GNSS载噪比反演船载气象要素传感器距水面高度

仇志金; 胡桐; 邹靖; 李志乾; 王波

doi:10.12265/j.gnss.2021101301

GNSS载噪比反演船载气象要素传感器距水面高度

doi: 10.12265/j.gnss.2021101301

仇志金^{1, 2, 3},
胡桐^{1, 2, 3, ,},
邹靖^{1, 2, 3},
李志乾^{1, 2, 3},
王波^{1, 2, 3}

1.
齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所, 山东青岛 266061
2.
山东省海洋环境监测技术重点实验室, 山东青岛 266061
3.
国家海洋监测设备工程技术研究中心, 山东青岛 266061

基金项目: 国家重点研发计划项目(2019YFC1408003)；2020年自主创新能力提升专项(智慧海洋工程)中央基建投资项目(Z135060000070)；国家自然科学基金(41606112，42076195，42176185)；山东省自然科学基金 (ZR2020MF022，ZR2020QD085，ZR2021MD114)

详细信息

作者简介:
仇志金：(1987—)，男，博士，助理研究员，研究方向为海洋环境观测技术

胡桐：(1983—)，男，博士，副研究员，研究方向为海洋环境观测技术

邹靖：(1986—)，男，博士，副研究员，研究方向为海洋气象水文数值模拟

李志乾：(1983—)，男，博士，副研究员，研究方向为大气辐射探测技术

王波：(1980—)，男，博士，研究员，研究方向为GNSS信号处理与海洋环境观测技术

通信作者:
胡桐 E-mail: tong.hu@qlu.edu.cn

中图分类号: P228.49
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-10-13
- 网络出版日期: 2022-04-14

Inversion of shipborne meteorological sensor height above water surface based on GNSS carrier-to-noise ratio

QIU Zhijin^{1, 2, 3},
HU Tong^{1, 2, 3
, ,},
ZOU Jing^{1, 2, 3},
LI Zhiqian^{1, 2, 3},
WANG Bo^{1, 2, 3}

1.
Institute of Oceanographic Instrumentation, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Qingdao 266061, China
2.
Shandong Provincial Key Laboratory of Marine monitoring instrument equipment technology, Qingdao 266061, China
3.
National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment, Qingdao 266061, China

摘要

摘要: 船载气象要素传感器距水面高度是使用块体参数化方法预测近海面大气折射率廓线的必要参数，对于海面蒸发波导等无线电气象系统监测结果的准确性具有重要意义. 利用全球卫星导航系统(GNSS)载噪比(CNR)时间序列反演船载气象要素传感器距水面高度. 该方法提取船舶GNSS接收机输出的卫星信号CNR，采用Lomb Scargle周期谱分析GNSS直射信号与反射信号相干性，反演天线相位中心距水面高度. 根据GNSS天线与气象要素传感器几何关系换算船载气象要素传感器距水面高度. 利用趸船实验数据对该方法进行验证，统计有效反演次数，分析海况对反演结果的影响以及反演高度时均变化. 结果表明：利用该方法反演船载气象要素传感器距水面高度是可行的.
- 全球卫星导航系统(GNSS) /
- 全球卫星导航系统反射信号(GNSS-R) /
- 无线电气象 /
- 载噪比(CNR) /
- 反演
Abstract: The height of shipborne meteorological sensor above water surface is a necessary parameter to predict the atmospheric refractive index profile by using the bulk aerodynamical method, which is of great significance to the radio meteorological parameter monitoring systems such as evaporation duct monitoring system. The Global Navigation Satellite System (GNSS) carrier-to-noise ratio (CNR) is extracted from the shipborne GNSS receiver output. The coherence of GNSS direct signal and reflected signal from water surface is analyzed using Lomb Scargle Periodogram to retrieve the height of the GNSS antenna phase center above reflection surface, and then the height of shipborne meteorological sensor is calculated indirectly. The proposed method was verified by barge experiments. Based on the statistics of the effective inversions, the sea state influence on the inversion results as well as the time-averaged variation of the inversion results is analyzed. It shows that the height of shipborne meteorological sensor can be effectively retrieved.
- Global Navigation Satellite System (GNSS) /
- Global Navigation Satellite System-Reflections (GNSS-R) /
- radio meteorology /
- carrier-to-noise ratio (CNR) /
- inversion

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图 1 GNSS信号路径与CNR相干性

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图 2 反演变量几何关系

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图 3 趸船实验概况

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图 4 卫星CNR反演${H_{{\text{antenna}}}}$示例

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图 5 可见卫星数量及有效反演次数统计

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图 6 海况对${H_{{\text{antenna}}}}$反演高度的影响

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图 7 ${H_{{\text{antenna}}}}$反演高度时均变化

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参考文献(14)

[1]	张鹏, 张守宝, 张利军, 等. 区域海面蒸发波导预报与监测试验对比分析[J]. 电波科学学报, 2017, 32(2): 215-220.
[2]	郭相明, 康士峰, 韩杰, 等. 蒸发波导数据库及中国海域的统计分析[J]. 电波科学学报, 2013, 28(6): 1152-1157,1182.
[3]	吴汉才. 船舶动态吃水检测中基于数据处理的关键技术研究[J]. 舰船科学技术, 2017, 39(6): 22-24.
[4]	BABIN S M, DOCKERY G. LKB-based evaporation duct model comparison with buoy data[J]. Journal of applied meteorology, 2002, 41(4): 434-446. DOI: 10.1175/1520-0450(2002)0412.0.CO;2
[5]	刘丽. 基于机器视觉的船舶吃水线自动检测方法分析[J]. 舰船科学技术, 2019, 41(8A): 49-51.
[6]	王军成, 侯广利, 刘岩, 等. 船基激光法波浪测量仪器的研究[J]. 海洋技术, 2004, 23(4): 14-17. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2029.2004.04.004
[7]	孙强, 孙军. SBY2-1型空气超声波浪仪[J]. 海洋技术, 2007, 26(4): 4-7. DOI: 10.3969/j.issn.1003-2029.2007.04.002
[8]	毕研盟, 杨光林, 聂晶. 基于Kalman滤波的GPS水汽层析方法及其应用[J]. 高原气象, 2011, 30(1): 109-114.
[9]	余加勇, 邵旭东, 晏班夫, 等. 基于全球导航卫星系统的桥梁健康监测方法研究进展[J]. 中国公路学报, 2016, 29(4): 30-41. DOI: 10.3969/j.issn.1001-7372.2016.04.005
[10]	LARSON K M. GPS interferometric reflectometry: applications to surface soil moisture, snow depth, and vegetation water content in the western united states[J]. Wiley interdiplinary reviews water, 2016, 3(6): 775-787. DOI: 10.1002/wat2.1167
[11]	ROGGENBUCK O, REINKING J, LAMBERTUS T. Determination of significant wave heights using damping coefficients of attenuated GNSS SNR data from static and kinematic observations[J]. Remote sensing, 2019, 11(4): 409. DOI: 10.3390/rs11040409
[12]	杨东凯, 李晓辉, 王峰. GNSS反射信号海洋遥感应用现状分析[J]. 无线电工程, 2019, 49(10): 843-848. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3106.2019.10.001
[13]	ANDERSON K D. Determination of water level and tides using interferometric observations of GPS signals[J]. Journal of atmospheric and oceanic technology, 2000, 17(8): 1118-1127. DOI: 10.1175/1520-0426(2000)0172.0.CO;2
[14]	NIEVINSKI F G, LARSON K M. Forward modeling of GPS multipath for near-surface reflectometry and positioning applications[J]. GPS solutions, 2014, 18(2): 309-322. DOI: 10.1007/s10291-013-0331-y