针对狭窄或不规则区域的水位监测方法、装置

本申请涉及电力系统自动化的，尤其涉及针对狭窄或不规则区域的水位监测方法、装置。

背景技术：

1、准确的水位测量是水资源管理和水利基础设施工程规划的关键。通过监测河流、湖泊、水库等水体的水位变化，可以全面了解水体的涨落规律，揭示季节性和长期性的水文变化，为科学研究提供了丰富的实测数据。同时，通过水位测量，可以及时了解水库蓄水量、河流流量等信息，为水资源的有效利用和合理分配提供科学依据，为防洪工程的决策和调度提供数据支持，最大程度减轻洪灾对人类社会的危害。

2、全球卫星导航系统干涉反射gnss ir(global navigation satellite systeminterferometric reflectometry)已被证实是一种实用的“遥感水位仪”。不同于传统的水位测量手段，例如气泡水位计、雷达水位计、浮子式水位计等，gnss-ir技术具有非接触、连续、全天候、全天候监测的优点，可以提供绝对水位测量服务。因此，该技术被广泛应用于追踪海洋、湖泊和水库的水位变化，为开阔水域场景的水位监测提供了高效、准确的监测结果。开阔的水域提供了较多可选择的高程和方位角范围数据，因此这些应用集中在统一的卫星高度角阈值选取方法框架下

3、然而，gnss-ir统一的卫星高度角阈值选取方法不能用于狭窄或不规则区域的水位反演。这忽略了不同方位角情况下，狭窄或不规则区域的卫星高度角阈值不同的特征。在许多非开放式监测场景中，空间开放性往往受到地形的限制。由于gnss-ir的输入数据依赖于水反射面，在狭窄环境中受限制的反射面会严重影响传统gnss反射信号的数量和质量。高度角掩膜阈值设置过低可能会混淆水和非水的反射信号。高度角掩膜阈值设置过高，则可能会删除大量低高度角水面的反射信号。目前，仅有少量研究试图解决这个问题。例如，改变天线的方向可以提高信噪比序列中振荡的可见性，从而增强对反射信号的捕获，但随着而来的多路径误差会严重影响gnss伪距观测值和载波相位观测值的数据质量，导致无法得到准确的天线绝对位置甚至丧失gnss的定位能力，导致测量的水位仅为相对变化而不是绝对结果，即带来水位监测结果精确度有待提升。

4、因此，如何正确确定水面反射区域的方位角和高度角阈值，是狭窄或不规则区域水位监测亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供针对狭窄或不规则区域的水位监测方法、装置，能够提高监测结果的精准性。

2、一方面，本申请提供一种针对狭窄或不规则区域的水位监测方法，包括：

3、获取不同卫星对应的方位角和高度角；

4、构建水体反射面的边界函数；

5、根据所述边界函数和反射点第一菲涅尔区，并基于动态变化的卫星弧高度角掩膜阈值，确定狭窄或不规则水体的gnss反射区域，反射点通过所述方位角和高度角所表征；

6、通过对由待监测水位区域水面所反射形成gnss干涉信号依据所述gnss反射区域进行处理，以获取以卫星高度角正弦值为自变量、以snr观测值为因变量的反射信号snr观测值序列，并从所述反射信号snr观测值序列提取不同卫星序列的振荡频率，以由所述振荡频率确定接收机的反射高度；

7、根据所述反射高度确定水位监测结果。

8、可选地，获取不同卫星对应的方位角和高度角，包括：

9、分别获取天线相位中心在wgs-84地心坐标系的直角坐标，获取卫星在wgs-84地心坐标系的直角坐，以及获取测站的经纬度；。

10、基于所述经纬度，将卫星在wgs-84地心坐标系的直角坐标变换为卫星在站心直角坐标系的坐标，所述站心直角坐标系为以所述测站为原点建立的坐标系；

11、将所述卫星在站心直角坐标系的坐标变换为站心极坐标下的坐标，所述站心极坐标下的坐标包含卫星对应的方位角和高度角。

12、可选地，所述边界函数通过二阶多项式数学建模。

13、可选地，确定狭窄或不规则水体的gnss反射区域，包括：

14、确定关于所述方位角、高度角的菲涅尔区函数模型；

15、根据所述菲涅尔区函数模型和所述边界函数选择反射点，以将所述反射点集合形成gnss反射区域。

16、可选地，获取反射信号snr观测值序列，包括：

17、通过对由待监测水位区域水面所反射形成gnss干涉信号依据所述gnss反射区域进行选择，生成以卫星高度角正弦值为自变量、以snr观测值为因变量的干涉信号snr观测值序列；

18、从所述干涉信号snr观测值序列中剔除直射信号，得到反射信号snr观测值序列。

19、可选地，从所述反射信号snr观测值序列提取不同卫星序列的振荡频率，包括：

20、设定先验高度范围的模型约束条件；

21、基于所述模型约束条件，并采用lomb-scargle谱分析方法进行反射信号snr观测值序列分析，获得初步频率信息；

22、预定义质量控制条件，根据所述质量控制条件从所述初步频率信息中选择有效频率信息。

23、可选地，由所述振荡频率确定接收机的反射高度，通过以下公式执行，

24、

25、以上公式中，h为接收机反射高度，λ为卫星波长，f为频率。

26、第二方面，本申请提供一种针对狭窄或不规则区域应用的gnss-ir水位监测装置，包括：

27、获取模块，用以获取不同卫星对应的方位角和高度角；

28、构建模块，用以构建水体反射面的边界函数；

29、第一确定模块，用以根据所述边界函数和反射点第一菲涅尔区，并基于动态变化的卫星弧高度角掩膜阈值，确定狭窄或不规则水体的gnss反射区域，反射点通过所述方位角和高度角所表征；

30、提取模块，用以根据选择自所述gnss反射区域的干涉信号，获取以卫星高度角正弦值为自变量、以snr观测值为因变量的反射信号snr观测值序列，并从所述反射信号snr观测值序列提取不同卫星序列的振荡频率，以由所述振荡频率确定接收机的反射高度；

31、第二确定模块，用以根据所述反射高度确定水位监测结果。

32、第三方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，包括程序，当所述程序在计算机上运行时，使得计算机执行如上述的方法。

33、第四方面，本申请提供一种执行设备，包括处理器和存储器，所述处理器与所述存储器藕合；

34、所述存储器，用于存储程序；

35、所述处理器，用于执行所述存储器中的程序，使得所述执行设备执行如上述的方法。

36、本申请所公开方法中，根据边界函数和反射点第一菲涅尔区确定狭窄或不规则水体的gnss反射区域，可充分利用落在水体反射区的低高度角数据，解决了相关技术中因最低高度角掩膜阈值固定选取所导致的狭窄或不规则区域水位监测中反演成功率低的问题，从而确保了水位监测结果的精准性。

技术特征：

1.一种针对狭窄或不规则区域的水位监测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取不同卫星对应的方位角和高度角，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界函数通过二阶多项式数学建模。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定狭窄或不规则水体的gnss反射区域，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取反射信号snr观测值序列，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述反射信号snr观测值序列提取不同卫星序列的振荡频率，包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述振荡频率确定接收机的反射高度，通过以下公式执行，

8.一种针对狭窄或不规则区域应用的水位监测装置，其特征在于，包括：

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，当所述程序在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1至7中任一项所述的方法。

10.一种执行设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器与所述存储器藕合；

技术总结
本申请公开了针对狭窄或不规则区域的水位监测方法、装置。本方法包括：获取不同卫星对应的方位角和高度角；构建水体反射面的边界函数；根据边界函数和反射点第一菲涅尔区，并基于动态变化的卫星弧高度角掩膜阈值，确定狭窄或不规则水体的GNSS反射区域；通过对GNSS干涉信号依据反射区域进行处理，以获取反射信号信噪比观测值序列并提取振荡频率，确定接收机的反射高度；根据反射高度确定水位监测结果。本公开方法中，根据边界函数和反射点第一菲涅尔区确定狭窄或不规则水体的反射区域，并结合动态选择卫星弧高度角掩膜阈值，充分利用落在水体反射区的低高度角数据，解决相关技术中反演成功率低问题，从而确保水位监测结果的精准性。

技术研发人员：陈渠森,姜卫平,单强,李昭,刘凯,郭婧瑄
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10