一种新的多源卫星高度计融合方法

摘要

本发明公开一种新的多源卫星高度计融合方法，包括基于二维变分的最优算法，采用对角矩阵和相关系数阵将背景误差协方差矩阵B＝ΣCΣ进行分解，利用高斯函数估计和构造背景误差相关性，通过最小二乘法拟合高斯分布，得到的背景误差相关系数尺度，采用多时次的卫星高度计观测密度确定融合时长，将观测资料融合得到融合产品；本发明以二维变分法为融合基础，考虑同轨观测的演变误差，依据高度计观测密度选取背景误差协方差相关系数尺度，构建更为合理的背景误差相关系数表示函数，考虑不同区域的背景误差相关系数尺度的变化，且使用前一日的融合场作为背景场，在融合产品中更多地保留了小尺度信号，显著提高融合产品的有效分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及多源海洋卫星高度计资料的融合技术领域，尤其涉及一种新的多源卫星高度计融合方法。

背景技术

AVISO的高度计数据融合系统制作发布了国际上最具影响力的卫星高度计产品，2015年5月起该系统由欧洲哥白尼计划负责，DT2018 融合产品分别由哥白尼海事局和哥白尼气候服务机构生产和发布，其中，CMEMS发布的DT2018产品主要针对全球或区域尺度范围内海洋模式和海洋环流分析中的中尺度信号反演，采用所有高度计卫星数据，具有更为精确的海表高度精度；

当前在轨运行的高度计卫星多达5颗，根据各个卫星的23天卫星轨迹分布，某些海域未被卫星轨道覆盖的最大空白区域为45km到 80km之间，而AVISO在该海域的有效分辨率仅为240km，未达到最大有效分辨率，进一步提高融合产品的有效分辨率成为亟待解决的问题，因此，本发明提出一种新的多源卫星高度计融合方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种新的多源卫星高度计融合方法，该新的多源卫星高度计融合方法以二维变分法为融合基础，考虑同轨观测的演变误差，依据高度计观测密度选取背景误差协方差相关系数尺度，构建更为合理的背景误差相关系数表示函数，考虑不同区域的背景误差相关系数尺度的变化，且使用前一日的融合场作为背景场，在融合产品中更多地保留了小尺度信号，显著提高融合产品的有效分辨率。

为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种新的多源卫星高度计融合方法，包括以下步骤：

步骤一、以二维变分法为基础，采用对角矩阵和相关系数阵将背景误差协方差矩阵B＝ΣCΣ进行分解，估计和构造背景误差相关性，其中B是背景场误差的协方差矩阵，Σ是对角矩阵，C是相关系数阵；

步骤二、以高斯函数表示相关系数构建背景误差协方差矩阵，通过最小二乘法进行高斯分布拟合，得到的背景误差相关系数尺度；

步骤三、采用多时次的高度计卫星观测资料，以满足背景误差相关系数尺度的要求，然后根据观测资料的密度确定选取背景误差协方差相关系数尺度；

步骤四、将长时间的观测资料融合得到融合产品，融合时产生的采样误差值带入观测误差协方差矩阵计算公式中：

R＝R

其中R

进一步改进在于：所述步骤一中二维变分法是用数值解的方法求解代价函数最小化的问题：

其中x为向量，是所有规则网格点上的ADT值，也称为控制变量， x

进一步改进在于：所述最优插值法要求(2)式满足最优解，并通过矩阵运算，得到最小化解的表达式：

x

通过式(3)直接计算x

进一步改进在于：所述步骤一中对角矩阵Σ的对角单元是每一格点上的背景误差均方根，相关系数阵是由背景误差格点之间的相关系数组成。

进一步改进在于：所述步骤二中用高斯函数表示相关系数为

进一步改进在于：所述步骤二中背景误差相关系数尺度越小，融合产品的有效分辨率越高，反之融合产品有效分辨率越低，所述融合产品的有效分辨率小于等于两倍相关系数尺度。

进一步改进在于：所述步骤四中采样误差是由观测时间与融合时间不同造成的，是观测误差的一部分，根据高度计卫星沿轨资料估计时间演变标准差即为采样误差均方根误差，将采样误差均方根误差数值增加20％即得到采样误差。

本发明的有益效果为：本发明以二维变分法为融合基础，考虑同轨观测的演变误差，依据高度计观测密度选取背景误差协方差相关系数尺度，构建更为合理的背景误差相关系数表示函数，考虑不同区域的背景误差相关系数尺度的变化，且使用前一日的融合场作为背景场，在融合产品中更多地保留了小尺度信号，显著提高融合产品的有效分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施流程图。

图2为本发明功率谱分析具体效果图。

图3为本发明背景误差相关系数曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据图1、2、3所示，本实施例提供了一种新的多源卫星高度计融合方法，包括以下步骤：

步骤一、以二维变分法的最优算法，采用对角矩阵和相关系数阵将背景误差协方差矩阵B＝ΣCΣ进行分解，估计和构造背景误差相关性，其中B是背景场误差的协方差矩阵，Σ是对角矩阵，其对角单元是每一格点上的背景误差均方根，C是相关系数阵，是由背景误差格点之间的相关系数组成，二维变分法是用数值解的方法求解代价函数最小化的问题：

其中x为向量，是所有规则网格点上的估计值，也称为控制变量， x

最优插值法要求(2)式满足最优解，并通过矩阵运算，得到最小化解的表达式：

x

通过式(3)直接计算x

步骤二、以高斯函数表示相关系数构建背景误差协方差矩阵，通过最小二乘法进行高斯分布拟合，得到的背景误差相关系数尺度，其中高斯函数表示相关系数为

背景误差相关系数在资料融合中具有关键作用，决定了如何将观测信息从观测点插值到观测空白区，背景误差相关系数尺度能决定融合产品的有效分辨率：背景误差相关系数尺度越小，融合产品的有效分辨率越高，反之融合产品有效分辨率越低，所述融合产品的有效分辨率小于等于两倍相关系数尺度；

本发明选用前一天的融合产品结果作为背景场，计算背景误差相关系数，以高斯函数构建背景误差协方差矩阵，相关系数从1下降到 e

步骤三、为了获取足够密集的资料产生逐日融合产品，采用多时次的高度计卫星观测资料，以满足背景误差相关系数尺度的要求，然后根据观测资料的密度确定选取背景误差协方差相关系数尺度；

步骤四、将长时间的观测资料融合得到融合产品，融合时产生的采样误差值带入观测误差协方差矩阵计算公式中：

R＝R

其中R

表1某海域高度计卫星相关信息

利用Jason-3(J3)沿轨资料估计采样误差。J3为固定轨道，轨道周期为10天，因此，可用J3沿轨资料估计10天和20天间隔的时间演变标准差，即采样误差均方根误差，分别为4cm和6cm。通过曲线拟合，插值得到其它时次的采样误差。采样误差存在空间相关，但在观测误差协方差矩阵中引进空间相关目前仍无法实现，所以在本方法中没有直接考虑，仅经验性地将均方根误差增加20％。

实施例

1)、选定某海域及其附近海域为研究区域：100°～130°E，0°～26°N。为了提高有效分辨率，背景网格采用0.08°的格距(AVISO 融合产品的格距为0.25°)。

2)、在输入数据质量控制中，为了检测出高度计观测中的错误虚假值，选择阈值进行质量控制，严格筛选了沿非重复轨道和新重复轨道的错误测量检测标准,尽可能在海岸附近保留有效的测量数据。

3)、在数据获取环节中，从不同高度计卫星获取的高度场已经均质化处理，但由于仪器误差、轨道残差以及处理误差等存在，仍需要多星交叉校准。

4)、融合时段选取2018年1月到2018年6月的半年时间。在该时段内，共有5颗卫星在轨运行。

5)、利用上述所有5颗卫星的高度计沿轨ADT数据，采用新方法进行融合，具体的卫星高度计相关信息参见表1。背景误差中的相关系数起滤波作用，而滤波的程度取决于相关系数尺度。因此，借助融合方法本身的滤波性质，直接采用未过滤的沿轨ADT资料进行融合。

该新的多源卫星高度计融合方法以二维变分法为融合基础，考虑同轨观测的演变误差，依据高度计观测密度选取背景误差协方差相关系数尺度，构建更为合理的背景误差相关系数表示函数，考虑不同区域的背景误差相关系数尺度的变化，且使用前一日的融合场作为背景场，在融合产品中更多地保留了小尺度信号，显著提高融合产品的有效分辨率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。