CN103235325B - 基于线段二分法的镜面反射点估计算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二分法和迭代思想的GNSS-R镜面反射点位置、速度估计算法，该算法主要包括输入模块、参数计算模块、判决模块、重新赋值模块。本发明通过二分法和迭代过程在接收机和GNSS卫星的连线上寻找一点，使其在地球上的投影点满足Fresnel镜面反射条件的方法估计镜面反射点位置、速度信息，具有迭代次数少，运算时间短、估计精度高、可以同时估计镜面反射点位置和速度信息的优点。

Description

基于线段二分法的镜面反射点估计算法

技术领域

本发明涉及一种GNSS-R镜面反射点估计算法，具体说是一种基于线段二分法的通过迭代过程实现的GNSS-R镜面反射点估计算法。

背景技术

利用GNSS反射信号进行海洋遥感是卫星遥感技术的新型技术之一，具有信源多，重量轻，扩频处理，应用面宽等优势。GNSS-R（GlobalNavigation Satellite system-Reflected）技术通过采用岸基、机载以及空载的特殊接受设备接受GNSS直射信号和以及经反射面散射的回波信号，通过协同处得到反射面内时延-多普勒单元对应的反射信号二维相关功率，然后通过一定的反演方法得出地球表面散射面的物理参数信息。

GNSS-R接收机接收到的反射信号的时间延迟和多普勒频移的不确定很大，通过预先确定时间延迟和多普勒频移的方法可以实现反射信号的快速跟踪。在GNSS-R接收机内根据导航星历文件和接收机的导航定位解实时的估计镜面反射点，得到闪耀区的延迟范围和多普勒范围，能极大的缩小信号的搜索范围和跟踪时间。

本发明通过二分法和迭代思想，利用接收机位置、速度信息和GNSS卫星位置、速度信息估计镜面反射点位置、速度信息。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种GNSS-R镜面反射点估计算法，该算法不仅可以估计镜面反射点位置信息，还可以估计镜面反射点速度信息。

本发明的技术方案是：一种GNSS-R镜面反射点估计算法，该算法输入接收机位置、速度信息和GNSS卫星位置、速度信息，输出镜面反射点位置、速度信息。基于二分法和迭代思想，通过在接收机和GNSS卫星连线上寻找M点，使其在地球上的投影点满足Fresnel镜面反射条件的方法来估计镜面反射点位置，通过迭代求解M点速度，然后根据M点与镜面反射点之间的约束关系求解镜面反射点的速度。

本发明的优点在于：

一、迭代次数少；

二、运算时间短；

三、镜面反射点估计值的精度高；

四、可以同时估计镜面反射点位置信息和速度信息。

附图说明

图1、GNSS-R基本几何关系。

图2、基于线段二分法镜面反射点估计算法流程图。

图3（1）、Gleason算法和本发明的镜面反射点位置估计仿真结果比较表格。

图3（2）本发明的镜面反射点速度估计仿真结果表格。

图4、接收机、GNSS-R卫星和镜面反射点在地球上的投影示意图。

具体实施

参见图2，本发明主要由输入模块A，参数计算模块B，判决模块C，重新赋值模块D组成。

本发明的初始输入是接收机位置、速度信息和GNSS卫星位置、速度信息，最终输出是GNSS-R几何关系中镜面反射点的位置、速度信息。

下面详细说明各模块的功能：

1、输入模块A主要是定义四个变量并将接收机位置信息R、速度信息和GNSS-R卫星位置信息T、速度信息分别赋予这四个变量。

2、参数计算模块B主要是根据输入模块的四个变量值，并利用二分法计算M点的位置信息M、速度信息计算M点在地球上投影点S的位置S、速度并以该投影点为基准，计算接收机仰角α_r和GNSS卫星仰角α_t。计算参数的步骤如下（O表示WGS-84坐标系原点，为地球质心）：

$M=\frac{a+b}{2}$

$\stackrel{\→}{v_M}=\frac{\stackrel{\→}{v_a}+\stackrel{\→}{v_b}}{2}$

$S=\frac{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\right|}\·M$

$\stackrel{\→}{v_s}=\frac{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\right|}\·\stackrel{\→}{v_M}$

${\mathrm{\α}}_r={\cos }^{-1}\left(\frac{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{RS}}\right|}^2-{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OR}}\right|}^2}{2\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{RS}}\right|}\right)-\frac{\mathrm{\π}}{2}$

${\mathrm{\α}}_t={\cos }^{-1}\left(\frac{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}^2+{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{TS}}\right|}^2-{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OT}}\right|}^2}{2\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{TS}}\right|}\right)-\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，表示投影点S处的地球半径，可以根据M点位置和WGS-84地球模型计算。

3、判决模块C主要包括两步判定，第一步判定C1决定是否迭代过程结束，第二步判定C2决定重新赋值模块中执行D1赋值操作还是执行D2赋值操作。第一步判定C1判定条件为Fresnel镜面反射条件（信号入射角等于信号反射角），在本发明中采用接收机仰角α_r是否等于GNSS卫星仰角α_t，若是，则投影点为镜面反射点，输出投影点S的位置信息S和速度信息否则，执行下一步判定。第二步判定C2决定执行哪一个赋值操作，判定条件是接收机仰角α_r是否小于GNSS卫星仰角α_t，若是，则执行D1赋值操作，否则执行D2赋值操作。

4、重新赋值模块主要是根据判决模块C中第二步判定C2的判定结果对输入模块A中定义的四个变量执行不同的赋值操作。若判定C2的结果为真，则执行D1赋值操作，将参数计算模块B中计算的M值赋予变量b，赋予变量变量a，的值不变，并将重新赋值后的变量输入到参数计算模块B进行下一次迭代，若判定C2判定结果为假，则执行D2赋值操作，将参数计算模块B中计算的M值赋予变量a，赋予变量变量b，的值不变，并将重新赋值后的变量输入到参数计算模块进行下一次迭代。

Claims (4)

1.基于线段二分法的镜面反射点估计算法，其特征在于：利用二分法和迭代思想，估计GNSS-R镜面反射点位置、速度；

采用输入模块定义四个变量并接受接收机位置信息R、速度信息和GNSS-R卫星位置信息T、速度信息分别赋予这四个变量；

采用参数计算模块来根据输入模块的四个变量值，并利用二分法计算M点的位置信息M、速度信息计算M点在地球上投影点S的位置S、速度并以该投影点为基准，计算接收机仰角α_r和GNSS卫星仰角α_t，计算参数的步骤如下：

$M=\frac{a+b}{2}$

$\stackrel{\→}{v_M}=\frac{\stackrel{\→}{v_a}+\stackrel{\→}{v_b}}{2}$

$S=\frac{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\right|}\·M$

$\stackrel{\→}{v_S}=\frac{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OM}}\right|}\·\stackrel{\→}{v_M}$

${\mathrm{\α}}_r={\cos }^{-1}\left(\frac{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}^2+{|\stackrel{\→}{\mathrm{RS}|}}^2-{|\stackrel{\→}{\mathrm{OR}|}}^2}{2\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{RS}}\right|}\right)-\frac{\mathrm{\π}}{2}$

${\mathrm{\α}}_t={\cos }^{-1}\left(\frac{{\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|}^2+{|\stackrel{\→}{\mathrm{TS}|}}^2-{|\stackrel{\→}{\mathrm{OT}|}}^2}{2\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{OS}}\right|\·\left|\stackrel{\→}{\mathrm{TS}}\right|}\right)-\frac{\mathrm{\π}}{2}$

其中，表示投影点S处的地球半径，可以根据M点位置和WGS-84地球模型计算，O表示为WGS-84坐标系原点；

采用判决模块来首先判定是否迭代结束，若满足接收机仰角α_r等于GNSS卫星仰角α_t，则退出迭代，并输出投影点S的位置信息S和速度信息否则进入第二步判定，判决重新赋值模块应该执行哪一个赋值操作，若接收机仰角α_r小于GNSS卫星仰角α_t，则判决结果为YES，否则，判决结果为NO；

采用重新赋值模块来根据判决模块的第二步判决结果执行相应的赋值操作，若判决模块的第二步判决结果为YES，将参数计算模块计算的M值赋予变量b，赋予变量变量a、的值不变，并将重新赋值后的变量输入到参数计算模块进行下一次迭代，若判决模块的第二步判决结果为NO，将参数计算模块中计算的M值赋予变量a，赋予变量变量b、的值不变，并将重新赋值后的变量输入到参数计算模块进行下一次迭代。

2.根据权利要求1所述的基于线段二分法的镜面反射点估计算法，其特征在于：通过对接收机和GNSS卫星之间的线段不断进行二分，在线段内寻找一点，使其在地球上的投影点满足Fresnel镜面反射条件。

3.根据权利要求1所述的基于线段二分法的镜面反射点估计算法，其特征在于：通过迭代过程在接收机和GNSS卫星的连线上寻找满足Fresnel镜面反射条件的点。

4.根据权利要求1所述的基于线段二分法的镜面反射点估计算法，其特征在于：最终输出结果既包括镜面反射点的位置信息，也包括镜面反射点的速度信息。