基于连续运行GNSS站信噪比数据的潮位的测量方法与流程

本发明涉及一种潮位的测量方法，尤其涉及一种基于连续运行GNSS站信噪比数据的潮位测量方法，属于海洋水文领域。

背景技术：

潮位是海洋水文学的基本要素，是海洋资料中最直观反映海洋情况的主要参数之一。沿岸潮位变化直接关系到船舶进出港口、海洋和海岸工程设计、海涂围垦、潮汐发电等方面，平均海平面和深度基准面确定、潮汐表制作、风暴潮汐预报、地震预报等也都需要潮位资料作为依据。

不同潮位测量方法适用于不同的测量环境和目的，且有各自的局限，例如水尺测量法自动化程度较低，验潮井潮位测量需要配套的基础设施，声学式与压力式潮位仪易受海洋环境及其它物理参数的影响。基于差分GPS定位技术的GPS测量法可实现厘米精度测量，基于雷达高度计的遥感测量法可进行全球大尺度潮位测量，但均受地球固体潮的影响。

伴随全球导航卫星系统反射信号遥感技术(Global Navigation Satellite System Reflectometry,GNSS-R)的逐渐兴起与迅速发展，利用GNSS卫星提供的长期稳定、高时空分辨率的L波段微波信号，GNSS-R成为一种测量潮位的有效手段。等利用两套大地测量用GPS设备，通过测量反射信号相对于直达信号的时间延迟测量海面高度。Larson等利用单套大地测量用GPS设备，通过对SNR波形中的干涉分量进行频谱分析，得到海面距天线相位中心的高度。Rodriguez-Alvarez等利用特制的GPS接收设备，通过对直达与反射信号的干涉波形进行频率计算得到水面高度。

但是，等的方法在风速较大、海面粗糙的情况下难以锁定反射信号，且两套GPS设备会增加成本；Larson等的方法处理SNR数据的步骤繁琐，最终的结果中累积误差较大；Rodriguez-Alvarez等的方法需要特制的GPS接收设备，无法利用现已广泛存在、用于测量地壳运动的连续运行GNSS站网，因此限制了大范围的应用推广。

技术实现要素：

由此可见，确有必要提供一种简单有效的潮位测量方法。

一种基于连续运行GNSS站信噪比数据的潮位的测量方法，包括以下步骤：

获取预先建立的岸基GNSS站直达信号与经海面反射后的右旋圆极化反射信号之间的干涉模型；

获取标准RINEX格式文件，根据所述标准RINEX文件生成SNR数据文件；

根据SNR数据文件，截取每颗GNSS卫星预定高度角范围内的SNR数据，对按时间顺序排列的高度角进行一阶差分，从而对GNSS卫星升起或降落过程中的SNR数据进行分段，获得每颗GNSS卫星每个升起或降落过程中的SNR数据随仰角变化的波形，并利用所述干涉模型对SNR数据波形进行拟合处理，获得GNSS卫星升起或降落过程中的有效反射面高度h，该有效反射面高度h为GNSS天线相位中心与海面之间的铅垂距离；

将预定时期内每颗GNSS卫星升起或降落过程中获得的有效反射面高度，与潮位测量仪同步获得的海面高度分别求和，并取算数平均值，得到GNSS相位中心距离零米海面的平均高度h₀；

计算GNSS天线相位中心距离零米海面的平均高度h₀与获得的GNSS卫星升起或降落过程中的有效反射面高度h之间的差值，获得潮位Δh。

在其中一个实施例中，所述干涉模型为：

其中，E_i为直达信号振幅，γ为仰角，ε为海面介电常数，R(γ,ε)为菲涅尔反射系数，G为GNSS天线增益模式，G(+γ)为直达信号增益，G(-γ)为反射信号增益，为反射信号与直达信号之间的相位差。

在其中一个实施例中，利用所述干涉模型对获得到的SNR数据波形进行拟合处理包括：

选取GNSS卫星升起或降落过程中预定仰角范围的SNR数据；

得到SNR数据随GNSS卫星仰角变化的波形；以及

利用干涉模型对该SNR数据波形进行拟合处理

在其中一个实施例中，所述仰角范围为5°-30°中的任意区间。

在其中一个实施例中，利用所述干涉模型对观测到的SNR数据波形进行拟合处理为利用最小二乘法对观测到的SNR数据进行拟合处理。

在其中一个实施例中，所述预定时期大于等于7天。

相对于传统技术，本发明提供的潮位测量方法通过利用岸基连续运行大地测量用GNSS站采集的数据，能够方便、准确的对潮位进行测量，并且应用范围广泛，更加简单有效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的潮位测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的潮位测量方法的总体框图；

图3为本发明实施例提供的岸基GNSS站直达信号与反射信号干涉示意图；

图4为本发明实施例中利用干涉模型拟合观测的SNR数据的示例。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的潮位的测量方法作进一步的详细说明。

请一并参见图1与图2，本发明实施例提供一种基于连续运行GNSS(Global Navigation Satellite System)站信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)数据的潮位的测量方法，该方法包括以下步骤：

S1，获取预先建立的岸基GNSS站直达信号与经海面反射后的右旋圆极化反射信号之间的干涉模型；

S2，利用右旋圆极化天线采集原始观测数据并转换为标准RINEX格式文件，根据所述标准RINEX文件生成SNR数据文件；

S3，根据SNR数据文件，截取每颗GNSS卫星预定高度角范围内的SNR数据，对按时间顺序排列的高度角进行一阶差分，从而根据差分结果的正负对卫星升起或降落过程中的SNR数据进行分段，获得每颗GNSS卫星每个升起或降落过程中的SNR数据随仰角变化的波形，并利用所述干涉模型对SNR数据波形进行拟合处理，获得GNSS卫星升起或降落过程中的有效反射面高度h，该有效反射面高度h为GNSS天线相位中心与海面之间的铅垂距离；

S4，将预定时期内每颗GNSS卫星每个升起或降落过程中获得的有效反射面高度与潮位测量仪同步获得的海面高度分别求和，并取算数平均值，得到GNSS天线相位中心距离零米海面的平均高度h₀；

S5，计算GNSS天线相位中心距离零米海面的平均高度h₀与获得的GNSS卫星升起或降落过程中的有效反射面高度h之间的差值，获得潮位Δh。

请一并参阅图3，在步骤S1中，假设到达GNSS天线相位中心的信号是由直达信号与镜面反射信号干涉叠加生成，海面水平，则卫星高度角即为信号仰角。其中直达信号振幅为E_i，仰角为γ，海水介电常数为ε，则菲涅尔反射系数为R(γ,ε)，镜面反射信号振幅为E_i·R(γ,ε)。GNSS天线增益模式为G，则对应于直达与反射信号的增益分别为G(+γ)与G(-γ)。定义有效反射面高度h为GNSS天线相位中心距有效反射面(海面)之间的铅垂距离。

假设直达信号为S_d(t)，反射信号为S_r(t)，干涉信号为S_interf(t)，则：

S_d(t)＝E_i·G(γ)^1/2·cos(ωt) (1)

S_interf(t)＝SNR^1/2·cos(ωt+ψ) (3)

其中，ω为信号的角频率，t为时间，与ψ分别为反射信号与干涉信号相对于直达信号的相位延迟。

因为干涉信号可表示为直达信号与反射信号的相干叠加，则由式(1)与式(2)得：

由式(3)得：

S_interf(t)＝(-SNR^1/2·sinψ)·sinωt+(SNR^1/2·cosψ)·cosωt (5)

所以，由式(4)与式(5)得：

其中，反射信号与直达信号之间的相位差为：

其中，λ为GNSS信号波长。

因为直达GNSS信号为右旋圆极化，与之产生干涉的反射GNSS信号同为右旋圆极化，则右旋到右旋的GNSS信号反射系数R_rr为：

其中，下标r,v,h分别表示右旋圆极化、垂直线极化与水平线极化，R_vv与R_hh分别为：

因为SNR数据的单位一般用dB表示，可以由式(6)得：

步骤S2中，将原始观测数据转换格式后，形成标准RINEX格式文件。所述RINEX格式文件包括观测数据文件(O文件)、导航电文文件(N文件)等。可以理解，此步骤并非必要，有些GNSS接收机能够实现在线数据传输，直接传回RINEX格式文件，即传回的原始观测数据即为RINEX格式；另外，如果有些GNSS接收机只传回O文件，则N文件可使用IGS提供的SP3格式精密星历。另外，可通过Matlab编程从RINEX格式文件中实现O文件、N文件读取，计算得到卫星号、时间、卫星高度角/方位角、镜像反射点坐标、不同频段SNR数据等，生成SNR数据文件。具体的，对于GPS卫星，SNR有L1、L2和L5等频段；对于北斗卫星，有B1和B2两个频段。每个SNR数据文件依次存储每秒采样间隔的卫星参数，包括卫星号、时间、高度角、方位角、不同频段的SNR数值等。

在步骤S3中，通过获得每颗GNSS卫星每个升起或降落过程中的SNR数据随仰角变化的波形，利用所述干涉模型对观测到的SNR数据波形进行拟合处理，即可获得有效反射面高度h。

以北斗卫星为例，对于测站从某个方位接收到的卫星信号，GNSS接收机在接收北斗直达信号的同时，也会接受到海面的反射信号，反射信号与直达信号相比，频率相同，强度由信号仰角和海面介电常数决定，同时由于路程差而产生相位偏移，以上因素综合反映在SNR数据上即为干涉波形。

具体的，所述仰角范围可为5°-30°中的任意区间，如5°-25°或8°-16°，可以根据需要进行选择。仰角范围大于5°可以保证信号通视，不受海面物体遮挡，仰角范围超过30°后干涉波形振荡幅度将不再显著。进一步，由于涨潮/退潮时潮位变化较快，信号仰角变化5°-20°用时约一个小时，而且所述仰角范围的选择需要保证干涉波形约有三个振荡周期，因此在本实施例中，仰角范围优选为5°-20°，既确保信号通视，又确保干涉波形振荡幅度显著，并且能够近实时地反演潮位高度。

针对具体的某颗GNSS卫星，其拟合过程为：

选取某颗GNSS卫星升起或降落过程中预定仰角范围的SNR数据；

得到SNR随卫星仰角变化的波形；以及

利用步骤S1得到的干涉模型对该SNR数据波形进行拟合处理。

本实施例中基于最小二乘法利用式(11)表示的干涉模型对GNSS卫星仰角范围为5°-20°的SNR数据波形进行拟合，得到该卫星的有效反射面高度h，即为GNSS天线相位中心与有效反射面(海面)之间的铅垂距离。

在步骤S4中，所述预定时期大于等于7天，可以根据实际情况进行选择，须尽最大程度排除随机误差的影响，例如大风情况下海面变得粗糙，以保证计算得到的GNSS天线相位中心距离零米海面的平均高度准确。通过将7天内每颗GNSS卫星每个升起或降落过程中获得的有效反射面高度a_i与通过潮位测量仪同步获得的海面高度b_i分别求和(i＝1,2,…,n，其中，n为所有观测到的GNSS卫星所有升起和降落的个数)，并取算数平均值，即可得到GNSS天线相位中心距离零米海面的平均高度

在步骤S5中，通过计算GNSS相位中心距离零米海面的平均高度h₀与获得的GNSS卫星升起或降落过程中的有效反射面高度h之间的差值，即可获得潮位Δh＝h₀-h。

相对于传统技术，本发明提供的潮位测量方法，基于岸基GNSS站SNR数据干涉模型，既能够利用现已广泛存在、用于测量地壳运动的岸基连续运行大地测量用GNSS站网，以降低潮位测量成本，而且还可以在国际地球参考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)下进行定位，能够消除地球固体潮影响，从而测量方法更加简单准确。

本发明基于地基GNSS站SNR数据干涉模型，在利用干涉模型对SNR数据波形进行拟合前对SNR数据波形进行滤波处理，以及计算GNSS相位中心距离零米海面的平均高度时用到的各种数据处理方法，如取中位数，仍在本发明所定义的范围以内。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。