基于有理函數模型的GNSS?R岸基海面風速反演算法

劉原華 魏偉 牛新亮

關鍵詞： 岸基; 理論模型; 相關時間; 冪函數模型; 海面風速反演; 有理函數模型; 數據擬合

中圖分類號： TN911.1?34; TP7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）01?0065?03

Abstract： Under the shore?based condition， the waves can′t fully grow. The theoretical model of wave spectrum is not enough to fully describe the relationship between relevant time and wind speed. The empirical model with power function form is generally used to invert the wind speed of the sea surface. In this paper， a new empirical model with rational function form is proposed to replace the traditional empirical model with power function form for sea surface wind speed inversion. The experimental data shows that the correlation coefficient between wind speed inversed by the new empirical model with rational function form and actual wind is 0.986 2， and the root mean square error is 0.45 m/s. In comparison with the traditional exponential model with power function form， the correlation coefficient is increased by 0.80%， and the root mean square error is decreased by 20.19%.

Keywords： shore base; theory model; correlation time; power function model; sea surface wind speed inversion; rational function model; data fitting

0 ?引 ?言

全球導航衛星定位系統反射信號（GNSS?R）是20世紀90年代逐漸發展起來的全球導航定位系統衛星系統（GNSS）的一個分支，利用GNSS?R技術反演海面風速是一種新的海風觀測方法[1?4]。

岸基條件下，由于海浪不能充分生長，海浪譜的理論模型將不能準確地描述相關時間與海面風速的關系[5]，故需要針對海域特點建立相應的經驗模型，目前一般使用的是冪函數形式的經驗模型反演海面風速。

本文提出有理函數形式的經驗模型反演海面風速。首先介紹了傳統冪函數形式的經驗模型反演海面風速的方法，在此基礎上提出有理函數形式的經驗模型反演海面風速的方法，經過試驗證明，有理函數形式的經驗模型反演結果相比冪函數形式的經驗模型反演結果其相關系數提高了0.80%，均方根誤差降低了20.19%。

1 ?傳統冪函數形式的經驗模型

岸基條件下，海面風速一般可以通過干涉復數場（ICF）相關時間反演得到。

將[FRt]定義為GNSS反射信號最大相關值對應的復數相關時間序列，[FDt]定義為GNSS直射信號最大相關值對應的復數相關時間序列，干涉復數場函數為[6]：

通過有理函數形式的經驗模型反演風速值與實測風速對比，得到有理函數形式的經驗模型反演海面風速的均方根誤差為0.450 6 m/s。

4 ?結 ?語

本文提出有理函數形式的經驗模型取代冪函數形式的經驗模型反演海面風速，并用試驗數據對冪函數形式的經驗模型和有理函數形式的經驗模型進行對比分析。有理函數形式的經驗模型反演結果與冪函數形式的經驗模型反演結果相比，其相關系數由0.978 4提升為0.986 2，提高了0.80%;均方根誤差由0.564 6 m/s降低為0.450 6 m/s，降低了20.19%，證明了本文模型的可行性，為岸基海面風速反演提供了一種新的經驗模型。

參考文獻

[1] CARDELLACH E， RUFFINI G， PINO D， et al. Mediterranean balloon experiment： ocean wind speed sensing from the stratosphere， using GPS reflections [J]. Remote sensing of environment， 2003， 88（3）： 351?362.

[2] THOMPSON D R， ELFOUHAILY T M， GARRISON J L. An improved geometrical optics model for bistatic GPS scattering from the ocean surface [J]. IEEE transactions on geosciences and remote sensing， 2005， 43（12）： 2810?2821.

[3] PARK H， VALENCIA E， RODRIGUEZ?ALVAREZ N， et al. New approach to sea surface wind retrieval from GNSS?R measurements [C]// Proceedings of 2001 IEEE International Geo?sciences and Remote Sensing Symposium. Vancouver： IEEE， 2011： 1469?1472.

[4] 李穎，朱雪瑗，曹妍，等.GNSS?R海洋遙感監測技術綜述[J].海洋通報，2015，34（2）：121?129.

LI Ying， ZHU Xueyuan， CAO Yan， et al. Review on GNSS?R ocean remote sensing monitoring technique [J]. Marine science bulletin， 2015， 34（2）： 121?129.

[5] FRASIER S J， CAMPS A J. Dual?beam interferometry for ocean surface current vector ?mapping [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2001， 39（2）： 401?414.

[6] 楊東凱，張其善.GNSS反射信號處理基礎與實踐[M].北京：電子工業出版社，2012.

YANG Dongkai， ZHANG Qishan. GNSS reflected signal processing： fundamentals and applications [M]. Beijing： Publi?shing House of Electronics Industry， 2012.

[7] 李偉強.基于北斗GEO衛星反射信號的臺風風速觀測[C]//第五屆中國衛星導航學術年會.北京：中國衛星導航學術中心，2014：1?3.

LI W Q. Typhoon wind speed observation utilizing reflected signals from BeiDou GEO satellites [C]// 5th Conference on China Satellite Navigation. Beijing： China Satellite Navigation Center， 2014： 1?3.

[8] 張陽，張鳳元，張波，等.北斗反射信號海風海浪探測系統軟件設計[J].測控技術，2015，34（11）：103?106.

ZHANG Yang， ZHANG Fengyuan， ZHANG Bo， et al. Design on Beidou reflections ocean wind and waves exploration software system [J]. Measurement & control technology， 2015， 34（11）： 103?106.

[9] 陳慶亮，郭業才，王強，等.北斗反射信號海風探測數據分析與檢定[J].南京信息工程大學學報（自然科學版），2015，7（4）：338?342.

CHEN Qingliang， GUO Yecai， WANG Qiang， et al. Analysis and verification of the ocean surface wind measurement detected with Beidou reflected signals [J]. Journal of Nanjing University of Information Science & Technology （natural science edition， 2015， 7（4）： 338?342.

[10] 楊東凱，李偉強，楊威.北斗系統在海風海浪探測中的應用研究[J].導航定位學報，2014，2（2）：97?101.

YANG Dongkai， LI Weiqiang， YANG Wei. Research on BSD applications in sea wind and wave detection [J]. Journal of navigation and positioning， 2014， 2（2）： 97?101.

[11] VALENCIA E， CAMPS A， MARCHAN?HERNANDEZ J F， et al. Experimental determination of the sea correlation time using GNSS?R coherent data [J]. IEEE geoscience and remote sensing society， 2010， 7（4）： 675?679.