基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法及系统。本发明专利技术在探测区域的地面布设单站多星接收站，利用多站组网方式构建单站多星接收站与卫星之间的星地链路网络，并对单站多星接收站接收到的卫星下行信号进行数据采集和提取，得到卫星信号接收强度信息；然后将探测区域近地面二维平面划分为多个互不重叠的矩形方格，计算每条星地链路在各个矩形方格中的投影分量；在提取降雨衰减和划分方格的基础上，利用雨衰关系反演得到雨强分布，雨强分布信息可以融合探测区域地理信息，完成近地面二维降雨场的重构。本发明专利技术可以实现对大范围降雨的实时、准确、连续的探测。

【技术实现步骤摘要】
基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法及系统
本专利技术涉及非合作源卫星信号探测大气领域，尤其是一种基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法及系统。
技术介绍
获取近地面二维降雨场资料有利于研究降雨的水平分布特征，对农业灌溉、水资源管理和自然灾害监测预警等有着重要的意义。能够实现二维降雨场监测的传统探测手段主要包括雨量筒组网、天气雷达和气象卫星。其中雨量筒对单点测量结果具有较高的准确性，但其组网探测的空间分辨率取决雨量筒的布设密度，而且对于山区、海岛等地区的维护成本较高；天气雷达能够实现大范围降雨的连续监测，并且输出高时空分辨率的探测结果，但是其通过空中云雨回波反演地面雨强，对近地面降雨情况的代表性不够准确，且在低仰角时容易受到地物的影响产生较大的误差；气象卫星则能够实现对全球范围的降雨观测，并且能够实现降雨内部结构的反演，但对于某一区域，气象卫星一天仅能过境两次，因此观测的时间分辨率较低，无法满足降雨场连续实时监测的要求。目前，世界上有接近200多颗地球广播通信卫星在轨运行，仅中国大陆上空就有30颗广播通信卫星。降雨时的卫星信号变化与降雨强度较高的相关性，利用某一固定卫星接收站的某一刻卫星的信号衰减信息可以实现降雨强度的反演(如专利201910170984.0所记载)，但是仅能获取单条链路的平均雨强。利用类似动中通天线，利用伺服天线对某一极轨卫星进行跟踪，可以反演垂直降雨场(如专利201911073941.7所记载)，利用多个伺服天线跟踪多颗极轨卫星，可以反演三维降雨场(如专利201910965486.5所记载)，但是伺服天线与固定天线相比，价格昂贵，普及程度不高。我国广播卫星用户已超过1亿，均是采用固定天线，其卫星接收终端具有天线体积小、价格低、操作简单、无需额外维护等优点。为了充分发挥已有卫星接收设备的探测潜力，有必要设计基于单站多星和多站组网的近地面二维降雨场探测系统，并实现基于区域分布的降雨场重构方法，进一步提高近地面二维降雨场的探测精度和时空分辨率。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于，在增加现有卫星接收设备成本的基础上，基于已有卫星接收设备的探测潜力，设计一种基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法及系统，以达到准确观测近地面降雨情况并顺利重构二维降雨场的目的。本专利技术利用单站多星和多站组网方式构建近地面二维降雨场探测系统，在提取降雨衰减和划分方格的基础上，利用雨衰关系反演得到雨强分布，雨强分布信息可以融合探测区域地理信息，完成近地面二维降雨场的重构。
技术实现思路
：为实现上述目的，本专利技术一方面提出一种基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法，所述方法包括以下步骤：(1)在探测区域的地面布设单站多星接收站，每个单站多星接收站通过配置的多个固定天线分别接收多颗卫星的下行信号，n个单站多星和m颗卫星之间的星地链路路径互相交叉，形成具有n×m条星地链路的密集网络；(2)设置采样时间点，记采样时间点总数为T；在每个采样时间点t采集各星地链路上卫星的下行信号，并根据卫星信号频率f和采样得到的信号强度信息Pr计算各星地链路上的雨致衰减；(3)将探测区域近地面二维平面划分为多个互不重叠的矩形方格，计算每条星地链路在各个矩形方格中的投影分量；(4)构建雨衰方程组：Dγ＝ArAr＝[Arain，1(1，f1)，…，Arain，1(T，f1)，Arain，2(1，f2)，…，Arain，2(T，f2)，…，…，Arain，n×m(T，fn×m)]Tγ＝[γ1，γ2，γ3，…，γN×M]D＝[D1(1)，…，D1(T)，D2(1)，…，D2(T)，…，Dn×m(1)，…，Dn×m(T)]T其中，Arain，i(t，fi)表示第i条星地链路在采样时间点t雨致衰减，fi表示第i条星地链路上卫星的信号频率，i∈[1，2，…，n×m]；γ为待解降雨特征衰减向量，γj是第j个矩形方格内的降雨特征衰减，j∈[1，2，…，N×M]；Di(t)＝[di，1(t)，dj，2(t)，di，3(t)，…，di，N×M(t)]，di，j(t)表示采样时间点t第i条星地链路在第j个矩形方格上的投影分量，若第i条星地链路未经过第j个矩形方格，则di，j(t)＝0；(5)求解雨衰方程组，得到降雨特征衰减向量γ；由雨强和降雨特征衰减的关系重构降雨强度分布矩阵：R＝f(γ)其中，f()表示雨强和降雨特征衰减的函数关系；(6)将步骤(5)中得到的降雨强度与各矩形方格对应，完成近地面二维降雨场的重构。上述方法还包括以下多个可选实施方式，各可选实施方式可任意组合。作为所述方法的一种可选实施方式，上述方法中，计算星地链路上的雨致衰减的表达式为：Arain(t，f)＝Ptran+Gtran+Gr-Asci(t，f)-Agas(t，f)-Acloud(t，f)-Pr(t)其中，Arain(t，f)表示采样时间点t的降雨衰减；Ptran，Gtran和Gr为常值，Ptran表示星地链路上卫星的发射功率，Gtran表示卫星的天线增益，Gr表示星地链路上地面接收天线的增益；Asci(t，f)表示采样时间点t对流层内湍流引起的闪烁衰减，Agas(t，f)表示采样时间点t水汽和氧气引起的气体衰减，Acloud(t，f)表示在采样时间点t云引起的衰减；Pr(t)表示星地链路中的单站多星接收站在采样时间点t接收到的卫星下行信号的信号强度信息。作为所述方法的一种可选实施方式，所述各个矩形方格的大小可以均匀，也可以不均匀。作为所述方法的一种可选实施方式，所述闪烁衰减Asci(t，f)，气体衰减Agas(t，f)和云致衰减Acloud(t，f)的计算方法分别为：Asci(t，f)＝7.196·(3.6×10-3+10-4×Nwet)f7/12g(x)/sinθ1.2Acloud(t，f)＝Kl(f，T)MLcloud其中，Nwet表示无线电波折射率，θ表示接收天线仰角，h表示接收天线的海拔高度，N”oxy(H，f)和N”vap(H，f)分别表示氧气和水汽负折射率的虚部，H表示海拔高度，Kl表示云中液态水比衰减系数，T表示云中液态水温度，Lcloud表示星地链路在云中的距离，η表示接收天线效率，D表示接收天线直径，L表示星地链路传播距离。作为所述方法的一种可选实施方式，所述di，j(t)的计算公式为：其中，(xi，jin(t)，yi，jm(t))和(xi，jout(t)，yi，jout(t))分别代表采样时间点t第i条星地链路与第j个方格的两个交点的坐标。作为所述方法的一种可选实施方式，所述步骤(5)中采用正则化反演方法求解雨衰方程组，求解的具体步骤包括：1)由最小二乘原理，得到雨衰方程组的特征衰减系数解满足：J[γ]＝||Ar-Dγ||2＝min！2)在步骤1)中引入正则化项，则雨衰方程组的特征衰减系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法，其特征在于：/n所述方法包括以下步骤：/n(1)在探测区域的地面布设单站多星接收站，每个单站多星接收站通过配置的多个固定天线分别接收多颗卫星的下行信号，n个单站多星和m颗卫星之间的星地链路路径互相交叉，形成具有n×m条星地链路的密集网络；/n(2)在降雨器件，设置采样时间点，记采样时间点总数为T；在每个采样时间点t采集各星地链路上卫星的下行信号，并根据卫星信号频率f和采样得到的信号强度信息P

【技术特征摘要】
1.基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
(1)在探测区域的地面布设单站多星接收站，每个单站多星接收站通过配置的多个固定天线分别接收多颗卫星的下行信号，n个单站多星和m颗卫星之间的星地链路路径互相交叉，形成具有n×m条星地链路的密集网络；
(2)在降雨器件，设置采样时间点，记采样时间点总数为T；在每个采样时间点t采集各星地链路上卫星的下行信号，并根据卫星信号频率f和采样得到的信号强度信息Pr计算各星地链路上的雨致衰减；
(3)将探测区域近地面二维平面划分为多个互不重叠的矩形方格，计算每条星地链路在各个矩形方格中的投影分量；
(4)构建雨衰方程组：
Dγ＝Ar
Ar＝[Arain，1(1，f1)，…，Arain，1(T，f1)，Arain，2(1，f2)，…，Arain，2(T，f2)，…，…，Arain，n×m(T，fn×m)]T
γ＝[γ1，γ2，γ3，…，γN×M]
D＝[D1(1)，…，D1(T)，D2(1)，…，D2(T)，…，Dn×m(1)，…，Dn×m(T)]T
其中，Arain，i(t，fi)表示第i条星地链路在采样时间点t雨致衰减，fi表示第i条星地链路上卫星的信号频率，i∈[1，2，…，n×m]；γ为待解降雨特征衰减向量，γj是第j个矩形方格内的降雨特征衰减，j∈[1，2，…，N×M]；Di(t)＝[di，1(t)，di，2(t)，di，3(t)，…，di，N×M(t)]，di，j(t)表示采样时间点t第i条星地链路在第j个矩形方格上的投影分量，若第i条星地链路未经过第j个矩形方格，则di，j(t)＝0；
(5)求解雨衰方程组，得到降雨特征衰减向量γ；由雨强和降雨特征衰减的关系重构降雨强度分布矩阵：
R＝f(γ)
其中，f()表示雨强和降雨特征衰减的函数关系；
(6)将步骤(5)中得到的降雨强度与各矩形方格对应，完成近地面二维降雨场的重构。


2.根据权利要求1所述的基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法，其特征在于：
计算星地链路上的雨致衰减的方法为：
Arain(t，f)＝Ptran+Gtran+Gr-Asci(t，f)-Agas(t，f)-Acloud(t，f)-Pr(t)
其中，Arain(t，f)表示采样时间点t的降雨衰减；Ptran，Gtran和Gr为常值，Ptran表示星地链路上卫星的发射功率，Gtran表示卫星的天线增益，Gr表示星地链路上地面接收天线的增益；Asci(t，f)表示采样时间点t对流层内湍流引起的闪烁衰减，Agas(t，f)表示采样时间点t水汽和氧气引起的气体衰减，Acloud(t，f)表示在采样时间点i云引起的衰减；Pr(t)表示星地链路中的单站多星接收站在采样时间点t接收到的卫星下行信号的信号强度信息。


3.根据权利要求2所述的基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法，其特征在于：
所述各个矩形方格的大小可以均匀，也可以不均匀。


4.根据权利要求2所述的基于单站多星与多站组网的近地面二维降雨场重构方法，其特征在于：所述闪烁衰减Asci(t，f)，气体衰减Agas(t，f)和云致衰减Aclo...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘西川，咸明皓，赵迎诚，高太长，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32