CN103558585B - 一种星载相控阵gnss-r海洋遥感相关处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其包括遥控遥测指令解析模块、互相关计算模块、几何关系计算与互相关控制模块；本发明提供的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置采用的选星策略可以实时地判断GNSS导航卫星是否在相控阵上视天线的可视范围内、能预测导航卫星的可视时长值，可根据不同的遥感应用要求选择对应的GNSS导航卫星，可见镜面反射点预测方法可以实时快速地预测镜面反射点轨迹，根据链路延迟、卫星运动速度来准确计算镜面反射点的实际位置。

Description

一种星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置
技术领域
本发明涉及一种处理装置，特别是一种星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置。
是一种利用低轨(LEO)卫星、GNSS导航卫星、镜面反射点之间的几何关系，选择合适的GNSS导航卫星计算其直射信号和反射信号的互相关功率谱的相关处理装置。
背景技术
GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)利用导航卫星作为发射源形成双基地雷达散射模型进行遥感，具有信号源多、全天候、成本低、灵活等优点。该遥感方式除了可以用于中尺度海洋测高、海面风场测量外，还能用于海冰探测、海啸预警和台风探测等方面。
英国空间中心于2003年10月发射了700公里极轨UK-DMC灾难探测卫星，验证了利用星载GNSS-R设备遥感海态参数、冰雪和陆地的可行性。欧空局于2008年启动了PARIS-IoD(Passive Reflectometry and Interferometry System-InOrbit Demonstration)项目，计划于2017年发射以GNSS-R为主载荷的海面高程测量卫星，其次进行海面风场、有效波高、海冰厚度、海啸、海流等海洋环境参数探测。
我国GNSS-R海洋遥感技术于2002年起步，中科院遥感所、北京航空航天大学等单位对GNSS-R海洋遥感技术与应用进行了技术研究和样机研制，在海洋微波遥感机理、信号接收与相关处理技术、海洋环境要素反演方法等方面有较多技术储备。
发明内容
本发明提供了一种星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其包括遥控遥测指令解析模块、互相关计算模块、几何关系计算与互相关控制模块；
所述相关处理装置接收GNSS导航卫星的直射信号和GNSS导航卫星的镜面反射信号、导航电文、遥控信息，输出GNSS导航卫星反射信号与GNSS导航卫星直射信号的互相关功率谱、GNSS导航卫星信号的原始数据、遥测信息。
较佳地，所述遥控遥测指令解析模块接收星务计算机的遥控信息并将遥测信息回传给所述星务计算机；所述互相关计算模块用于计算并输出所述互相关功率谱与原始数据；所述几何关系计算与互相关控制模块计算镜面反射点的实际位置，并选择满足测高、测风需求的导航卫星。
较佳地，所述互相关计算模块用于计算并输出所述互相关功率谱与原始数据的过程包括以下步骤：
(1)对直射中频信号和反射中频信号进行带通滤波，减少干扰信号；
(2)分别利用本地产生的正弦和余弦载波对其进行中频剥离；
(3)对GNSS导航卫星的直射信号做延迟补偿、多普勒补偿；
(4)将直射信号和反射信号进行相乘、累加，即相干累加；
(5)利用反射信号同步校正值对相干累加结果进行非相干累加校正，输出互相关功率谱到第一存储器B，同时输出原始数据到第二存储器A。
较佳地，所述镜面反射点预测计算的过程包括：
(1)GNSS-R遥感器搭载的LEO接收平台的轨道高度肯定小于GNSS导航卫星的轨道高度，在这种情况下，相对于GNSS导航卫星T与LEO接收平台R的连线RT的中点Mmid，镜面反射点S的位置偏向于LEO接收平台方向，但又比较接近于中点Mmid的星下点，所以先确定Mmid的位置；
(2)根据R的轨道高度、T的轨道高度、R和T之间的相对高度角进行建模，计算出进行镜面反射点位置搜索时，在线段RT上搜索镜面反射点对应的M点的步进搜索量Δx；
(3)步进搜索，使M点满足RM＝RMmid-n*Δx，n＝1,2,3,4…，计算并将其进行比较，最初得到的结果应该为将该值寄存至寄存器，若一直出现则循环步骤(3)，若出现则停止步进搜索，将时的M点的位置寄存至另外一个寄存器；
(4)缩小步进搜索的步长，使得Δx`＝Δx/2，在步骤(3)得到的搜索范围内精细搜索，检测和的差值是否能达到规定的精度要求，若不能达到，就继续缩小步进搜索的步长，使得Δx``＝Δx/3，以此类推，直至和的差值达到规定的精度要求，即δ为规定的精度阈值，求的镜面反射点位置记为Sp；
(5)计算镜面反射点移动速度vp，预估系统链路延时为tp，则最终的实际镜面反射点位置为Sp+vp*tp。
较佳地，所述选星的过程包括：
(1)根据遥控信息判断相关装置工作在多波束还是单波束模式；
(2)根据遥控信息判断应用模式，若为测高模式，进入步骤(3)，若为测风模式，进入步骤(4)；
(3)进入测高模式，选择高度角最高的一颗GNSS导航卫星，进入步骤(6)；
(4)进入测风模式，选择高度角最低的一颗GNSS导航卫星，进入步骤(5)；
(5)根据导航电文和星历信息，对GNSS导航卫星的可视时长进行预测，判断可视时间是否小于非相干积分时间，若小于，则舍弃，选择卫星高度角次低的GNSS导航卫星，进入步骤(5)，若大于，进入步骤(6)；
(6)处于相控阵上视天线扫描范围内的卫星数目是否大于波束数目，若大于，则进入步骤(7)，标志信号置为0，若小于，则进入步骤(8)；
(7)计算可见GNSS导航卫星所有的GDOP(Geometric Dilution ofPrecision)几何精度因子，选择GDOP值最大的一种组合，进入步骤(8)；
(8)根据地球覆盖区域数据，判断所选择的GNSS导航卫星当前时刻或接下来一段时间所对应的镜面反射点的位置是否位于海洋，否则将标志信号置为1，进入步骤(7)，是则进入步骤(9)；
(9)根据几何关系计算上视和下视天线的波束指向角。
较佳地，所述几何关系计算与互相关控制模块还完成反射信号同步校正、多普勒补偿、码延迟补偿、天线波束角计算。
较佳地，所述多普勒补偿是指GNSS导航卫星的直射信号与反射信号达到星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的路径不同，形成的多普勒效应也不同，要对GNSS导航卫星的直射信号进行多普勒补偿。
较佳地，所述码延迟补偿是指GNSS导航卫星的直射信号与反射信号达到星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的路径不同，形成的码延迟值也不同要对GNSS导航卫星的直射信号进行码延迟补偿。
较佳地，所述上视天线波束角计算是根据GNSS-R几何关系、GNSS导航卫星的运动速度、LEO平台的运动速度对相控阵上视天线的波束经过响应延迟后实际指向GNSS导航卫星的时刻的GNSS导航卫星的位置进行预测。
较佳地，所述下视天线波束角计算是根据GNSS-R几何关系、GNSS导航卫星的运动速度、LEO平台的运动速度对相控阵下视天线的波束经过响应延迟后实际指向镜面反射点的时刻的镜面反射点的位置进行预测。
本发明星载相控阵GNSS-R海洋遥感器相关处理装置的优点在于：
1、本发明的信号源众多，资源丰富，全天时，全天候，所以星载相控阵GNSS-R海洋遥感器相关处理装置不受时间限制，应用范围广；
2、本发明中的实时快速的镜面反射点预测方法和选星策略可以有效准确的跟踪导航卫星的直射信号和反射信号；
3、本发明精密跟踪导航卫星的直射和反射信号，可以有效减小星间干扰及其他信号噪声干扰，提高遥感效果，可用于精密测高等应用；
4、本发明可以以任意空间分辨率获取遥感参数；
5、本发明可以以任意时间分辨率获取遥感参数；
6、本发明扩展性强，适用性强，发展空间很大，当扩展导航系统的时候，可见卫星数目增加，相控阵天线的波束可以扩展，相关处理通道同时复制扩展，实现更多的探测条带，进一步提高海面测高、测风精度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置中的相关处理装置结构与内部信息流图；
图2为本发明实施例提供的多通道互相关计算模块结构图；
图3为本发明实施例提供的GNSS-R(Reflection)几何关系的示意图；
图4为本发明实施例提供的镜面反射点预测流程图；
图5为本发明实施例提供的选星策略流程图。
具体实施例
参见图1所示，本实施例提供了一种星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其包括遥控遥测指令解析模块、互相关计算模块、几何关系计算与互相关控制模块；
所述相关处理装置接收GNSS导航卫星的直射信号和GNSS导航卫星的镜面反射信号、导航电文、遥控信息，输出GNSS导航卫星反射信号与GNSS导航卫星直射信号的互相关功率谱、GNSS导航卫星信号的原始数据、遥测信息。
所述遥控遥测指令解析模块接收星务计算机的遥控信息并将遥测信息回传给所述星务计算机；所述互相关计算模块用于计算并输出所述互相关功率谱与原始数据；所述几何关系计算与互相关控制模块计算镜面反射点的实际位置，并选择满足测高、测风需求的导航卫星。
具体本实施例提供的相关处理装置提供的各个模块的工作过程为：
A遥控遥测指令解析模块
参见图1所示，遥控遥测指令解析模块的功能是一方面接收星务计算机的遥控信息，一方面接收遥测量采集模块输出的星载相控阵GNSS-R海洋遥感器的遥测信息，将其回传给星务计算机。
B互相关计算模块
参见图2所示，互相关计算模块的功能是完成导航卫星的直射信号与反射信号的互相关运算。互相关计算的处理流程如下：
(1)对直射中频信号和反射中频信号进行带通滤波，减少干扰信号；
(2)分别利用本地产生的正弦和余弦载波对其进行中频剥离；
(3)对GNSS导航卫星的直射信号做延迟补偿、多普勒补偿；
(4)将直射信号和反射信号进行相乘、累加，即相干累加；
(5)利用反射信号同步校正值对相干累加结果进行非相干累加校正，输出互相关功率谱到第一存储器B，同时输出原始数据到第二存储器A。
C几何关系计算与互相关控制模块
参见图1所示，几何关系计算与互相关控制模块的功能包括几何关系计算、根据镜面反射点预测算法制定选星策略、反射信号同步校正、多普勒补偿、码延迟补偿、天线波束角计算。
参见图3所示，镜面反射点的定义是从散射区域散射的信号中直射与反射路径延迟最短的理论反射点。海面散射信号发出的前缘是镜面反射点，海面散射信号包含了海面信息，所以，镜面反射点的分布直接决定可探测海域的分布。该装置采用的镜面反射点轨迹估算算法称为基于步进收敛搜索的镜面反射点搜索法，是通过在GNSS导航卫星T与LEO接收平台R的连线RT上寻找M点，使其在地球上的投影点满足Fresnel条件的方法。该算法的基本思想是一种逐步逼近法，先采用大的搜索步长确定镜面反射点所在的大致范围，再缩小搜索步长，对镜面反射点所在的位置进行进一步的精确搜索，再结合GNSS-R几何关系计算出镜面反射点的移动速度，根据系统链路延迟预估出镜面反射点的实际位置。
ε是入射面内镜面反射点S处的LEO卫星高度角，此处为方便描述，记为
为镜面反射点S处的GNSS导航卫星的高度角；
寻找镜面反射点的过程是在线段RT上寻找一点M，使得M点与地心O的连线与地平面的交点(星下点)为镜面反射点S，即
参见图4所示，基于步进收敛搜索的镜面反射点搜索法的原理如下：
(1)GNSS-R遥感器搭载的LEO接收平台的轨道高度肯定小于GNSS导航卫星的轨道高度，在这种情况下，相对于GNSSGNSS导航卫星T与LEO接收平台R的连线RT的中点Mmid，镜面反射点S的位置偏向于LEO接收平台方向，但又比较接近于中点Mmid的星下点，所以先确定Mmid的位置；
(2)根据R的轨道高度、T的轨道高度、R和T之间的相对高度角进行建模，计算出进行镜面反射点位置搜索时，在线段RT上搜索镜面反射点对应的M点的步进搜索量Δx；
(3)步进搜索，使M点满足RM＝RMmid-n*Δx，n＝1,2,3,4…，计算并将其进行比较，最初得到的结果应该为将该值寄存至寄存器，若一直出现则循环步骤(3)，若出现则停止步进搜索，将时的M点的位置寄存至另外一个寄存器；
(4)缩小步进搜索的步长，使得Δx`＝Δx/2，在步骤(3)得到的搜索范围内精细搜索，检测和的差值是否能达到规定的精度要求，若不能达到，就继续缩小步进搜索的步长，使得Δx``＝Δx/3，以此类推，直至和的差值达到规定的精度要求，即δ为规定的精度阈值，求的镜面反射点位置记为Sp；
(5)计算镜面反射点移动速度vp，预估系统链路延时为tp，则最终的实际镜面反射点位置为Sp+vp*tp。
参见图5所示，该装置采用的选星策略可以实时地判断GNSS导航卫星是否在相控阵上视天线的可视范围内、预测导航卫星的可视时长值，并选择满足测高、测风需求的导航卫星。选星的软件流程如下：
(1)根据遥控信息判断相关装置工作在多波束还是单波束模式；
(2)根据遥控信息判断应用模式，若为测高模式，进入步骤(3)，若为测风模式，进入步骤(4)；
(3)进入测高模式，选择高度角最高的一颗GNSS导航卫星，进入步骤(6)；
(4)进入测风模式，选择高度角最低的一颗GNSS导航卫星，进入步骤(5)；
(5)根据导航电文和星历信息，对GNSS导航卫星的可视时长进行预测，判断可视时间是否小于非相干积分时间，若小于，则舍弃，选择卫星高度角次低的GNSS导航卫星，进入步骤(5)，若大于，进入步骤(6)；
(6)处于相控阵上视天线扫描范围内的卫星数目是否大于波束数目，若大于，则进入步骤(7)，标志信号置为0，若小于，则进入步骤(8)；
(7)计算可见GNSS导航卫星所有的GDOP(Geometric Dilution ofPrecision)几何精度因子，选择GDOP值最大的一种组合，进入步骤(8)；
(8)根据地球覆盖区域数据，判断所选择的GNSS导航卫星当前时刻或接下来一段时间所对应的镜面反射点的位置是否位于海洋，否则将标志信号置为1，进入步骤(7)，是则进入步骤(9)；
(9)根据几何关系计算上视和下视天线的波束指向角。
所述反射信号同步校正是由于在卫星的高速运动过程中，镜面反射点也在高速的移动，这样导致不同时刻的相干累加值会有差异，对其要进行补偿。
所述多普勒补偿是指导航卫星的直射信号与反射信号达到星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的路径不同，形成的多普勒效应也不同，要对导航卫星的直射信号进行多普勒补偿。
所述码延迟补偿是指导航卫星的直射信号与反射信号达到星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的路径不同，形成的码延迟值也不同要对导航卫星的直射信号进行码延迟补偿。
所述上视天线波束角计算是根据GNSS-R几何关系、导航卫星的运动速度、LEO平台的运动速度对相控阵上视天线的波束经过响应延迟后实际指向导航卫星的时刻的导航卫星的位置进行预测。
所述下视天线波束角计算是根据GNSS-R几何关系、导航卫星的运动速度、LEO平台的运动速度对相控阵下视天线的波束经过响应延迟后实际指向镜面反射点的时刻的镜面反射点的位置进行预测。
本发明依照上述方法，所述相关处理装置接收GNSS导航卫星的直射信号和GNSS导航卫星的镜面反射信号、导航电文、遥控信息，输出GNSS导航卫星反射信号与GNSS导航卫星直射信号的互相关功率谱、GNSS导航卫星信号的原始数据、遥测信息，是一种小成本、高探测精度、高灵活性并且扩展性强、适用性强的星载GNSS-R海洋微波遥感器相关装置。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，包括遥控遥测指令解析模块、互相关计算模块、几何关系计算与互相关控制模块；
所述相关处理装置接收GNSS导航卫星的直射信号和GNSS导航卫星的镜面反射信号、导航电文、遥控信息，输出GNSS导航卫星反射信号与GNSS导航卫星直射信号的互相关功率谱、GNSS导航卫星信号的原始数据、遥测信息；其中：
所述遥控遥测指令解析模块接收星务计算机的遥控信息并将遥测信息回传给所述星务计算机；所述互相关计算模块用于计算并输出所述互相关功率谱与原始数据；所述几何关系计算与互相关控制模块计算镜面反射点的实际位置，并选择满足测高、测风需求的导航卫星；
所述镜面反射点预测计算的过程包括：
(1)GNSS-R遥感器搭载的LEO接收平台的轨道高度肯定小于GNSS导航卫星的轨道高度，在这种情况下，相对于GNSS导航卫星T与LEO接收平台R的连线RT的中点Mmid，镜面反射点S的位置偏向于LEO接收平台方向，但又比较接近于中点Mmid的星下点，所以先确定Mmid的位置；
(2)根据R的轨道高度、T的轨道高度、R和T之间的相对高度角进行建模，计算出进行镜面反射点位置搜索时，在线段RT上搜索镜面反射点对应的M点的步进搜索量Δx；
(3)步进搜索，使M点满足RM＝RMmid-n*Δx，n＝1,2,3,4…，计算并将其进行比较，最初得到的结果应该为将该值寄存至寄存器，若一直出现则循环步骤(3)，若出现则停止步进搜索，将时的M点的位置寄存至另外一个寄存器；
(4)缩小步进搜索的步长，使得Δx`＝Δx/2，在步骤(3)得到的搜索范围内精细搜索，检测和的差值是否能达到规定的精度要求，若不能达到，就继续缩小步进搜索的步长，使得Δx``＝Δx/3，以此类推，直至和的差值达到规定的精度要求，即δ为规定的精度阈值，求的镜面反射点位置记为Sp；
计算镜面反射点移动速度vp，预估系统链路延时为tp，则最终的实际镜面反射点位置为Sp+vp*tp；
其中：为镜面反射点S处的LEO平台的轨道高度角；为镜面反射点S处的GNSS导航卫星的轨道高度角。
2.如权利要求1所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，所述互相关计算模块用于计算并输出所述互相关功率谱与原始数据的过程包括以下步骤：
(1)对直射中频信号和反射中频信号进行带通滤波，减少干扰信号；
(2)分别利用本地产生的正弦和余弦载波对其进行中频剥离；
(3)对GNSS导航卫星的直射信号做延迟补偿、多普勒补偿；
(4)将直射信号和反射信号进行相乘、累加，即相干累加；
(5)利用反射信号同步校正值对相干累加结果进行非相干累加校正，输出互相关功率谱到第一存储器B，同时输出原始数据到第二存储器A。
3.如权利要求1所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，所述几何关系计算与互相关控制模块选择满足测高、测风需求的导航卫星的过程包括：
(1)根据遥控信息判断相关装置工作在多波束还是单波束模式；
(2)根据遥控信息判断应用模式，若为测高模式，进入步骤(3)，若为测风模式，进入步骤(4)；
(3)进入测高模式，选择高度角最高的一颗GNSS导航卫星，进入步骤(6)；
(4)进入测风模式，选择高度角最低的一颗GNSS导航卫星，进入步骤(5)；
(5)根据导航电文和星历信息，对GNSS导航卫星的可视时长进行预测，判断可视时间是否小于非相干积分时间，若小于，则舍弃，选择卫星高度角次低的GNSS导航卫星，进入步骤(5)，若大于，进入步骤(6)；
(6)处于相控阵上视天线扫描范围内的卫星数目是否大于波束数目，若大于，则进入步骤(7)，标志信号置为0，若小于，则进入步骤(8)；
(7)计算可见GNSS导航卫星所有的GDOP(Geometric Dilution of Precision)几何精度因子，选择GDOP值最大的一种组合，进入步骤(8)；
(8)根据地球覆盖区域数据，判断所选择的GNSS导航卫星当前时刻或接下来一段时间所对应的镜面反射点的位置是否位于海洋，否则将标志信号置为1，进入步骤(7)，是则进入步骤(9)；
(9)根据几何关系计算上视和下视天线的波束指向角。
4.如权利要求1所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，所述几何关系计算与互相关控制模块还完成反射信号同步校正、多普勒补偿、码延迟补偿、天线波束角计算。
5.如权利要求4所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，所述多普勒补偿是指GNSS导航卫星的直射信号与反射信号达到星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的路径不同，形成的多普勒效应也不同，要对GNSS导航卫星的直射信号进行多普勒补偿。
6.如权利要求4所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，所述码延迟补偿是指GNSS导航卫星的直射信号与反射信号达到星载相控阵GNSS-R海洋微波遥感器的路径不同，形成的码延迟值也不同要对GNSS导航卫星的直射信号进行码延迟补偿。
7.如权利要求4所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，上视天线波束角计算是根据GNSS-R几何关系、GNSS导航卫星的运动速度、LEO平台的运动速度对相控阵上视天线的波束经过响应延迟后实际指向GNSS导航卫星的时刻的GNSS导航卫星的位置进行预测。
8.如权利要求4所述的星载相控阵GNSS-R海洋遥感相关处理装置，其特征在于，下视天线波束角计算是根据GNSS-R几何关系、GNSS导航卫星的运动速度、LEO平台的运动速度对相控阵下视天线的波束经过响应延迟后实际指向镜面反射点的时刻的镜面反射点的位置进行预测。
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