一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法技术

本发明专利技术描述了一种基于北斗或GPS导航系统卫星载噪比观测值的洪水探测方法，属于导航卫星反演技术领域。发明专利技术提出一种基于北斗/GPS导航卫星系统载噪比观测值的洪水探测方法：第一步：在模型建立层面。第二步：基于载噪比观测值的直接探测法。第三步：基于载噪比相位差与土壤湿度关联模型的间接探测法。第四步：对洪水探测结果分析处理。采用本发明专利技术所述方法，既避免了传统地面观测站因站点分布少，密度不均匀，时空分辨率低等问题而导致的洪水探测精度低和探测范围小的缺陷，同时避免了基于遥感卫星雷达站方法建设成本高和建设周期长，且需专用接收机设备进行探测的缺陷。用接收机设备进行探测的缺陷。用接收机设备进行探测的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法


[0001]本专利技术描述了一种基于北斗或GPS导航系统卫星载噪比观测值的洪水探测方法，属于导航卫星反演


技术介绍

[0002]随着全球二氧化碳排放量的不断增加，全球变暖形势也日趋严峻，由此带来的极端天气出现比例也日渐增多。其中，极端强降雨所导致的局部洪水泛滥或城市内涝等灾害频繁发生，比如今年出现在中国河南新乡、山西临汾、以及东南亚等地的洪水灾害给当地人民群众的生命安全和经济发展带来了极大的影响。因此，快速及时精准的洪水探测和监控可以为政府和主管部门的防洪以及疏散群众提供有力支持，从而最大程度保障人民的生命安全和经济建设。
[0003]目前，针对洪水的探测方法主要分为两种，一种是基于地面观测的雨量监测站，另外一种是基于遥感卫星反演的雷达站。然而，基于地面观测的雨量站覆盖范围有限，因硬件成本较高也难以做到大范围设站，导致站点密度不足，且受城市建筑格局的影响会导致站点的分布不均等问题。此外，由于地面观测站每个站点的监控空间范围较小，而降水所导致的城市洪水内涝又具有显著的空间差异性，因此利用地面观测站的洪水监测不仅成本较高，且时空分辨率也较低，会产生较大的误差。尽管基于遥感卫星的雷达站可以提供较高的时空分辨率，从而为洪水探测提供精确的数据，但这种设备受复杂地形影响较大，且由于雷达站建设要求高，无法建设在人口密度较大较集中的城市中。此外，基于遥感卫星雷达站的方法也存在硬件建设成本大和建设周期长的问题，不仅需要发射专用的遥感卫星，且地面接收设备也需要是专业的雷达信号接收机。因此，研究利用现有的北斗或GPS导航系统卫星和低成本的接收机的洪水探测方法尤为重要，不仅可以有效提高洪水探测时空分辨率，同时可以有效节约硬件成本和建设周期，对洪水灾害预防和卫星导航系统的应用扩展都具有重要的研究意义和科学价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法，该方法能够利用现有北斗或GPS导航系统卫星和低成本的接收机对洪水进行有效探测，既可以大幅提高洪水探测的时空分辨率，又可以节约硬件成本和建设周期。通过采用基于高度角约束的自适应滑动窗口模型对原始载噪比观测值进行滤波去噪处理，滤除掉高频随机噪声误差，提高载噪比观测值精度。同时采用二阶多项式拟合算法去除直射信号载噪比影响，提取仅保留反射信号的载噪比数据，提高后续洪水探测精确率。此外，在利用直接对比反射信号载噪比进行探测的基础上，防止因其它缘故，如接收机硬件故障或周围环境发生变换等引起的载噪比波动，本专利技术专利还利用载噪比相位差和土壤湿度的关联对洪水进行二次探测，既保证了洪水探测成功率，同时克服单探测量探测准确率低或出现误探的缺陷。因此，本专利技术可以满足任意情形下的洪水探测，解决现有方法站点分布少，密度不均匀，硬件成本
高以及建设周期长等问题。
[0005]为此，本专利技术提出一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，建立模型；利用低成本的大地测量型接收机采集北斗或GPS导航系统卫星的载噪比观测数据，同时计算其相应历元时刻的高度角和方位角，建立基础的洪水探测对比参考模型；
[0007]步骤1
‑
1，针对随机噪声的影响，采用基于高度角约束的自适应滑动窗口对原始载噪比观测值进行滤波去噪处理，提高载噪比观测值的精度；
[0008]步骤1
‑
2，利用二阶多项式拟合方法对载噪比观测值进行处理，滤除掉直射信号的载噪比影响，仅保留反射信号的载噪比信息；
[0009]步骤1
‑
3，与步骤1
‑
2同步进行，算载噪比相位差与土壤湿度的信息；
[0010]步骤1
‑
4，对各北斗或GPS系统按照分轨道分频率分卫星建立载噪比直接探测模型和相位差土壤湿度间接探测模型；
[0011]步骤2，利用步骤1建立的洪水探测载噪比模型对探测天的数据直接进行载噪比对比探测；
[0012]步骤2
‑
1，对探测当天接收到的北斗或GPS载噪比数据进行处理，得到探测当天的精确的各卫星各频率的载噪比数据；
[0013]步骤2
‑
2，将该历元时刻获得的载噪比数据与步骤1建立的洪水探测模型进行比对，其比对参考以卫星的高度角和方位角为基准；
[0014]步骤2
‑
3，将比对结果和阈值做比较，如果比对结果超过洪水设定阈值，则对该历元进行标记，若小于探测阈值，则进行下一历元时刻处理；
[0015]步骤3，利用载噪比中的相位差与土壤积水的关联型对洪水进行二次探测，确保洪水探测成功率和准确率；
[0016]步骤3
‑
1，采用Lomb
‑
Scargle谱分析方法计算卫星的有效反射高度，消除卫星有效反射高度对相位差计算的影响，为相位差的精确计算提供保障；
[0017]步骤3
‑
2，利用土壤湿度和相位差的相关模型计算该相位差对应的土壤湿度，得到实时的土壤湿度数据；
[0018]步骤3
‑
3，将计算得到的土壤湿度数据与建立的土壤湿度探测模型进行对比，若此时土壤湿度超过设定阈值，则进行标记，若小于探测阈值，则不进行标记；
[0019]步骤4，结合步骤2和步骤3的结果，对洪水探测结果分析处理；若两种数据均出现标记，则对洪水进行预警处理，若仅有一组数据，则利用步骤2和步骤3的数据对探测模型进行更新完善，若两组探测结果均没有标记，则不进行任何处理。
[0020]作为优选，所述的高度角约束的自适应滑动窗口算法包括以下子步骤：
[0021]子步骤11a，在卫星上升初期，高度角由0到30度的上升阶段，选择前向滑动窗口，窗口长度根据数据采样频率选择；
[0022]子步骤11b，当卫星高度角大于30度时，选择前向后向联合窗口平滑模式，窗口长度选择60和30；
[0023]子步骤11c，在卫星下降阶段，高度角小于30度时，采用后向滑动窗口进行滤波去噪。
[0024]作为优选，所述的分卫星建立载噪比直接探测模型，建立过程包括以下子步骤：
[0025]子步骤14a，连续收集无降雨日的北斗或GPS载噪比观测值；
[0026]子步骤14b,按照步骤1
‑
1载噪比滤波去噪处理方法进行处理；
[0027]子步骤14c,分轨道类型、分卫星、分频率对处理的载噪比进行分类建模。
[0028]作为优选，所述的相位差土壤湿度间接探测模型算法，包括以下子步骤：
[0029]子步骤15a，采用二阶多项式拟合模型对载噪比进行处理，消除直射信号的载噪比影响，仅保留反射信号的载噪比，其二阶多项式拟合模型表示如下：
[0030][0031]其中，2表示该多项式为2阶多项式，w是x的系数，x
i
代表的是x的i次幂；信号长度为N，对于每一个样本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立模型；利用低成本的大地测量型接收机采集北斗或GPS导航系统卫星的载噪比观测数据，同时计算其相应历元时刻的高度角和方位角，建立基础的洪水探测对比参考模型；步骤1
‑
1，针对随机噪声的影响，采用基于高度角约束的自适应滑动窗口对原始载噪比观测值进行滤波去噪处理，提高载噪比观测值的精度；步骤1
‑
2，利用二阶多项式拟合方法对载噪比观测值进行处理，滤除掉直射信号的载噪比影响，仅保留反射信号的载噪比信息；步骤1
‑
3，与步骤1
‑
2同步进行，算载噪比相位差与土壤湿度的信息；步骤1
‑
4，对各北斗或GPS系统按照分轨道分频率分卫星建立载噪比直接探测模型和相位差土壤湿度间接探测模型；步骤2，利用步骤1建立的洪水探测载噪比模型对探测天的数据直接进行载噪比对比探测；步骤2
‑
1，对探测当天接收到的北斗或GPS载噪比数据进行处理，得到探测当天的精确的各卫星各频率的载噪比数据；步骤2
‑
2，将该历元时刻获得的载噪比数据与步骤1建立的洪水探测模型进行比对，其比对参考以卫星的高度角和方位角为基准；步骤2
‑
3，将比对结果和阈值做比较，如果比对结果超过洪水设定阈值，则对该历元进行标记，若小于探测阈值，则进行下一历元时刻处理；步骤3，利用载噪比中的相位差与土壤积水的关联型对洪水进行二次探测，确保洪水探测成功率和准确率；步骤3
‑
1，采用Lomb
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Scargle谱分析方法计算卫星的有效反射高度，消除卫星有效反射高度对相位差计算的影响，为相位差的精确计算提供保障；步骤3
‑
2，利用土壤湿度和相位差的相关模型计算该相位差对应的土壤湿度，得到实时的土壤湿度数据；步骤3
‑
3，将计算得到的土壤湿度数据与建立的土壤湿度探测模型进行对比，若此时土壤湿度超过设定阈值，则进行标记，若小于探测阈值，则不进行标记；步骤4，结合步骤2和步骤3的结果，对洪水探测结果分析处理；若两种数据均出现标记，则对洪水进行预警处理，若仅有一组数据，则利用步骤2和步骤3的数据对探测模型进行更新完善，若两组探测结果均没有标记，则不进行任何处理。2.根据权利要求1所述的一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法，其特征在于，所述的高度角约束的自适应滑动窗口算法包括以下子步骤：子步骤11a，在卫星上升初期，高度角由0到30度的上升阶段，选择前向滑动窗口，窗口长度根据数据采样频率选择；子步骤11b，当卫星...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏明坤，乔磊，孙闽红，刘二小，简志华，仇兆炀，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：