本發(fā)明涉及一種潮位的測量方法，尤其涉及一種基于連續(xù)運行GNSS站信噪比數(shù)據的潮位測量方法，屬于海洋水文領域。

背景技術：

潮位是海洋水文學的基本要素，是海洋資料中最直觀反映海洋情況的主要參數(shù)之一。沿岸潮位變化直接關系到船舶進出港口、海洋和海岸工程設計、海涂圍墾、潮汐發(fā)電等方面，平均海平面和深度基準面確定、潮汐表制作、風暴潮汐預報、地震預報等也都需要潮位資料作為依據。

不同潮位測量方法適用于不同的測量環(huán)境和目的，且有各自的局限，例如水尺測量法自動化程度較低，驗潮井潮位測量需要配套的基礎設施，聲學式與壓力式潮位儀易受海洋環(huán)境及其它物理參數(shù)的影響?；诓罘諫PS定位技術的GPS測量法可實現(xiàn)厘米精度測量，基于雷達高度計的遙感測量法可進行全球大尺度潮位測量，但均受地球固體潮的影響。

伴隨全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)反射信號遙感技術(Global Navigation Satellite System Reflectometry,GNSS-R)的逐漸興起與迅速發(fā)展，利用GNSS衛(wèi)星提供的長期穩(wěn)定、高時空分辨率的L波段微波信號，GNSS-R成為一種測量潮位的有效手段。等利用兩套大地測量用GPS設備，通過測量反射信號相對于直達信號的時間延遲測量海面高度。Larson等利用單套大地測量用GPS設備，通過對SNR波形中的干涉分量進行頻譜分析，得到海面距天線相位中心的高度。Rodriguez-Alvarez等利用特制的GPS接收設備，通過對直達與反射信號的干涉波形進行頻率計算得到水面高度。

但是，等的方法在風速較大、海面粗糙的情況下難以鎖定反射信號，且兩套GPS設備會增加成本；Larson等的方法處理SNR數(shù)據的步驟繁瑣，最終的結果中累積誤差較大；Rodriguez-Alvarez等的方法需要特制的GPS接收設備，無法利用現(xiàn)已廣泛存在、用于測量地殼運動的連續(xù)運行GNSS站網，因此限制了大范圍的應用推廣。

技術實現(xiàn)要素：

由此可見，確有必要提供一種簡單有效的潮位測量方法。

一種基于連續(xù)運行GNSS站信噪比數(shù)據的潮位的測量方法，包括以下步驟：

獲取預先建立的岸基GNSS站直達信號與經海面反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；

獲取標準RINEX格式文件，根據所述標準RINEX文件生成SNR數(shù)據文件；

根據SNR數(shù)據文件，截取每顆GNSS衛(wèi)星預定高度角范圍內的SNR數(shù)據，對按時間順序排列的高度角進行一階差分，從而對GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中的SNR數(shù)據進行分段，獲得每顆GNSS衛(wèi)星每個升起或降落過程中的SNR數(shù)據隨仰角變化的波形，并利用所述干涉模型對SNR數(shù)據波形進行擬合處理，獲得GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中的有效反射面高度h，該有效反射面高度h為GNSS天線相位中心與海面之間的鉛垂距離；

將預定時期內每顆GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中獲得的有效反射面高度，與潮位測量儀同步獲得的海面高度分別求和，并取算數(shù)平均值，得到GNSS相位中心距離零米海面的平均高度h₀；

計算GNSS天線相位中心距離零米海面的平均高度h₀與獲得的GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中的有效反射面高度h之間的差值，獲得潮位Δh。

在其中一個實施例中，所述干涉模型為：

其中，E_i為直達信號振幅，γ為仰角，ε為海面介電常數(shù)，R(γ,ε)為菲涅爾反射系數(shù)，G為GNSS天線增益模式，G(+γ)為直達信號增益，G(-γ)為反射信號增益，為反射信號與直達信號之間的相位差。

在其中一個實施例中，利用所述干涉模型對獲得到的SNR數(shù)據波形進行擬合處理包括：

選取GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中預定仰角范圍的SNR數(shù)據；

得到SNR數(shù)據隨GNSS衛(wèi)星仰角變化的波形；以及

利用干涉模型對該SNR數(shù)據波形進行擬合處理

在其中一個實施例中，所述仰角范圍為5°-30°中的任意區(qū)間。

在其中一個實施例中，利用所述干涉模型對觀測到的SNR數(shù)據波形進行擬合處理為利用最小二乘法對觀測到的SNR數(shù)據進行擬合處理。

在其中一個實施例中，所述預定時期大于等于7天。

相對于傳統(tǒng)技術，本發(fā)明提供的潮位測量方法通過利用岸基連續(xù)運行大地測量用GNSS站采集的數(shù)據，能夠方便、準確的對潮位進行測量，并且應用范圍廣泛，更加簡單有效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的潮位測量方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的潮位測量方法的總體框圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的岸基GNSS站直達信號與反射信號干涉示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中利用干涉模型擬合觀測的SNR數(shù)據的示例。

具體實施方式

下面將結合附圖及具體實施例對本發(fā)明提供的潮位的測量方法作進一步的詳細說明。

請一并參見圖1與圖2，本發(fā)明實施例提供一種基于連續(xù)運行GNSS(Global Navigation Satellite System)站信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)數(shù)據的潮位的測量方法，該方法包括以下步驟：

S1，獲取預先建立的岸基GNSS站直達信號與經海面反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；

S2，利用右旋圓極化天線采集原始觀測數(shù)據并轉換為標準RINEX格式文件，根據所述標準RINEX文件生成SNR數(shù)據文件；

S3，根據SNR數(shù)據文件，截取每顆GNSS衛(wèi)星預定高度角范圍內的SNR數(shù)據，對按時間順序排列的高度角進行一階差分，從而根據差分結果的正負對衛(wèi)星升起或降落過程中的SNR數(shù)據進行分段，獲得每顆GNSS衛(wèi)星每個升起或降落過程中的SNR數(shù)據隨仰角變化的波形，并利用所述干涉模型對SNR數(shù)據波形進行擬合處理，獲得GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中的有效反射面高度h，該有效反射面高度h為GNSS天線相位中心與海面之間的鉛垂距離；

S4，將預定時期內每顆GNSS衛(wèi)星每個升起或降落過程中獲得的有效反射面高度與潮位測量儀同步獲得的海面高度分別求和，并取算數(shù)平均值，得到GNSS天線相位中心距離零米海面的平均高度h₀；

S5，計算GNSS天線相位中心距離零米海面的平均高度h₀與獲得的GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中的有效反射面高度h之間的差值，獲得潮位Δh。

請一并參閱圖3，在步驟S1中，假設到達GNSS天線相位中心的信號是由直達信號與鏡面反射信號干涉疊加生成，海面水平，則衛(wèi)星高度角即為信號仰角。其中直達信號振幅為E_i，仰角為γ，海水介電常數(shù)為ε，則菲涅爾反射系數(shù)為R(γ,ε)，鏡面反射信號振幅為E_i·R(γ,ε)。GNSS天線增益模式為G，則對應于直達與反射信號的增益分別為G(+γ)與G(-γ)。定義有效反射面高度h為GNSS天線相位中心距有效反射面(海面)之間的鉛垂距離。

假設直達信號為S_d(t)，反射信號為S_r(t)，干涉信號為S_interf(t)，則：

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為信號的角頻率，t為時間，與ψ分別為反射信號與干涉信號相對于直達信號的相位延遲。

因為干涉信號可表示為直達信號與反射信號的相干疊加，則由式(1)與式(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)與式(5)得：

其中，反射信號與直達信號之間的相位差為：

其中，λ為GNSS信號波長。

因為直達GNSS信號為右旋圓極化，與之產生干涉的反射GNSS信號同為右旋圓極化，則右旋到右旋的GNSS信號反射系數(shù)R_rr為：

其中，下標r,v,h分別表示右旋圓極化、垂直線極化與水平線極化，R_vv與R_hh分別為：

因為SNR數(shù)據的單位一般用dB表示，可以由式(6)得：

步驟S2中，將原始觀測數(shù)據轉換格式后，形成標準RINEX格式文件。所述RINEX格式文件包括觀測數(shù)據文件(O文件)、導航電文文件(N文件)等?？梢岳斫猓瞬襟E并非必要，有些GNSS接收機能夠實現(xiàn)在線數(shù)據傳輸，直接傳回RINEX格式文件，即傳回的原始觀測數(shù)據即為RINEX格式；另外，如果有些GNSS接收機只傳回O文件，則N文件可使用IGS提供的SP3格式精密星歷。另外，可通過Matlab編程從RINEX格式文件中實現(xiàn)O文件、N文件讀取，計算得到衛(wèi)星號、時間、衛(wèi)星高度角/方位角、鏡像反射點坐標、不同頻段SNR數(shù)據等，生成SNR數(shù)據文件。具體的，對于GPS衛(wèi)星，SNR有L1、L2和L5等頻段；對于北斗衛(wèi)星，有B1和B2兩個頻段。每個SNR數(shù)據文件依次存儲每秒采樣間隔的衛(wèi)星參數(shù)，包括衛(wèi)星號、時間、高度角、方位角、不同頻段的SNR數(shù)值等。

在步驟S3中，通過獲得每顆GNSS衛(wèi)星每個升起或降落過程中的SNR數(shù)據隨仰角變化的波形，利用所述干涉模型對觀測到的SNR數(shù)據波形進行擬合處理，即可獲得有效反射面高度h。

以北斗衛(wèi)星為例，對于測站從某個方位接收到的衛(wèi)星信號，GNSS接收機在接收北斗直達信號的同時，也會接受到海面的反射信號，反射信號與直達信號相比，頻率相同，強度由信號仰角和海面介電常數(shù)決定，同時由于路程差而產生相位偏移，以上因素綜合反映在SNR數(shù)據上即為干涉波形。

具體的，所述仰角范圍可為5°-30°中的任意區(qū)間，如5°-25°或8°-16°，可以根據需要進行選擇。仰角范圍大于5°可以保證信號通視，不受海面物體遮擋，仰角范圍超過30°后干涉波形振蕩幅度將不再顯著。進一步，由于漲潮/退潮時潮位變化較快，信號仰角變化5°-20°用時約一個小時，而且所述仰角范圍的選擇需要保證干涉波形約有三個振蕩周期，因此在本實施例中，仰角范圍優(yōu)選為5°-20°，既確保信號通視，又確保干涉波形振蕩幅度顯著，并且能夠近實時地反演潮位高度。

針對具體的某顆GNSS衛(wèi)星，其擬合過程為：

選取某顆GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中預定仰角范圍的SNR數(shù)據；

得到SNR隨衛(wèi)星仰角變化的波形；以及

利用步驟S1得到的干涉模型對該SNR數(shù)據波形進行擬合處理。

本實施例中基于最小二乘法利用式(11)表示的干涉模型對GNSS衛(wèi)星仰角范圍為5°-20°的SNR數(shù)據波形進行擬合，得到該衛(wèi)星的有效反射面高度h，即為GNSS天線相位中心與有效反射面(海面)之間的鉛垂距離。

在步驟S4中，所述預定時期大于等于7天，可以根據實際情況進行選擇，須盡最大程度排除隨機誤差的影響，例如大風情況下海面變得粗糙，以保證計算得到的GNSS天線相位中心距離零米海面的平均高度準確。通過將7天內每顆GNSS衛(wèi)星每個升起或降落過程中獲得的有效反射面高度a_i與通過潮位測量儀同步獲得的海面高度b_i分別求和(i＝1,2,…,n，其中，n為所有觀測到的GNSS衛(wèi)星所有升起和降落的個數(shù))，并取算數(shù)平均值，即可得到GNSS天線相位中心距離零米海面的平均高度

在步驟S5中，通過計算GNSS相位中心距離零米海面的平均高度h₀與獲得的GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中的有效反射面高度h之間的差值，即可獲得潮位Δh＝h₀-h。

相對于傳統(tǒng)技術，本發(fā)明提供的潮位測量方法，基于岸基GNSS站SNR數(shù)據干涉模型，既能夠利用現(xiàn)已廣泛存在、用于測量地殼運動的岸基連續(xù)運行大地測量用GNSS站網，以降低潮位測量成本，而且還可以在國際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame,ITRF)下進行定位，能夠消除地球固體潮影響，從而測量方法更加簡單準確。

本發(fā)明基于地基GNSS站SNR數(shù)據干涉模型，在利用干涉模型對SNR數(shù)據波形進行擬合前對SNR數(shù)據波形進行濾波處理，以及計算GNSS相位中心距離零米海面的平均高度時用到的各種數(shù)據處理方法，如取中位數(shù)，仍在本發(fā)明所定義的范圍以內。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。