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CN111399012A - 一种利用gnss三频相位组合数据监测水库水位的方法 - Google Patents

一种利用gnss三频相位组合数据监测水库水位的方法 Download PDF

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CN111399012A
CN111399012A CN202010199670.6A CN202010199670A CN111399012A CN 111399012 A CN111399012 A CN 111399012A CN 202010199670 A CN202010199670 A CN 202010199670A CN 111399012 A CN111399012 A CN 111399012A
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frequency phase
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班伟
张小红
张克非
陈宇
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China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
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China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
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Abstract

本发明公开了一种利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，适用于水位监测使用。通过架设的水库大坝高坡临水面的GNSS变形监测接收机数据，利用三频相位组合获取干涉信号，提取三个载波信号，通过消除几何距离和电离层延迟的组合方式，获取干涉时序信号，利用小波分析进行谱分析获取干涉信号的主频率，将时序信号与卫星高度角一一对应，形成以卫星高度角为变量的时序信号，并对该非等间隔信号进行频谱分析，获取主频率，建立主频率和已知水库水位的模型，并通过模型获取实时水库水位。其步骤简单，可实现实时检测，检测精度高，可以实现自动检测无需人工干预。

Description

一种利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法
技术领域
本发明涉及一种监测水库水位的方法，尤其适用于防洪抗旱中使用的利用水库大坝变形监测系统的GNSS数据进行水库水位监测的方法。
背景技术
水是人类赖以生存的宝贵自然资源，同时也是灾害源。合理地存贮、利用、监测水资源变化是经济、生态可持续发展的重要保证。水库作为重要的水利基础设施，在水运交通、水力发电、防洪抗旱、生态环境等方面发挥着至关重要的作用，其安全与否直接影响到下游人民的生命财产安全。目前，传统的水库水位监测一般是采用人工水尺测量，或是超声波测量。人工方法存在一定的局限性：不能实现连续观测，观测时空分辨率不高，特别是在暴雨汛期，观测受限且存在安全隐患。超声波及其他手段通常需要建立一整套监测系统，监测成本较高。国内许多库区和大坝都建立了GNSS形变监测系统，水库大坝变形监测GNSS观测系统的测站通常设置在大坝外观或临近水域的高边坡，这为我们利用GNSS-Interferometric Reflectometry(GNSS-IR)测量水库水面高度的变化提供了可能。已有的GNSS监测系统在进行大坝形变监测的同时还可以成为一种无需投入额外监测成本的水库水位监测手段。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种步骤简单，检测效果好，能够解决目前现有水库水位监测方式存在的问题和不足，经济性好的利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法。
为实现上述技术目的，本发明的一种利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，在水坝的高边坡位置设置有接收GNSS信号的接收机及天线，其于步骤为：通过架设的水库大坝高坡临水面的GNSS变形监测接收机数据，利用三频相位组合获取干涉信号，提取三个载波信号，通过消除几何距离和电离层延迟的组合方式，获取干涉时序信号，利用小波分析进行谱分析获取干涉信号的主频率，将时序信号与卫星高度角一一对应，形成以卫星高度角为变量的时序信号，并对该非等间隔信号进行频谱分析，获取主频率，建立主频率和已知水库水位的模型，并通过模型获取实时水库水位。
具体的：
a首先从卫星观测值中提取三频相位观测数据及卫星高度角；
b利用除几何距离因素和电离层影响的方式将三频相位观测数据组成三频相位组合观测值，具体利用公式：
Figure BDA0002418914630000021
Figure BDA0002418914630000022
计算出三频相位组合观测值M1,2,5(t)，式中λ1＝0.1902937m是GPS的L1信号波长，λ2＝0.2442102m是GPS的L2信号波长，λ5＝0.2548280m是GPS的L5信号波长；相位
Figure BDA0002418914630000023
为相位观测值；m为单位米；
c将以时间为变量的三频相位组合观测值M1,2,5(t)序列替换为时间对应的卫星高度角的正弦为变量的序列M1,2,5(sinθ)；
d采用小波变换对三频相位组合观测值M1,2,5(sinθ)进行频谱分析，，通过频谱分析获取三频相位组合观测值M1,2,5(sinθ)的主频率；
e利用三频相位组合观测值M1,2,5(sinθ)的主频率与已知的水库水位高度建立线性模型，利用此模型获取接收机天线相位中心到水库水面的垂直高度；
f利用垂直高度与标准水面高度差值获取水库水位高度。
将水面看作是镜面反射，反射信号来自于镜像点SP，反射信号与直射信号的叠加信号，即干涉信号相对于直射信号的路径延迟为与水面距离接收机天线相位中心的垂直高度h相关；
GNSS接收机接收到的信号表示为直射信号与反射信号的叠加：
Figure BDA0002418914630000024
其中，
Figure BDA0002418914630000025
叠加信号和直射信号之间的相位差即干涉信号β(t)表示为：
Figure BDA0002418914630000026
Figure BDA0002418914630000027
代表直射信号，
Figure BDA0002418914630000028
代表反射信号，Ad代表直射信号的振幅，Ar代表反射信号的振幅，ω(t)代表直射信号相位，
Figure BDA0002418914630000029
代表反射信号与直射信号的相位差。
利用三频相位组合观测值获取干涉信号β，三频相位组合观测值M1,2,5(t)的组合用以消除信号传播的几何距离以及电离层的影响，令
Figure BDA0002418914630000031
Figure BDA0002418914630000032
且κ1＝λ1η1，κ2＝λ2η2，κ5＝λ5η5，
得到三频相位组合观测值表达式：
Figure BDA0002418914630000033
式中，
Figure BDA0002418914630000034
u＝κ1N1+κ2N2+κ5N5，λ1为GPS信号的L1载波的波长，λ2为GPS信号的L2载波的波长，λ5为GPS信号的L5载波的波长，N1为L1载波的相位模糊度，N2为L2载波的相位模糊度，N5为L5载波的相位模糊度；
导航卫星信号经过电离层，相位延迟为：
Figure BDA0002418914630000035
其中，TEC为传播路径的电子含量，f为卫星信号的频率，延迟大小与信号频率呈反比；三频相位组合观测值M1,2,5(t)为：M1,2,5(t)＝M1,2,5 d+M1,2,5 r，其中：
Figure BDA0002418914630000036
Figure BDA0002418914630000037
M1,2,5 r只与卫星高度角、信号波长和天线高度相关；
λiψi(t)＝di+δi+Δ,i＝1,2,5
di为卫星与接收机天线相位中心之间的几何距离，δi为电离层延迟，Δ为钟差和噪声；
由于相位组合的原则为无几何距离和消除电离层，三频相位组合为：
M1,2,5(t)＝M1,2,5 r＝κ1β1(t)+κ2β2(t)+κ5β5(t)
线性相位组合的有效波长为：
Figure BDA0002418914630000038
根据频率与水面与接收机天线相位中心之间的垂直高度之间的对应关系，建立线性模型：
h＝kf+b
h为水面与接收机天线相位中心之间的垂直高度，f为时间序列的主频，k、b为模型系数，利用实际观测值进行k、b为模型系数的确定。
有益效果：
本技术利用已在水库大坝边坡上建设且运行的变形监测系统的观测数据，能够在不增加额外设施和建设成本的基础上，实现对于水库水位的自动监测。利用三频信号高精度的特性，使得利用三频信号进行水库水位反演精度更高，可用数据更多；由于数据及设备是已有的，且大坝上均有安装相关的设备，因此无需额外硬件搭建费用，本方法的具有较高的可用性及经济性；无需人工监测且数据量大，能够实现近实时的水库水位监测。
附图说明
图1是本发明利用大坝变形监测GNSS三频相位组合数据进行水库水位监测方法示意图；图2是本发明使用的干涉相位模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明。
传统大地接收机天线所接收的信号是由卫星直射信号与水面或地面反射的信号叠加产生的干涉信号，图1为信号干涉的几何图形，因此将水面看作是镜面反射，首先从卫星观测值中提取三频相位观测数据及卫星高度角；反射信号来自于镜像点SP，反射信号与直射信号的叠加信号(即干涉信号)相对于直射信号的路径延迟为与水面距离接收机天线相位中心的垂直高度h相关。
图2为干涉信号的相位关系，横坐标为信号的同相分量，纵坐标为信号的正交分量。
Figure BDA0002418914630000045
代表直射信号，
Figure BDA0002418914630000046
代表反射信号，β代表叠加信号和直射信号之间的相位差。
GNSS接收机接收到的信号为为直射信号与反射信号的叠加：
Figure BDA0002418914630000041
其中，
Figure BDA0002418914630000042
Figure BDA0002418914630000043
Figure BDA0002418914630000044
βi(t)是由于来自水面反射信号干扰而产生的干涉相位。
然后利用三频相位组合观测值获取干涉信号β，具体的：三频相位组合观测值M1,2,5(t)的组合用以消除信号传播的几何距离以及电离层的影响，令
Figure BDA0002418914630000051
Figure BDA0002418914630000052
且κ1＝λ1η1，κ2＝λ2η2，κ5＝λ5η5，三频相位组合观测值M1,2,5(t)的组合原则是消除信号传播的几何距离以及电离层的影响，就可以得到以下表达式：
Figure BDA0002418914630000053
其中，
Figure BDA0002418914630000054
βi(t)由于来自水面反射信号干扰而产生的干涉信号，其它参数表达如下：
u＝κ1N1+κ2N2+κ5N5
导航卫星信号经过电离层，相位延迟为：
Figure BDA0002418914630000055
其中，TEC为传播路径的电子含量，f为卫星信号的频率。延迟大小与信号频率呈反比。三频相位组合观测值M1,2,5(t)为：M1,2,5(t)＝M1,2,5 d+M1,2,5 r，
其中，
Figure BDA0002418914630000056
Figure BDA0002418914630000057
M1,2,5 r只与卫星高度角、信号波长和天线高度相关；
λiψi(t)＝di+δi+Δ,i＝1,2,5
di为卫星与接收机天线相位中心之间的几何距离，δi为电离层延迟，Δ为钟差和噪声；
由于相位组合的原则为无几何距离和消除电离层，三频相位组合表示为：
M1,2,5(t)＝M1,2,5 r＝κ1β1(t)+κ2β2(t)+κ5β5(t)
线性相位组合的有效波长为
Figure BDA0002418914630000058
然后选取适合的干涉信号β：
在低卫星高度角的情况下，反射信号较强，因此在选择干涉信号时，一般选取卫星高度角为10～30度范围内的数据。并根据观测接收机与水库的方位及镜像点的位置，确定方位角的取值范围。
然后获取干涉信号β的主频率
对获取的干涉信号转换为以卫星高度角的正弦为变量的时间序列。序列变为非等间隔的序列，利用傅里叶变换获取主频率不再适用。选择小波变换进行时间序列的主频率获取。
根据频率与天线高度(反射面与接收机天线相位中心之间的垂直高度)之间的对应关系，建立线性模型：
h＝kf+b
h为天线高度，f为时间序列的主频，k、b为模型系数，利用实际观测值进行k、b为模型系数的确定。
获取水库水位变化的检测信息
t1时刻根据所得的干涉信号的时间序列频率，代入线性模型，求得天线高度h1，在t2计算天线高度h2，不同时刻的高度相减就可以获取水库水位的变化，如果得知水库水位基准高度h0，对任意时刻的获取的天线高度hi与基准相减，便可以实时获取水库水位的高度。

Claims (5)

1.一种利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，在水坝的高边坡位置设置有接收GNSS信号的接收机及天线，其特征在于步骤如下：
通过架设的水库大坝高坡临水面的GNSS变形监测接收机数据，利用三频相位组合获取干涉信号，提取三个载波信号，通过消除几何距离和电离层延迟的组合方式，获取干涉时序信号，利用小波分析进行谱分析获取干涉信号的主频率，将时序信号与卫星高度角一一对应，形成以卫星高度角为变量的时序信号，并对该非等间隔信号进行频谱分析，获取主频率，建立主频率和已知水库水位的模型，并通过模型获取实时水库水位。
2.根据权利要求1所述的利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，其特征在于具体步骤如下：
a首先从卫星观测值中提取三频相位观测数据及卫星高度角；
b利用除几何距离因素和电离层影响的方式将三频相位观测数据组成三频相位组合观测值，具体利用公式：
Figure FDA0002418914620000011
Figure FDA0002418914620000012
计算出三频相位组合观测值M1,2,5(t)，式中λ1＝0.1902937m是GPS的L1信号波长，λ2＝0.2442102m是GPS的L2信号波长，λ5＝0.2548280m是GPS的L5信号波长；相位
Figure FDA0002418914620000013
为相位观测值；m为单位米；
c将以时间为变量的三频相位组合观测值M1,2,5(t)序列替换为时间对应的卫星高度角的正弦为变量的序列M1,2,5(sinθ)；
d采用小波变换对三频相位组合观测值M1,2,5(sinθ)进行频谱分析，通过频谱分析获取三频相位组合观测值M1,2,5(sinθ)的主频率；
e利用三频相位组合观测值M1,2,5(sinθ)的主频率与已知的水库水位高度建立线性模型，利用此模型获取接收机天线相位中心到水库水面的垂直高度；
f利用垂直高度与标准水面高度差值获取水库水位高度。
3.根据权利要求2所述的利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，其特征在于：将水面看作是镜面反射，反射信号来自于镜像点SP，反射信号与直射信号的叠加信号，即干涉信号相对于直射信号的路径延迟为与水面距离接收机天线相位中心的垂直高度h相关；
GNSS接收机接收到的信号表示为直射信号与反射信号的叠加：
Figure FDA0002418914620000021
其中，
Figure FDA0002418914620000022
叠加信号和直射信号之间的相位差即干涉信号β(t)表示为：
Figure FDA0002418914620000023
Figure FDA0002418914620000024
代表直射信号，
Figure FDA0002418914620000025
代表反射信号，Ad代表直射信号的振幅，Ar代表反射信号的振幅，ω(t)代表直射信号相位，
Figure FDA0002418914620000026
代表反射信号与直射信号的相位差。
4.根据权利要求2所述的利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，其特征在于：利用三频相位组合观测值获取干涉信号β，三频相位组合观测值M1,2,5(t)的组合用以消除信号传播的几何距离以及电离层的影响，令
Figure FDA0002418914620000027
Figure FDA0002418914620000028
且κ1＝λ1η1，κ2＝λ2η2，κ5＝λ5η5，
得到三频相位组合观测值表达式：
Figure FDA0002418914620000029
式中，
Figure FDA00024189146200000210
u＝κ1N1+κ2N2+κ5N5，λ1为GPS信号的L1载波的波长，λ2为GPS信号的L2载波的波长，λ5为GPS信号的L5载波的波长，N1为L1载波的相位模糊度，N2为L2载波的相位模糊度，N5为L5载波的相位模糊度；
导航卫星信号经过电离层，相位延迟为：
Figure FDA00024189146200000211
其中，TEC为传播路径的电子含量，f为卫星信号的频率，延迟大小与信号频率呈反比；三频相位组合观测值M1,2,5(t)为：M1,2,5(t)＝M1,2,5 d+M1,2,5 r，其中：
Figure FDA00024189146200000212
Figure FDA00024189146200000213
M1,2,5 r只与卫星高度角、信号波长和天线高度相关；
λiψi(t)＝di+δi+Δ,i＝1,2,5
di为卫星与接收机天线相位中心之间的几何距离，δi为电离层延迟，Δ为钟差和噪声；
由于相位组合的原则为无几何距离和消除电离层，三频相位组合为：
M1,2,5(t)＝M1,2,5 r＝κ1β1(t)+κ2β2(t)+κ5β5(t)
线性相位组合的有效波长为：
Figure FDA0002418914620000031
5.根据权利要求2所述的利用GNSS三频相位组合数据监测水库水位的方法，其特征在于：根据频率与水面与接收机天线相位中心之间的垂直高度之间的对应关系，建立线性模型：
h＝kf+b
h为水面与接收机天线相位中心之间的垂直高度，f为时间序列的主频，k、b为模型系数，利用实际观测值进行k、b为模型系数的确定。
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