基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法及其系统技术方案

本发明专利技术属于遥感测绘和海洋测绘技术领域，具体地说，涉及一种基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，该方法包括：步骤1)对雷达高度计SGDR数据中的20Hz回波原始波形数据进行波形重跟踪，得到1Hz的精度、纬度、距离测量值及其对应的波形重跟踪质量参数，进而得到海面高度；步骤2)计算沿轨迹残留垂线偏差ε

【技术实现步骤摘要】
基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法及其系统


[0001]本专利技术属于遥感测绘和海洋测绘
，具体地说，涉及基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法及其系统。

技术介绍

[0002]雷达高度计(Radar Altimeter)是一种重要的主动式微波遥感器，搭载于海洋遥感卫星上，通过向海面发射雷达脉冲信号并接收回波信号来获取海面高度(Sea Surface Height,SSH)、有效波高、风速等海洋观测数据。从卫星高度计获取的海洋观测数据中提取海洋大地水准面和垂线偏差等重力相关参量，可以进一步反演出海洋重力场。相比于传统的船载重力测量手段，卫星高度计在几个月内就可以完成过去一个世纪的工作量，具有无可比拟的优越性。相比于重力卫星观测，卫星高度计可以获得全球范围内的短波海洋重力场，也是目前获取全球覆盖的短波重力场的唯一手段。因此，卫星高度计是目前获取高精度全球海洋短波重力场的唯一手段。
[0003]在基于卫星雷达高度计数据的海洋重力场反演方法中，垂线偏差法因其能有效地抑制长波长误差的影响是当前最为优良的方法，被国内外学者广泛使用。而采用垂线偏差法反演海洋重力场的前提，就是获得高精度高分辨率的垂线偏差网格数据。其中垂线偏差格网化方法是获得高精度高分辨率垂线偏差的关键和难点，其将直接影响垂线偏差网格数据的分辨率和精度。
[0004]当前利用卫星测高数据计算网格垂线偏差的常用思路分为两类：基于交叉点计算和基于沿轨迹数据计算。其中，基于交叉点的垂线偏差计算方法；首先需要根据卫星经纬度信息，计算出地面轨迹的交叉点位置，求解出交叉点的垂线偏差后，还需要将其格网化。整个过程比较繁琐，计算量比较大，特别是对于多源卫星高度计数据联合处理。基于沿轨迹数据的最小二乘配置法(Least squares collocation,LSC)的计算方法，能直接将雷达高度计的海面高度SSH沿轨迹坡度解算为规则网格上的垂线偏差分量，不用计算轨迹交叉点，步骤比较简洁，更具有优势。
[0005]其中，最小二乘配置法是20世纪60年代在Krarup和Moritz的理论基础上发展起来的，起源于根据最小二乘预估来内插重力异常的课题。现有技术提出了利用LSC的计算方法将大地水准面高(从海面高度SSH中去除海面地形的影响)的沿轨迹坡度数据转化为网格垂线偏差的方法。在LSC的计算过程中，沿轨迹坡度的权值与其噪声方差成反比，因此，噪声协方差矩阵的确定尤为关键。噪声协方差矩阵表征用于计算格网垂线偏差的沿轨迹坡度的精度，是由沿轨迹坡度的噪声方差构成的对角矩阵。受限于非重复任务无法使用多次测量平均的方法，现有技术将同一卫星高度计任务的所有海面高度SSH测量值视为等精度，并由海面高度SSH精度根据误差传播定律来估计出沿轨迹垂线偏差的精度，来用于LSC计算。现有技术考虑到SARAL/AltiKa雷达高度计的Ka波段信号与以往常用的Ku波段信号的不同衰减特性，采用迭代法，确定了Ka波段高度计的大地水准面梯度用于LSC计算的权值。
[0006]在卫星高度计的实际工作过程中，由于外部观测环境的差异，同一卫星测高任务
中的不同测量值的精度并不相同。例如，在近海和浅水区域，雷达高度计的回波波形受到高度计足印内的陆地或岛屿信号干扰，导致其测高精度远低于开阔区域。然而，上述LSC的计算方法中都是基于高度计任务的测高精度进行加权，对同一高度计任务的所有观测点赋予相同的权值。但是，现有方法仅考虑了不同卫星测高任务的精度差异，忽视了同一卫星测高任务中的不同测量值之间的数据质量差异，这严重影响了格网垂线偏差产品的精度,无法反映出雷达高度计不同距离测量值的真实情况。另外，现有方法用于垂线偏差解算和重力场反演的数据大多是来自高度计非重复周期或长周期的1Hz数据，难以通过多次测量平均法对测量值各自的精度进行评估，无法顾及同一卫星测高任务中的不同观测点的精度差异。此外，现有的方法不能有效地抑制高噪声的异常值，大大提高了剔除异常值的工作量，降低了雷达高度计测量值的利用率；不利于提高网格垂线偏差的精度。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术存在的上述缺陷，本专利技术提出了基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，从导出1Hz测量值的雷达高度计的原始波形重跟踪过程出发，为每个观测点提取出一个合适的质量参数，表征同一卫星测高任务中的不同观测点的精度差异。具体涉及基于雷达高度计的波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法。
[0008]本专利技术提供了一种基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，该方法包括：
[0009]步骤1)读取雷达高度计的SGDR数据，获得20Hz回波原始波形数据；对雷达高度计SGDR数据中的20Hz回波原始波形数据进行波形重跟踪，得到1Hz的精度、纬度、距离测量值及其对应的波形重跟踪质量参数，进而得到海面高度；其中，波形质量重跟踪参数包括：有效值数目和均方根误差σ
i
；
[0010]步骤2)根据步骤1)得到的1Hz的经度、纬度和海面高度，结合平均动态海面地形MDT模型和参考大地水准面高度，计算沿轨迹残留垂线偏差ε
res
及其对应的经度、纬度；
[0011]步骤3)根据步骤2)得到的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的经度和纬度，计算LSC算法中的第一信号互协方差矩阵C
ξε
，LSC算法中的第二信号互协方差矩阵C
ηε
和LSC算法中的信号协方差矩阵C
εε
；
[0012]步骤4)基于步骤1)得到的1Hz距离测量值对应的波形重跟踪质量参数，计算LSC算法中的噪声协方差矩阵C
nn
；
[0013]步骤5)根据步骤4)得到的噪声协方差矩阵C
nn
，以及步骤3)得到的C
εε
、C
ξε
和C
ηε
，利用LSC算法，将步骤2)得到的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
格网化，获得基于波形质量加权的高精度垂线偏差网格数据。
[0014]作为上述技术方案的改进之一，所述步骤1)具体包括：
[0015]读取雷达高度计的SGDR数据，获得20Hz回波原始波形数据；
[0016]采用加权的四参数最大似然估计算法，对20Hz回波原始波形数据进行波形重跟踪处理，经线性回归导出并得到1Hz的经度、纬度、距离测量值R及其对应的波形重跟踪质量参数；其中，波形质量重跟踪参数包括：有效值数目和均方根误差σ
i
；
[0017]根据下式，得到海面高度，即更精确的海面高度SSH值：
[0018]SSH＝H
‑
(R+ΔR
corr
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0019]其中，SSH为海面高度，即雷达高度计所要测量的海面高度；ΔR
corr
为大气路径延迟和地球物理误差；H为测高卫星轨道到参考椭球面的高度。
[0020]作为上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，其特征在于，该方法包括：步骤1)读取雷达高度计的SGDR数据，获得20Hz回波原始波形数据；对雷达高度计SGDR数据中的20Hz回波原始波形数据进行波形重跟踪，得到1Hz的精度、纬度、距离测量值及其对应的波形重跟踪质量参数，进而得到海面高度；其中，波形质量重跟踪参数包括：有效值数目和均方根误差σ
i
；步骤2)根据步骤1)得到的1Hz的经度、纬度和海面高度，结合平均动态海面地形MDT模型和参考大地水准面高度，计算沿轨迹残留垂线偏差ε
res
及其对应的经度、纬度；步骤3)根据步骤2)得到的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的经度和纬度，计算LSC算法中的第一信号互协方差矩阵C
ξε
，LSC算法中的第二信号互协方差矩阵C
ηε
和LSC算法中的信号协方差矩阵C
εε
；步骤4)基于步骤1)得到的1Hz距离测量值对应的波形重跟踪质量参数，计算LSC算法中的噪声协方差矩阵C
nn
；步骤5)根据步骤4)得到的噪声协方差矩阵C
nn
，以及步骤3)得到的C
εε
、C
ξε
和C
ηε
，利用LSC算法，将步骤2)得到的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
格网化，获得基于波形质量加权的高精度垂线偏差网格数据。2.根据权利要求1所述的基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：读取雷达高度计的SGDR数据，获得20Hz回波原始波形数据；采用加权的四参数最大似然估计算法，对20Hz回波原始波形数据进行波形重跟踪处理，经线性回归导出并得到1Hz的经度、纬度、距离测量值R及其对应的波形重跟踪质量参数；其中，波形质量重跟踪参数包括：有效值数目和均方根误差σ
i
；根据下式，得到海面高度，即更精确的海面高度SSH值：SSH＝H
‑
(R+ΔR
corr
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，SSH为海面高度，即雷达高度计所要测量的海面高度；ΔR
corr
为大气路径延迟和地球物理误差；H为测高卫星轨道到参考椭球面的高度。3.根据权利要求1所述的基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：在步骤1)得到的海面高度SSH中移除平均动态海面地形MDT模型，得到大地水准面高N：N＝SSH
‑
MDT
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，MDT为动态海面地形MDT模型；从大地水准面高N中再移除参考大地水准面高度N
ref
，得到残留大地水准面高度ΔN：ΔN＝N
‑
N
ref
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)则沿轨迹残留垂线偏差及其对应的经度、纬度分别为迹残留垂线偏差及其对应的经度、纬度分别为
其中，ε
res
表示沿轨迹残留垂线偏差；为沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的纬度；λ
res
为沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的经度；d
ij
为沿轨迹相邻两个观测点i和j之间的距离；ΔN
i
为沿轨迹相邻的两个观测点中的观测点i的残留大地水准面高；为沿轨迹相邻的两个观测点中的观测点i的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的纬度；λ
i
为沿轨迹相邻的两个观测点中的观测点i的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的经度；ΔN
j
为沿轨迹相邻的两个观测点中的观测点j的残留大地水准面高；为沿轨迹相邻的两个观测点中的观测点j的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的纬度；λ
j
为沿轨迹相邻的两个观测点中的观测点j的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
的经度。4.根据权利要求1所述的基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：假设单位球面上的两个观测点分别为p和q，在观测点p处的沿轨迹垂线偏差ε
p
，其对应的方位角为α
p
，在观测点q处的沿轨迹垂线偏差ε
q
，其对应的方位角为α
q
，p和q两观测点的纬、经度分别是和其中，为观测点p的纬度；λ
p
为观测点p的经度；为观测点q的纬度；λ
q
为观测点q的经度；根据球面三角函数关系，确定两个点之间的方位角α
pq
：则LSC算法中的第一信号互协方差矩阵C
ξε
，LSC算法中的第二信号互协方差矩阵C
ηε
和LSC算法中的信号协方差矩阵C
εε
分别为C
ξε
＝C
ll
cosα
pq
cos(α
q
‑
α
pq
)
‑
C
mm
sinα
pq
sin(α
q
‑
α
pq
)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)C
ηε
＝C
ll
sinα
pq
cos(α
q
‑
α
pq
)+C
mm
cosα
pq
sin(α
q
‑
α
pq
)
ꢀꢀꢀꢀ
(9)C
εε
＝C
ll
cos(α
p
‑
α
pq
)cos(α
q
‑
α
pq
)+C
mm
sin(α
p
‑
α
pq
)sin(α
q
‑
α
pq
)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)其中，C
ξε
为LSC算法中的第一信号互协方差矩阵；C
ηε
为LSC算法中的第二信号互协方差矩阵；C
εε
为LSC算法中的信号协方差矩阵；C
ll
是纵向分量的协方差函数；C
mm
是横向分量的协方差函数。5.根据权利要求1所述的基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：根据有效值数目确定观测点i的1Hz距离测量值的有效数率确定观测点i的1Hz距离测量值的有效数率其中，该有效数率的范围值为0～1；综合考虑观测点i的1Hz测距值的有效数率和均方根误差σ
i2
，则观测点i的1Hz测距值r
i
的方差为：
其中，为观测点i的1Hz测距值r
i
的方差；计算观测点i的SSH观测值h
i
的方差表示为同理，则观测点j的SSH观测值h
j
的方差表示为其中，为观测点j的1Hz测距值的有效数率；σ
j2
为观测点j的1Hz测距值的均方根误差；假设观测点i和观测点j为两个相邻观测点，根据误差传播定律，可得沿轨迹残留垂线偏差的方差为其中，是观测点i的沿轨迹残留垂线偏差的方差，即观测点i对应的大地水准面坡度的标准差；和是分别是两个相邻观测点中的观测点i的SSH的标准差和观测点j的SSH的标准差；d
ij
为两个相邻观测点i和j之间的距离；按上述流程，利用雷达高度计回波重跟踪的质量参数，估算出每一个观测点的沿轨迹残留垂线偏差的方差，代入对角矩阵，得到基于波形质量加权的噪声协方差矩阵C
nn
；6.根据权利要求1所述的基于波形重跟踪质量加权的垂线偏差格网化方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括：根据步骤4)得到的噪声协方差矩阵C
nn
，以及步骤3)得到的LSC算法中的第一信号互协方差矩阵C
ξε
，LSC算法中的第二信号互协方差矩阵C
ηε
和LSC算法中的信号协方差矩阵C
εε
，利用LSC算法，将步骤2)得到的沿轨迹残留垂线偏差ε
res
格网化，获得基于波形质量加权的高精度垂线偏差网格数据：其中，为对基于波形质量加权的高精度垂线偏差网格数据；ξ
res
为沿轨迹残留垂线偏差ε
res
格网化后的南北分量；η
res
为沿轨迹残留垂线偏差ε
res
格网化后的东西分量；基于波形质量加权的高精度垂线偏差...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘乾坤，许可，蒋茂飞，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：