法。

背景技术

GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflections)技术是自1997年以来发展起来的全球导航卫星系统GNSS技术的一个新分支，是国内外遥感遥测和导航定位领域研究热点之一。它利用导航卫星的反射信号对海面进行遥感，实现提取探测目标反射面的物理特性或移动目标探测，可获得有效波高、潮位、海面风速和风向等参数，广泛应用于海面测风、海面测高、海冰探测、海盐探测、海面溢油、土壤湿度等领域。与其他海洋遥感技术相比，GNSS-R技术具有高时间、空间分辨率、低成本、信号源丰富和高机动性等优点，与其他探测手段优势互补，可以增加遥感探测手段的多样性，弥补局部探测手段不足的状况。因此，GNSS-R技术具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

在GNSS-R技术中，仿真模拟研究是重要一环。目前，国内外在反射信号建模以及利用反射信号模型模拟仿真等方面进行了大量研究，开展了大量的试验，包括机载、气球、星载试验以及岸基试验，并提出了一些反射信号模型，如Z-V模型。目前，GNSS-R仿真模拟的研究大多基于风驱海浪谱，而未考虑其他的影响因素，使得无法进行复杂环境下更加真实的反射信号仿真。以涌浪为例，涌浪是其他地区风浪经过长距离运动到达本地海域并不受本地风场的影响。涌浪导致的海面粗糙度变化会在GNSS-R遥感中引入误差，进而对GNSS反射信号的散射产生影响，并且在L波段影响显著。现有建立的GNSS反射信号模型时并未考虑涌浪影响，进而降低了模拟仿真预测GNSS反射信号的准确性与真实性。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法，以提高建立GNSS反射信号模型的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法，所述方法包括：

步骤S1：获取第一空间参数信息和第二空间参数信息；所述第一空间参数信息包括海面风速、风向和涌浪波长；所述第二空间参数信息包括GNSS卫星位置和速度，接收机的位置和速度；

步骤S2：基于所述第一空间参数信息构建风驱海浪谱和涌浪谱；

步骤S3：对所述风驱海浪谱和所述涌浪谱进行线性滤波处理；

步骤S4：基于线性滤波处理后的所述风驱海浪谱建立随机海面；

步骤S5：基于所述随机海面、所述第二空间参数信息和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第三散射系数；

步骤S6：根据所述第三散射系数确定考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型。

可选地，所述基于所述第一空间参数信息构建风驱海浪谱和涌浪谱，具体包括：

步骤S21：将所述海面风速和风向代入Eifouhaily谱模型确定风驱海浪谱；

步骤S22：根据所述涌浪波长构建考虑涌浪影响的涌浪谱。

可选地，所述根据所述涌浪波长构建考虑涌浪影响的涌浪谱，具体公式为：

其中，S

可选地，所述基于所述随机海面、所述第二空间参数信息和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第三散射系数，具体包括：

步骤S51：基于所述随机海面确定WGS-84坐标系下的反射事件几何参数；所述反射事件几何参数包括散射点坐标、入射单位矢量和散射单位矢量；

步骤S52：根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数和所述第二空间参数信息确定菲涅尔反射系数和第一散射系数；

步骤S53：根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数、菲涅尔反射系数和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第二散射系数；

步骤S54：根据所述第一散射系数和所述第二散射系数确定第三散射系数；所述第一散射系数为受风场影响的散射系数，所述第二散射系数为受涌浪影响的散射系数，所述第三散射系数为受风场和涌浪共同影响下的散射系数。

可选地，所述根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数和所述第二空间参数信息确定菲涅尔反射系数和第一散射系数，具体包括：

步骤S521：将WGS-84坐标系下的反射事件几何参数转换到ECEF坐标系下；

步骤S522：根据ECEF坐标系下的反射事件几何参数确定入射角和散射角；

步骤S523：根据ECEF坐标系下的反射事件几何参数和所述第二空间参数信息确定菲涅尔反射系数；

步骤S524：将入射角、散射角和菲涅尔反射系数代入双尺度模型计算第一散射系数。

可选地，所述根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数、菲涅尔反射系数和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第二散射系数，具体包括：

步骤S531：根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数计算散射矢量；

步骤S532：根据线性滤波处理后的所述涌浪谱确定海面均方坡度；

步骤S533：计算所述海面均方坡度的概率密度函数；

步骤S534：根据所述菲涅尔反射系数、所述散射矢量和所述概率密度函数确定第二散射系数。

可选地，所述根据所述菲涅尔反射系数、所述散射矢量和所述概率密度函数确定第二散射系数，具体公式为：

其中，σ

可选地，述根据所述第一散射系数和所述第二散射系数确定第三散射系数，具体公式为：

σ

其中，σ

可选地，所述根据第三散射系数确定考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型，具体公式为：

其中，<|Y(τ,f)|

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：

本发明公开一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法，包括：获取第一空间参数信息和第二空间参数信息；基于所述第一空间参数信息构建风驱海浪谱和涌浪谱；对所述风驱海浪谱和所述涌浪谱进行线性滤波处理；基于线性滤波处理后的所述风驱海浪谱建立随机海面；基于所述随机海面、所述第二空间参数信息和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第三散射系数；根据所述第三散射系数确定考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型。本发明建立GNSS反射信号模型综合考虑了涌浪的影响，提高了GNSS反射信号模型建立的准确性，进而提高了模拟仿真预测GNSS反射信号的准确性与真实性，为模拟器的研制提供保障。

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1考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法流程图；

图2为本发明实施例1不同涌浪速度下的涌浪谱仿真图；

图3为本发明实施例1散射系数计算流程图；

图4为本发明实施例2考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型仿真结果。

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。

本发明的目的是提供一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法，以提高建立GNSS反射信号模型的准确性。

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。

涌浪不同于风浪，是指大洋表层海水的一种常态流动。涌浪是其他地区风浪经过长距离运动到达本地海域并不受本地风场的影响。涌浪常年存在于各海域表面，影响其传播路径上的海面粗糙度。

实施例1

如图1所示，本发明公开一种考虑涌浪影响的GNSS反射信号建模方法，所述方法包括：

步骤S1：获取第一空间参数信息和第二空间参数信息；所述第一空间参数信息包括海面风速、风向和涌浪波长；所述第二空间参数信息包括：GNSS卫星位置和速度，接收机的位置和速度。

步骤S2：基于所述第一空间参数信息构建风驱海浪谱和涌浪谱。

步骤S3：对所述风驱海浪谱和所述涌浪谱进行线性滤波处理。

步骤S4：基于线性滤波处理后的所述风驱海浪谱建立随机海面。

步骤S5：基于所述随机海面、所述第二空间参数信息和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第三散射系数。

步骤S6：根据所述第三散射系数确定考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型。

下面对各个步骤进行详细论述：

步骤S2：基于所述第一空间参数信息构建风驱海浪谱和涌浪谱，具体包括：

步骤S21：将所述海面风速和风向代入Eifouhaily谱模型确定风驱海浪谱。

步骤S22：根据所述涌浪波长构建考虑涌浪影响的涌浪谱，具体公式为：

其中，S

对所述风驱海浪谱和所述涌浪谱进行仿真，在不同风速和涌浪波长下仿真结果如图2所示。

如图3所示，本发明基于所述随机海面、所述第二空间参数信息和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第三散射系数，具体包括：

步骤S51：基于所述随机海面确定WGS-84坐标系下的反射事件几何参数；所述反射事件几何参数包括散射点坐标、入射单位矢量和散射单位矢量。

步骤S52：根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数和所述第二空间参数信息确定菲涅尔反射系数和第一散射系数，具体包括：

步骤S521：将WGS-84坐标系下的反射事件几何参数转换到ECEF坐标系下。本实施例中ECEF(Earth-Centered,Earth-Fixed)坐标系为常用坐标系，ECEF即地心地固坐标系，以地球为中心，是一个笛卡尔坐标系。WGS-84坐标系(World Geodetic System一1984Coordinate System)，坐标原点为地球质心，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系。

步骤S522：根据ECEF坐标系下的反射事件几何参数确定入射角和散射角。

步骤S523：根据ECEF坐标系下的反射事件几何参数和所述第二空间参数信息确定菲涅尔反射系数。

步骤S524：将入射角、散射角和菲涅尔反射系数代入双尺度模型计算第一散射系数。

步骤S53：根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数、菲涅尔反射系数和线性滤波处理后的所述涌浪谱确定第二散射系数，具体包括：

步骤S531：根据WGS-84坐标系下的反射事件几何参数计算散射矢量。

步骤S532：根据线性滤波处理后的所述涌浪谱确定海面均方坡度，具体公式为：

其中，k表示入射波的波数，C

步骤S533：计算所述海面均方坡度的概率密度函数。

步骤S534：根据所述菲涅尔反射系数、所述散射矢量和所述概率密度函数确定第二散射系数，具体公式为：

其中，σ

第二散射系数是在基尔霍夫—几何光学近似(Kirchhoff approximation-geometric optics，KA-GO)条件下计算的。

步骤S54：根据所述第一散射系数和所述第二散射系数确定第三散射系数，具体公式为：

σ

其中，σ

本实施例中，所述第一散射系数为受风场影响的散射系数，所述第二散射系数为受涌浪影响的散射系数，所述第三散射系数为受风场和涌浪共同影响下的散射系数，散射系数又称双基雷达散射截面。

步骤S6：根据第三散射系数确定考虑涌浪影响的GNSS反射信号模型，具体公式为：

其中，<|Y(τ,f)|

实施例2

本发明采用上述方法进行仿真，仿真得到的时延-相关功率曲线DW和时延-多普勒相关功率曲线DDM图4所，其中，(a)为仿真得到的时延-相关功率曲线DW，(b)为不考虑涌浪影响的时延-多普勒相关功率曲线DDM，(c)为考虑涌浪影响的时延-多普勒相关功率曲线DDM。从图4仿真结果中可以看出，当仅考虑风场影响和同时考虑风场、涌浪影响时，仿真模拟的DW和DDM结果具有相似的波形和趋势。DW曲线峰值后移，甩尾拖长；DDM具有典型的“马蹄状”特征，符合理论DW和DDM波形，证明建立的考虑涌浪影响的GNSS-R模型是可行的。

对仿真结果进行进一步分析可以发现，涌浪对GNSS-R信号的海面散射有着重要影响。从图4中可以看出，涌浪产生的大尺度粗糙度对GNSS信号的镜面散射影响很大，并且导致仿真结果的相关功率降低。通过增加涌浪这一影响因子，相关功率会随着海面粗糙度的变化而变化。涌浪会使得海面粗糙度增大，增强反射面的漫反射并减少镜面反射部分，最后显著降低相关功率。因此，在影响海面粗糙度这一点上，涌浪与风场起着同等重要的作用，这在GNSS-R的仿真模拟中应予以考虑。

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。

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。