[发明专利]一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法。

背景技术

水是地质灾害的重要致灾因子之一，因此水位高度变化的监测就显得极其重要。传统上对水位的观测一般采用水位计，其又分人工观测模式和自动观测模式，前者费时费力，效率低下，后者具有较高时间分辨率和高精度等优势，但成本高，不易安装。近年来，随着GNSS-R技术的发展，其已发展成为一项监测地球环境变化的新技术。一些学者基于GPS信噪比观测值反演了海平面高、雪深和土壤湿度等，并取得了较好的数值结果。GNSS-R技术的优势在于，目前的导航定位系统包括GPS、GLONASS、北斗以及Galileo，这些系统可提供大量免费的GNSS信号，因此，在一个观测站同时接收多颗卫星信号使得测量结果具有较高的时间分辨率，由此可见，其在监测地球环境变化中发挥着越来越重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于北斗导航定位系统信噪比数据观测水位变化方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于北斗导航定位系统的信噪比数据观测水位变化方法，包括以下步骤：

1)在水域附近安设北斗/GNSS接收机，获取北斗观测数据和导航电文；

2)选择MEO卫星，利用测站坐标及北斗系统的导航电文，计算观测值的方位角和高度角；

3)选择MEO卫星，从北斗观测数据中提取信噪比数据；

4)依据测站的水面反射环境，基于所述观测值的方位角和高度角，从提取的信噪比数据中选择符合条件的数据；

5)利用符合条件的信噪比数据构建信噪比时间序列弧段，对每一信噪比时间序列弧段去趋势项，得到相应的信噪比残差序列；

6)对信噪比残差序列进行Lomb-Scargle频谱分析，得到信噪比残差序列的频率f及所对应的谱密度P_x(f)，找出最大谱密度所对应的频率f_max，根据下式计算水位高h：h＝f_max*λ/2；其中，λ为北斗卫星系统载波波长。

步骤6)中，谱密度大于给定的最小谱密度值；所述给定的最小谱密度值信噪比残差序列谱密度的平均值。

步骤6)中，Lomb-Scargle谱方法进行频谱分析的公式为：

其中X(t_j)是信噪比残差序列，j＝1,2,3…,N；P_x(f)是频率为f的信噪比残差序列的谱密度；t_j是信噪比残差序列的时间；N为信噪比残差序列统计量；τ为时间平移不变量。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明充分利用了北斗导航系统的卫星信号用于水位监测，在保证监测精度的条件下降低了水位监测的成本，开拓了北斗导航系统用于水位监测的新领域，有利于BDS-R技术的发展与应用。

附图说明

图1为本发明数据处理流程图；

图2(a)为信噪比观测值；图2(b)为去除趋势项后的信噪比残差序列；

图2(c)为Lomb-Scargle周期图；

图3(a)为水位计记录的水位变化时间序列；图3(b)为基于北斗系统信噪比观测值监测的水位变化时间序列；图3(c)为水位计与北斗系统监测结果的差值统计分析；

图4为北斗系统监测结果与水位计结果的相关性分析。

具体实施方式

本发明方法流程如图1所示，其包括以下具体步骤：

1)为接收更多水面反射信号，选择面向水域位置安设北斗/GNSS接收机，获取北斗观测数据和导航电文；

2)选择MEO卫星，依据测站坐标及北斗系统的导航电文，计算出不同时刻的卫星方位角和高度角；

3)依据MEO卫星不同时刻的方位角和高度角，从北斗导航系统的观测数据文件中提取相对应时刻的信噪比数据；

4)依据测站的水面反射环境，将方位角和高度角作为阈值参数，使所截取的信噪比数据主要受水面的反射影响，同时仅截取低卫星高度角(0°-40°)的数据；

5)考虑到卫星在上升和下降状态下的观测值均可在阈值之内，以及数据持续的时间长度，所以需要对信噪比数据进行弧段划分；

6)利用二阶多项式拟合信噪比数据，针对每一弧段数据，去除其趋势项得到信噪比残差序列；

7)对信噪比残差序列，利用Lomb-Scargle谱方法进行频谱分析，其公式为：