海面風(fēng)場的反演方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)時(shí)快速的星載GNSS-R海面風(fēng)場 的反演方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem, GNSS)研究的不斷深人，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域之外，GNSS的反射信號 是可以被接收并利用的，由此開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，GNSS反射（globalnavigation satellitesystem-reflection，GNSS-R)技術(shù)，研究地球海面狀態(tài)的GNSS-R探測技術(shù)也因 此發(fā)展成為一種新型的空間探測技術(shù)之一。GNSS-R海面狀態(tài)探測技術(shù)基于GNSS信號入射 到海面上時(shí)受到海面的散射，不同的海面狀態(tài)會對GNSS信號的散射產(chǎn)生不同影響的原理， 通過對接收到的散射信號的特性進(jìn)行研究可以反演得到海面狀態(tài)參數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)對全 球范圍的海洋環(huán)境進(jìn)行探測。
[0003] 海面風(fēng)場GNSS-R探測技術(shù)主要通過對海面GNSS散射功率特性進(jìn)行研究并反演得 到海面風(fēng)場。現(xiàn)有技術(shù)中常用的GNSS-R海面反演方法是散射功率波形擬合法，如圖1所示， 其基本原理是：首先，通過海浪譜模型獲得在不同衛(wèi)星高度、衛(wèi)星仰角、海面風(fēng)速、海面風(fēng)向 等條件下的海面散射功率的理論波形；然后，通過對接收機(jī)測量獲得的海面散射功率數(shù)據(jù) 進(jìn)行濾波降噪等后處理，獲得海面散射功率的測量波形；最后，將理論波形與測量波形進(jìn)行 擬合，反演獲得相對應(yīng)的海面風(fēng)速和海面風(fēng)向。這種反演方法存在計(jì)算量大、風(fēng)向模糊度 高、擬合不精確等多方面的局限性和不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，為克服上述至少一個(gè)缺點(diǎn)，并提供下述至少一種優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明公開了一 種海面風(fēng)場的反演方法及裝置，對于反演海面狀態(tài)參數(shù)風(fēng)速與風(fēng)向，具有快速性和實(shí)時(shí)性， 且準(zhǔn)確度高，可廣泛應(yīng)用于GNSS-R海面風(fēng)場探測領(lǐng)域。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] 一種海面風(fēng)場的反演方法，包括：
[0007] 獲取海面上鏡面反射點(diǎn)處的GNSS反射信號的測量數(shù)據(jù)，并對所述測量數(shù)據(jù)進(jìn)行 處理得到平滑的測量數(shù)據(jù)；
[0008] 基于以雙基雷達(dá)觀測方程為基礎(chǔ)獲得的DDM功率積分函數(shù)表達(dá)式，得到GNSS反射 信號的測量數(shù)據(jù)與海面散射系數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)所述平滑的測量數(shù)據(jù)和所述測量數(shù)據(jù)與 海面散射系數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算所述鏡面反射點(diǎn)處的海面散射系數(shù)；
[0009] 基于Z-V模型得到海面散射系數(shù)與海面斜率概率密度函數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算 出的所述海面散射系數(shù)以及所述海面散射系數(shù)與海面斜率概率密度函數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算 海面斜率的概率密度函數(shù)；以及
[0010] 根據(jù)所述海面斜率的概率密度函數(shù)計(jì)算海面風(fēng)速以及海面風(fēng)向。
[0011] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演方法中，所述GNSS反射信號的測量數(shù)據(jù)及海面散 射系數(shù)之間的關(guān)系以式（1)表示：
[0012]
(1)
[0013] 其中，〇 °為海面上鏡面反射點(diǎn)處的散射系數(shù)，聲為海面上各反射點(diǎn)的位置向量， t為海面上各所述其它反射點(diǎn)相對于所述鏡面反射點(diǎn)的延遲，fD為海面上各所述其它反射 點(diǎn)相對于所述鏡面反射點(diǎn)的多普勒頻移，A為信號波長，為相干積分時(shí)間，Rt為其它反射 點(diǎn)到發(fā)射機(jī)的距離，&為其它反射點(diǎn)到接收機(jī)的距離，Gt為發(fā)射天線增益，t為接收天 線增益；所述反射點(diǎn)包括所述鏡面反射點(diǎn)和其它反射點(diǎn)。
[0014] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演方法中，所述海面散射系數(shù)與海面斜率概率密度函 數(shù)之間的關(guān)系以式（14)來表示：
[0015]
[0016] 其中，〇 °所述海面上鏡面反射點(diǎn)處的散射系數(shù)，f為海面斜率，S為散射向量， 為給定極化方式的菲涅耳反射系數(shù)，為海面傾斜S的概率密度函數(shù)。
[0017] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演方法中，所述根據(jù)所述海面斜率的概率密度函數(shù)計(jì) 算海面風(fēng)速包括：
[0018]基于式（15)和式（16)計(jì)算海面斜率：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，S。為側(cè)風(fēng)方向的海面斜率，Su為順風(fēng)方向的海面斜率，of為側(cè)風(fēng)方向的斜率 方差，g為順風(fēng)方向的斜率方差；
[0022] 基于所計(jì)算出的海面斜率，根據(jù)式（17)計(jì)算海面均方斜率；
[0023]
[0024] 其中，MSSU為順風(fēng)方向的海面均方斜率，MSS。為側(cè)風(fēng)方向的海面均方斜率，S。為側(cè) 風(fēng)方向的海面斜率，Su為順風(fēng)方向的海面斜率，i為參與計(jì)算順風(fēng)方向的海面均方斜率的海 面斜率的數(shù)量，j為參與計(jì)算側(cè)風(fēng)方向的海面均方斜率的海面斜率的數(shù)量；以及
[0025] 基于所計(jì)算出的所述海面均方斜率，根據(jù)式（18)計(jì)算所述海面風(fēng)速：
[0026]MSSU(U) =0? 45 ?(0?00+0? 00316 ?f(U))
[0027]MSSC(U) =0? 45 ?(0? 003+0. 00192 ?f(U)) (18)
[0028] 其中，U是與當(dāng)?shù)貙?shí)際風(fēng)速Ut_有關(guān)的風(fēng)速，并滿足式（19):
[0029]f(U) =U 0. 00 <U^ 3. 49
[0030]f(U) = 6 ?in(U) -4. 0 3. 49 <U彡 46
[0031]f(U) = 0. 411 ?U 46 <U (19)。
[0032] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演方法中，所述根據(jù)所述海面斜率的概率密度函數(shù)計(jì) 算海面風(fēng)向包括：
[0033] 基于式（20)和（21)，以及所述海面斜率的概率密度函數(shù)計(jì)算海面風(fēng)向 ：
[0034]
[0036] 其中，臀為在入射平面內(nèi)順風(fēng)（或逆風(fēng)）方向與x軸方向的夾角，MSSU表示順風(fēng)方 向的海面均方斜率，MSS。表示側(cè)風(fēng)方向的海面均方斜率。
[0037] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演方法中，所述獲取海面上鏡面反射點(diǎn)處的GNSS反 射信號的測量數(shù)據(jù)包括：
[0038] 采用波束控制的方法獲取海面上鏡面反射點(diǎn)處的GNSS反射信號的測量數(shù)據(jù)。
[0039] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明還采用以下技術(shù)方案：
[0040] 一種海面風(fēng)場的反演裝置，包括：
[0041] 測量數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取海面上鏡面反射點(diǎn)處的GNSS反射信號的測量數(shù)據(jù)， 并對所述測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到平滑的測量數(shù)據(jù)；
[0042] 散射系數(shù)計(jì)算模塊，用于基于以雙基雷達(dá)觀測方程為基礎(chǔ)獲得的DDM功率積分函 數(shù)表達(dá)式，得到GNSS反射信號的測量數(shù)據(jù)與海面散射系數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)所述平滑的測 量數(shù)據(jù)和所述測量數(shù)據(jù)與海面散射系數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算所述鏡面反射點(diǎn)處的海面散射系 數(shù)；
[0043] 概率密度函數(shù)計(jì)算模塊，用于基于Z-V模型得到海面散射系數(shù)與海面斜率概率密 度函數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算出的所述海面散射系數(shù)以及所述海面散射系數(shù)與海面斜率概 率密度函數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算海面斜率的概率密度函數(shù)；以及
[0044] 反演模塊，用于根據(jù)所述海面斜率的概率密度函數(shù)計(jì)算海面風(fēng)速以及海面風(fēng)向。
[0045] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演裝置中，所述散射系數(shù)計(jì)算模炔基于所述測量數(shù)據(jù) 獲取模塊所處理得到的測量數(shù)據(jù)以及式（1)計(jì)算所述散射系數(shù)；
[0046]
(1)
[0047] 其中，〇 °為海面上鏡面反射點(diǎn)處的散射系數(shù)，#為海面上各反射點(diǎn)的位置向量， t為海面上各所述其它反射點(diǎn)相對于所述鏡面反射點(diǎn)的延遲，fD為海面上各所述其它反射 點(diǎn)相對于所述鏡面反射點(diǎn)的多普勒頻移，A為信號波長，為相干積分時(shí)間，Rt為其它反射 點(diǎn)#到發(fā)射機(jī)的距離，&為其它反射點(diǎn)聲到接收機(jī)的距離，Gt為發(fā)射天線增益，匕為接收天 線增益；所述反射點(diǎn)包括所述鏡面反射點(diǎn)和其它反射點(diǎn)。
[0048] 在如上所述的海面風(fēng)場的反演裝置中，所述概率密度函數(shù)計(jì)算模炔基于所述散射 系數(shù)計(jì)算模塊計(jì)算得到的散射系數(shù)以及式（14)計(jì)算所述概率密度函數(shù)；
[0049]
(14)
[0050] 其中，〇 °所述海面上鏡面反射點(diǎn)處的散射系數(shù)，5為海面斜率，I為散射