[发明专利]一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统

说明书

本发明提出一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统，该方法利用多地面站‑多星源组成三维星地链路密织网探测三维降雨场分布：利用已有或架设多个卫星天线组成地面观测网，接收多颗卫星信号，多条星地链路形成密织的三维网络；通过分析星地链路信号强度信息、降雨衰减系数、星地链路长度的关系获得衰减系数的空间分布，并根据其与降雨强度的关系模型反演降雨的空间分布，与GIS地图结合完成三维降雨场的重构、可视化和动态显示。本发明利用星地链路网完成三维降雨场的重构，可以提供准确的、大范围、高分辨率的降雨资料，为水资源管理、农业发展、城市内涝监测、自然灾害预警等提供关键的数据资料。

技术领域

本发明涉及气象探测领域，具体涉及一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统。

背景技术

对三维立体空间的降雨场的探测有助于研究降雨的形成、发展及其空间分布，并且对水资源管理、短时强降雨的监测等起着重要的作用。现在能实现三维降雨场观测的手段包括天气雷达和气象卫星。前者能够对大范围连续空间内的降雨场进行探测，并且探测结果具有较高的时空分辨率，但是由于其通过探测空中含水量来反演降雨强度，因此其很难准确反映地面附近的降雨情况，在雷达天线仰角较低时，由于其周围地物的影响会给测量带来较大的误差；后者能够探测全球范围的降雨场，并且能够实现对降雨内部结构的观测，但是因其一天只能通过同一地区两次导致降雨探测的时间分辨率较低，不能满足对降雨场连续实时监测的要求。

目前，有超过1000颗中低轨卫星在太空中工作，新一代低轨星座计划也提上日程，未来估计将有超过数以万颗的中低轨卫星在轨运行，实现卫星信号的全球覆盖。相关研究表明，利用降雨对卫星信号的衰减作用可以实现降雨强度的测量。同时，天线体积小、易操作、造价低等特点成为利用星地链路探测降雨强度的成本优势，卫星星座信号全球覆盖的特点又为实现全球降雨场的观测提供了可能。因此，通过星地链路实现三维降雨场的重构不仅具有范围大，连续性好，时空分辨率高等优势，并且能够为水资源管理、农业发展、城市内涝监测、自然灾害预警等提供关键的数据资料。

发明内容

发明目的：本发明基于提供一种能够准确反映地面附近的降雨情况并顺利重构三维降雨场的方法的目的，提出一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法及系统。本发明利用三维星地链路密织网探测三维降雨场，用大小相同的立方体划分探测空间，分析星地链路在每个立方体内的长度和信号的强度信息，根据信号强度、衰减系数、路径长度的关系建立线性方程组，通过雨衰模型将衰减系数向量解转化为降雨强度，并与GIS地图结合，完成三维降雨场重构，进而可实现对降雨强度及空间分布的实施连续性监测。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：

一种三维星地链路密织网探测三维降雨场的方法，包括步骤：

(1)构建三维星地链路密织网：

将待探测区域分为N×M×U个相同的立方体并分别分配标记号，在待探测区域的地面布设n个卫星信号接收端，n个卫星信号接收端与分布在空中的m个卫星之间形成q条星地链路，q条星地链路相互交织构成三维星地链路密织网；

(2)降雨时，在采样周期T内的每个采样时间点t收集每条星地链路的频率信息和信号强度信息，并计算每条星地链路上的降雨衰减：

其中，表示第i条星地链路在采样时间点t的降雨衰减，eirp_i(t)表示第i条星地链路的接收卫星在采样时间点t的等效全辐射功率，G_r表示接收天线增益，表示第i条星地链路在采样时间点t的自由空间衰减，表示第i条星地链路在采样时间点t的气体衰减，表示第i条星地链路在采样时间点t的云致衰减，p_i(t)表示第i条星地链路在采样时间点t的信号强度信息；

(3)对每个采样时间点t，计算每条星地链路在其所穿过的每个立方体内的长度信息：