论文推荐|何秀凤，王杰，王笑蕾，宋敏峰利用多模多频GNSS-IR信号反演沿海台风风暴潮

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本文内容来自《测绘学报》2020年第9期，审图号GS4848。

利用多模多频GNSS-IR信号反演沿海台风风暴潮

何秀峰、王杰、王小雷、宋敏峰

河海大学地科学与工程学院，江苏南京211100

基金项目国家自然科学基金重点项目；国家重点研发计划

摘要台风风暴潮每年都会给沿海城市造成巨大损失。近年来，利用GNSS反射信号的地面遥感方法可用于潮位监测，称为GNSS-IR，以补充风暴潮期间验潮站的数据。由于风暴潮发生时间短、破坏力强，单一GPS系统的时间分辨率无法满足海洋灾害监测需求。本文基于香港、中国和巴哈马群岛站的多模多频GNSS卫星观测数据反演了三个沿海风暴潮事件。首先对多模态、多频率数据的质量进行分析，然后采用基于滑动窗口的方法对2019年飓风“多里安”、2018年台风“山竹”和2017年台风“天鸽”引发的3次风暴潮进行分析。采用最小二乘法对多模多频GNSS-IR反演结果进行修正，并与验潮站实测值进行比较。测试结果表明，采用多模多频GNSS-IR反演“多利安”风暴潮精度优于14厘米，反演“天鸽”和“山竹”风暴潮精度优于14cm。优于9厘米。与GPS单一系统相比，多模多频GNSS-IR可以提高监测精度和时间分辨率，有效提取风暴潮中异常潮位的满潮、峰值和低潮全过程，并发挥在海洋灾害研究和监测方面发挥着重要作用。

关键词GNSS-IR风暴潮反演多模多频海平面

引用格式何秀峰，王杰，王小雷，等。利用多模多频GNSS-IR信号反演沿海台风风暴潮。测绘学报，2020,499:1168-1178DOI:1011947/jAGCS202020200228

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全文概述

风暴潮是指在热带气旋、温带气旋等大气扰动作用下，强风推动水面而引起的海平面异常上升。伴随天文高潮的风暴潮通常会引起海平面的极端变化，进而给沿海地区带来洪涝灾害[1]。全平均每年形成80-100个台风，其中1/10登陆中国东南沿海。在我国，台风风暴潮是最具破坏性的海洋灾害之一，每年都会造成巨大的生命财产损失[2]。《2017年广东省海洋灾害公报》统计显示，2017年，广东省各类海洋灾害造成的直接经济损失约5410亿元，其中风暴潮灾害造成的直接经济损失5361亿元，占全部直接经济损失9909人，其中仅台风“天鸽”造成的风暴潮灾害造成的直接经济损失就达5154亿元。因此，监测风暴潮灾害对于降低沿海地区灾害风险具有重要意义。

风暴潮期间预警潮位值的选择需要根据沿海验潮站的实际测量数据。安装在海岸上的验潮站的测量结果很容易受到潮位变化和地面沉降的影响[3]。此外，台风期间的风暴潮可能会导致验潮站无法正常工作。例如，卡特里娜飓风的影响导致沿海验潮站普遍失效，只能收集高水位线来研究风暴潮[4]。台风“天鸽”期间，洪涝地区的两个潮位监测站因停电而无法测量风暴潮最高水位值[5]；台风“山竹”期间，深圳潮位监测站因停电而无法测量最高水位值。作业中断，未记录潮位异常升高情况[6]。因此，在大风、暴雨等极端天气监测潮位时，对验潮站的抗风暴能力提出了更高的要求[6]。

随着GNSS技术的不断发展，文献[7]首次提出利用GNSS反射信号反演海洋潮汐变化的理论，并得到研究证实[8-9]。随后，国内外出现了基于信噪比SNR的地基单天线GPS-IR测潮技术[10-11]。由于潮位具有时变特性，对反演结果的时间分辨率有较高的要求，特别是在风暴潮期间，要求反演结果的采样率较高[12]。单模GPS-IR的采样率受到GPS卫星轨迹数量、SNR数据质量和站点几何形状的[13]。有时很难满足潮位监测要求。许多学者基于有限的数据研究提高时间分辨率的方法。文献[14]采用滑动窗口方法来提高反演值，但该方法会降低反演精度。文献[15]采用小波分析方法提取信噪比瞬时频率来提高时间分辨率，但瞬时频率的提取对噪声过于敏感，会引入异常值和误差，导致反演精度降低[16]。文献[17]采用天文潮汐预测方法来提高反演值的精度和时间分辨率，但天文潮汐无法预测突发潮位，不适用于风暴潮。多模多频GNSS可以提供更多的卫星轨迹、质量更好的卫星信号以及更大的海面信号感知面积，从而提高反演值的精度和时间分辨率[13]。文献[10]利用GPS和GLONASS的L1和L2信号分别反演潮位，反演精度为厘米级。文献[18]将北斗系统应用于海面高度反演，研究了北斗系统三频信噪比数据的反演能力。文献[19]采用GPS、GLONASS、Galileo和BDS联合反演潮位，验证了多模多频GNSS-IR可以提高反演值的时间分辨率和精度。本文在前人研究的基础上，通过分析多模多频GNSS观测数据，利用多模多频GNSS-IR技术反演三种风暴潮并验证分析，对多模多频GNSS进行了探索。它们与验潮站的测量值。-红外监测风暴潮灾害的可行性。

1GNSS-IR潮位反演原理

11GNSS-IR经典海平面反演原理

GNSS-IR潮位反演是将连续运行的参考站CORS放置在海边。接收器将接收卫星直达信号和经过海面的反射信号的复合信号。这种现象可以直接通过卫星观测文件的信噪比来测量。实施例[20]。反射信号与直达信号之间的路径差D可表示为[21]

1

式中，e为卫星在天线处的高度角；h为反射面到天线相位中心的垂直距离，本文统称为垂直反射距离。

根据距离差D，直射信号和反射信号之间的相位差可以计算为[14]

2

式中，为卫星信号的波长。

根据式2，我们有[14]

3

式中，f为信噪比中受多径影响部分的信号频率。化简后可以得到垂直反射距离h与卫星信号波长的关系

4

对于f的提取，经典的方法是使用二阶多项式拟合SNR，去除趋势项，然后使用L-S谱lomb-scargle周期图和LSP分析方法得到残差序列SNR[10]。在LSP分析过程中，一般认为峰噪比大于3的反演值是有效的[19]。如果根据式4计算出满足要求的信号频率f，则可以计算出反射面到天线相位中心的垂直距离h，从而进一步计算出潮位值。

四个GNSS系统的每个频段信号都可以根据GNSS-IR经典海平面反演理论测量海面高度。

12GNSS-IR潮位监测误差修正

由于信噪比模型是在海面静态条件下提出的，考虑到实际海面动态变化的特点，文献[22]首先提出了海面动态高度误差。假设静态条件下得到的垂直反射距离为h，实际垂直反射距离为h，则两者的关系可表示为[22]

5

在公式，

文献[6]采用潮汐谐波分析方法对风暴潮期间海面动态高度误差进行修正。校正后，整体精度仅提高了3厘米。认为风暴潮期间实际潮位变化与潮汐谐波分析并不完全一致。在变化趋势相同的部位，修正方法可以提高反演精度，但在变化趋势相反的部位，修正方法实际上会降低精度。本文采用基于滑动窗口的最小二乘法来修正这一误差[14]。假设系统类型为s，窗口长度为T=3h，窗口滑动步长为05h，第i个窗口的时间为ti

6

式中，j表示信号类型；l表示窗口内反演值的序号，其中|tl-ti|LT;T/2;

根据最小二乘原理

7

由于不同信号的反演精度不同[18,23]，相应的权重也不同，因此这里采用鲁棒回归分析方法进行自动加权[19]。

GNSS卫星信号传播到接收器的过程中，在穿过中性大气层时会出现时间延迟和弯曲。由此产生的接收器测距误差称为对流层延迟误差[24]。当卫星信号经过对流层区域时，会发生信号折射效应。文献[25]研究对流层延迟会导致计算的垂直反射距离出现高度误差，并利用GPT2w全气压和温度模型对误差进行修正。对流层延迟T的计算如公式8所示

8

式中，hz=hz-h-hz0为天顶延迟；mh是干延迟映射函数；mw是湿延迟映射函数；e是卫星高度角。因此，对流层延迟引起的GNSS-IR反演高度误差hT可表示为[25]

9

结合式5和式9，静态条件下的垂直反射距离h与实际条件下的垂直反射距离h的关系为

10

经过海面高度误差修正和对流层高度误差修正后，即可得到实际垂直反射距离h，然后用接收天线的高度减去实际垂直反射距离即可得到实际垂直反射距离，从而得到潮汐水平值。

2风暴潮及场地分析

21飓风多里安风暴潮

2019年全风王“多里安”于9月1日登陆巴哈马，并于9月2日给大巴哈马带来灾难性风暴潮，造成巴哈马至少50人死亡，数千间房屋被毁。被毁，经济损失超过70亿美元。

位于大巴哈马岛巴哈马自由港岸边的BHMA站提供卫星观测数据。BHMA站位于西经7897、北纬2669。该站点配备了TrimbleNETR9接收机和LEIAT504接收机天线，提供GPS和GLONASS双系统卫星观测数据。卫星数据采样间隔为1s。场地有效高度角为5~15，对应海域方位角为-20~80。距现场1781米处设有验潮站，可提供实测潮位数据。图1a显示了该场地的周边环境。

图1场地周边环境图1场地周边环境

图表选项

22台风天鸽和山竹风暴潮

2017年8月23日，台风天鸽给香港带来10级大风，造成香港经济损失102亿美元、近百人受伤。2018年9月16日凌晨，台风“山竹”登陆香港，造成200多人受伤，给香港造成巨大经济财产损失。

文献[6]采用单一GPS系统对“天鸽”和“山竹”两次台风风暴潮进行反演，直接采用L1、L2、L5三频反演的平均值作为最终结果，没有充分考虑三者的准确度不同。对融合结果和采样率提升的影响也有限。同时采用潮汐谐波分析方法对海面高度误差进行修正。但该方法更适合正常气象条件下的潮位校正，不适用于风暴潮。本文基于多模多频滑动窗口的最小二乘修正规则可以解决上述题。不足的。香港北海岸的HKQT站提供卫星观测数据。HKQT站位于东经11421、北纬2229。它属于香港卫星定位参考站网络SatRef，并配备了TrimbleNETR5接收器。HKQT网站提供GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS和星基增强系统SBAS的卫星观测数据。卫星数据采样间隔为1s、5s、30s。本站点有效海域方位角为-60~105，有效高度角为4~9[6]。距离HKQT站点2米处的鲗鱼涌设有验潮站，可提供实测潮位数据。图1b为场地周边环境。

23站点卫星分布及信号反射区域

以HKQT网站为例，天空布满GPS，G

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