[发明专利]一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，利用卫星通信信号穿过雨区时产生的衰减特征，测量星地链路在雨区传播路径上的平均降雨强度，包括如下步骤：首先在地面搭建卫星信号接收天线，确定卫星信号的频率、极化方式，利用卫星接收机记录信号强度；然后根据信号强度在降雨和非降雨天气下的变化分离出雨致信号衰减量；最后利用雨致衰减与降雨强度的关系反演得到传播路径上的平均降雨强度。该方法具有测量点多、覆盖范围广、时空分辨率高且架设和维护成本低等优点，只要有卫星天线架设的地方都能够用来测量降雨强度，可以弥补气象卫星时空分辨率低、天气雷达扫描有盲区、雨量计站点稀疏等缺点。

技术领域

本发明涉及地面气象要素的自动化探测领域，尤其是一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法。

背景技术

准确测量降雨强度和降雨位置对于研究水循环和危险性天气预警等具有重要的意义。目前，常用的降雨测量方法主要包括星载测雨雷达、地基天气雷达和雨量计。星载测雨雷达虽然能够对全球的降雨情况进行监测，但是它需要安装在低轨道的极轨卫星上，所以时间分辨率很低，无法满足对降雨实时监控的要求；地基天气雷达能够监控的范围大概为30,000km²，时间分辨率约为几分钟，空间分辨率在一公里左右，但是由于雷达发射的电磁波近似直线传播，高仰角扫描下存在盲区；雨量计能够对降雨强度进行实时监测，但空间代表性有限，在山区、雨林、沙漠和湿地等地区布设雨量计不仅困难而且不易维护。

如今，全球大约有200多颗广播、通信、海事和导航卫星，实时发射L、S、C、X、Ku和Ka等不同频段的电磁波，几乎覆盖了整个地球。电磁波频率越高，对降雨就越为敏感，有利于进行降雨强度测量。另外，即使在人迹罕至的地区也有卫星地面接收站的存在，从而使得降雨监测的空间分辨率和覆盖范围大大提高，卫星接收天线及接收机的价格低廉，架设方便、易于维护。因此，通过星地链路测量降雨强度相较于天气雷达、雨量筒等传统的降雨测量方式，无需额外投入，不仅能够节约成本，而且能够保证较高的时空分辨率和覆盖范围。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，该方法利用卫星信号传播过程中经过雨区产生的衰减信息，反演得到传播路径上的平均降雨强度。

技术方案：为实现上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种基于星地链路衰减效应的降雨强度测量方法，包括步骤：

(1)确定卫星信号源，在地面架设用于接收卫星信号的卫星天线，建立卫星信号源与卫星天线之间的星地链路；

(2)利用卫星天线在非降雨时和降雨时分别接收卫星信号源发出的卫星信号，记录非降雨和降雨状态下所接收到的卫星信号的强度，将两次信号强度求差，即可得到卫星强度因降雨产生的损耗，即雨致衰减A_rain；从降雨时接收到的卫星信号中提取出卫星信号的频率f、极化方式；

(3)建立雨致衰减与降雨强度关系模型：

A_rain＝αR^βl (1)

其中，α和β为幂律关系系数，l表示卫星信号在降雨区域中的等效传播路径长度，R表示降雨强度；

(4)计算卫星信号在雨区中的等效传播路径l：

其中，h_R表示雨顶高度，h_S表示天线海拔高度，θ表示卫星天线仰角，k表示等效地球半径因子，a表示平均地球半径；

(5)将步骤(2)得到的雨致衰减A_rain和步骤(4)得到的等效传播路径长度l代入雨致衰减与降雨强度关系模型，得到降雨强度R。

进一步的，所述α和β的确定方法为：