CN103645465B - 一种卫星与地面间相对几何距离的获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卫星与地面间相对几何距离的获取方法及系统，所述方法包含：步骤101）在定标收发阶段完成后，获取高度计生成的脉冲收发间隔对应的第一距离序列，并获取定标器生成的脉冲接收间隔对应的第二距离序列；步骤102）求得第二距离序列与第一距离序列的差值，获得卫星与地面之间的几何距离差分序列；步骤103）将获得的卫星与地面之间的几何距离差分序列进行累加，最终获得卫星对地面的相对几何距离序列。本发明在生成卫星与地面之间相对几何距离的过程中，不依赖除雷达和定标器之外的任何第三方测量仪器，以及卫星与地面之间相对运动的多普勒效应引入的测距偏差的具体数值，即可在处理过程中直接消除以上测距偏差的影响。

Description

一种卫星与地面间相对几何距离的获取方法及系统

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，尤其涉及一种卫星与地面相对几何距离的获取方法及系统。

背景技术

脉冲重建型有源定标器对雷达进行定标工作时，定标器和雷达之间将进行信号收发。电磁波在大气层中传播时，电离层和对流层对电磁波的折射，将使得电磁波的传播路径偏离几何直线路径。在定标工作中，这种影响可视作电磁波的传播距离与几何直线距离相比较长，即存在延迟。这种大气延迟的影响同时存在于雷达和定标器的原始接收数据中，在定标工作中不可忽略，因此必须采用各种方法在雷达数据和定标器数据的处理中尽可能消除大气延迟造成的影响。

雷达消除对流层延时的主要方法是在星上设置微波辐射计，观测雷达观测区域上空的对流层微波辐射，并由此计算雷达信号传播路径上由对流层中的水汽成分导致的距离测量偏差。信号传播路径上由对流层非水汽成分导致的距离测量偏差，则通过数值气象预报数据结合模型计算获得。

雷达消除电离层延迟的主要方法是发射2个不同频率的电磁信号，对天线与同一区域海面之间的距离进行测量。由于电离层延迟与频率存在函数关系，而15GHz以下频率的电磁波，其对流层延迟可认为是与频率无关的常数，因此2个不同频率的距离测量结果差异，可认为是来自电离层对不同频率电磁波的延迟量差异。根据距离测量结果差异可计算出不存在电离层延迟情况下的距离测量结果。

目前尚无针对雷达定标的脉冲重建跟踪型有源定标器投入使用的公开报道。从理论上，定标器可采取与雷达进行双频收发的办法，消除电离层引入的距离偏差，同时采用地基天顶指向辐射计、地基GPS、探空气球等手段测定定标器信号路径上的对流层距离偏差。事实上，这些技术手段已经在本专利中提到的有源定标器数据处理中得到应用。但上述技术手段的共同缺陷在于，任何独立测量手段都存在程度不等的非理想特性，测量到的结果中都存在偏差，并且参与测量的设备越多，最终测量结果中由设备引入的额外偏差就越大。

此外，定标器和雷达作为设备同样会向距离测量结果引入偏差并体现在定标器和雷达的接收数据中。定标器系统的距离测量偏差可事先单独精确测定，数据处理阶段一开始即可直接使用，但雷达系统的距离测量偏差作为距离定标的目的和待测量，只有在数据处理过程的结尾才能得到，若有处理流程需要雷达系统距离测量偏差作为输入量则难以实现。

定标收发过程中的星地几何，决定了雷达接收信号与时间的关系，以及定标器接收信号与时间的关系均可用二次函数表达，如下式所示：

y(t)＝at²+bt+c,a≠0

y(t)表示定标器或雷达接收信号，定标器信号和雷达信号的a理论上相等，实际定标处理中存在足够小的偏差，但定标器信号和雷达信号b和c可能存在显著的不同。

在后期信号处理过程中，测定雷达时钟频率偏差需要将雷达接收信号随时间变化曲线与定标器接收信号随时间变化曲线的一次项和二次项系数，即a和b进行对比，这时需要尽可能保证定标器接收信号曲线的a和b的准确性。传统方法是尽可能在定标器信号中消除雷达系统测距偏差、定标器系统测距偏差和大气引入的距离测量偏差。但分别测定各项测距偏差，再从定标器信号中减去的方法将会向定标器信号中引入新的偏差，这对于后继处理将带来不利影响。

发明内容

本发明的目的在于，为克服上述问题，本发明提供了一种卫星与地面间相对几何距离的获取方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种卫星与地面间相对几何距离的获取方法，所述方法包含：

步骤101）在定标收发阶段完成后，获取高度计生成的脉冲收发间隔对应的第一距离序列，并获取定标器生成的脉冲接收间隔对应的第二距离序列；

步骤102）求得第二距离序列与第一距离序列的差值，获得卫星与地面之间的几何距离差分序列；

步骤103）将获得的卫星与地面之间的几何距离差分序列进行累加，最终获得卫星对地面的相对几何距离序列。

上述步骤101）进一步包含：

步骤101-1）高度计发射信号，在一定的时间间隔之后，启动接收过程接收返回信号，记录高度计发射信号的时刻与接收到对应于该发射信号的返回信号的时刻之间的时间间隔，将该时间间隔乘以真空光速作为第一距离序列的一个样本；高度计重复以上过程，即：高度计第m次发射和第m次接收之间的时间间隔乘以真空光速，即生成高度计第m次距离测量值的样本，即第一距离序列的第m个样本；

其中，m＝1,2,...,M，上述M个第一距离序列的样本生成第一距离序列A[m]；

步骤101-2）高度计发射信号之后，信号以真空光速下行，进而被定标器接收并记录接收时刻，高度计下一次发射信号之后，信号以真空光速下行，同样被定标器接收并记录接收时刻，将两次接收时刻之间的间隔乘以真空光速，从而得到第二距离序列的一个样本；定标器重复以上过程，即：将定标器第n次接收对应的接收时刻与定标器第“n+1”次接收对应的接收时刻之间的时间间隔乘以真空光速，作为定标器第n次距离测量值的样本，即作为第二距离序列的第n个样本；

其中，n＝1,2,...,N，上述N个第二距离序列的样本组成第二距离序列T[n]；且N＝M-1，M大于2。

上述步骤102）采用如下公式计算卫星与地面之间的几何距离差分序列：

D_st[k]＝T[k]-A[k],k＝1,2,...,N

其中，T[n]为第二距离序列，A[m]为第一距离序列，k为第一距离序列和第二距离序列中的某个样本。

上述步骤103）采用如下公式计算卫星与地面之间的相对几何距离序列R_st[p]：

$R_{\mathrm{st}}\left[p\right]=\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{st}}\left[k\right],p=\mathrm{1,2},...,N$

其中，D_st[k]为卫星与地面之间的几何距离差分序列。

此外，获得星地相对几何距离序列R_st[p]后，根据如下的二次函数模型，利用最小二乘法确定常数a，b和c的值：

y[n]＝an²+bn+c,a≠0

至此，二次曲线的一次项和二次项系数均已获得。

此外，本发明还提供了一种卫星与地面相对几何距离的获取系统，所述系统包含：

定标器和高度计距离序列获取模块，用于在定标收发阶段完成后，获取高度计生成的脉冲收发间隔对应的高度计距离序列，即第一距离序列，并获取定标器生成的脉冲接收间隔对应的定标器距离序列，即第二距离序列；

卫星与地面之间的几何距离差分序列获取模块，用于求得第二距离序列与第一距离序列的差值，获得卫星与地面之间的几何距离差分序列；

卫星与地面之间的几何距离序列获取模块，将获得的卫星与地面之间的几何距离差分序列进行累加，最终获得卫星对地面的相对几何距离序列。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在生成卫星与地面之间相对几何距离的过程中，不依赖除雷达和定标器之外的任何第三方测量仪器，不依赖大气中对流层和电离层引入的测距偏差的具体数值，以及卫星与地面之间相对运动的多普勒效应引入的测距偏差的具体数值，即可在处理过程中直接消除以上测距偏差的影响。而现有的消除对流层和电离层测距偏差的方法是借助除雷达和定标器之外的第三方仪器独立测定对流层和电离层引入的测距偏差，通过卫星运动数据计算多普勒效应引入的测距偏差，再在雷达数据和定标器数据中减去其影响。这种方法不仅依赖第三方测量仪器，提高了整个测量过程的技术复杂性和成本，并且其他独立测量手段的引入，也必将在最终结果中增加对应于该测量手段的测量误差。

附图说明

图1为本发明提供的卫星与地面间相对几何距离的获取方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的方案进行详细的说明。

本发明的目的在于，提供一种新的数据处理方法，借助雷达接收数据和定标器接收数据，即可获得一条二次函数曲线，该曲线的一次项系数和二次项系数与定标器接收信号曲线在理论上相同，因此可做处理之用。同时，该曲线无需借助雷达与定标器之外的第三方测量设备，即不引入第三方设备测量偏差的情况下，消除了定标器接收信号中存在的定标器和雷达设备偏差。

本发明提供的数据处理方法利用了定标过程中，定标器信号与雷达信号之间的特定关系。以下将以星载雷达高度计为例，详细说明本发明的技术方案，如图1所示，本发明提供的卫星与地面相对几何距离的获取方法包含：

一，在定标收发阶段完成后，获取高度计生成的脉冲收发间隔对应距离序列，以及对应的定标器生成的脉冲接收间隔对应距离序列；

二，用定标器脉冲接受间隔对应距离序列减去对应的高度计脉冲收发间隔对应距离序列，获得星地几何距离差分序列；

三，将星地几何距离差分序列进行累加处理，获得星地相对几何距离序列。

上述技术方案建立在如下假定上：

1，认为定标器和高度计设备，在发射过程和接收过程中均会向信号中引入距离测量偏差，该假定与工程实际相符。

2，定标器已经对高度计建立跟踪，即定标器已进入能够精确测定高度计脉冲信号发射间隔，并根据发射间隔测量结果实时调整转发信号时间延迟的状态。此时，定标器对高度计脉冲信号发射间隔的测量误差最小。

3，由于定标收发过程持续的时间仅为约1秒左右，该时间内高度计的运行距离仅为8公里左右，因此收发过程中，大气向信号引入的距离偏差可视为常数。目前实际定标数据处理结果并未发现足以推翻该假设的证据。

上述技术方案的原理为：

高度计第1次发射信号的时刻记为：t0；

定标器第1次接收信号的时刻记为：t0+(Bias_at+Bias_{atm_d}+D_d[1]+Bias_cr)/C；

其中，Bias_at表示高度计系统发射时引入的距离偏差，Bias_{atm_d}[1]表示信号下行过程中大气引入的第1次距离测量偏差，D_d[1]表示高度计第1次发射信号时对应的星地几何距离，Bias_cr表示定标器设备在接收信号时引入的距离偏差。C为真空光速。

高度计第1次接收信号对应的时刻记为：t0+(D_{a_t2r}[1]+D_{c_set}[1])/C

D_{a_t2r}[1]表示高度计发射第1个脉冲的时刻与接收第1个返回脉冲的时刻之间的时间间隔内，电磁波在自由空间中传播的距离。D_{c_set}[1]表示定标器针对高度计第1个发射脉冲设定的转发时间延迟内，电磁波在自由空间中传播的距离。

高度计第2次发射信号对应的时刻记为：t0+D_{a_t2t}[1]/C

D_{a_t2t}[1]表示高度计发射第1个脉冲的时刻到发射第2个脉冲的时刻之间的时间间隔内，电磁波在自由空间中传播的距离。定标器第2次接收信号对应的时刻记为：

t0+(D_{a_t2t}[1]+Bias_at+Bias_{atm_d}+D_d[2]+Bias_cr)/C

D_d[2]表示高度计第2次发射信号时对应的星地几何距离。

高度计第2次接收信号对应的时刻记为：

t0+(D_{a_t2t}[1]+D_{a_t2r}[2]+D_{c_set}[2])/C

D_{a_t2r}[2]表示高度计发射第2个脉冲对应的时刻到接收第2个返回脉冲的时刻之间的时间间隔内，电磁波在自由空间中传播的距离。D_{c_set}[2]表示定标器针对高度计第2个发射脉冲设定的转发时间延迟内，电磁波在自由空间中传播的距离。

基于以上的讨论，以高度计第1次接收信号的对应时刻减去高度计第1次发射信号的对应时刻，并转化为距离，可得如下表达式：

(t0+(D_{a_t2r}[1]+D_{c_set}[1])/C-t0)*C＝D_{a_t2r}[1]+D_{c_set}[1]

定标器第2次接收信号对应时刻减定标器第1次接收信号对应时刻，得到的时间间隔转化为距离，结果可得：D_{a_t2t}[1]+D_d[2]-D_d[1]

用定标器2次接收时刻间时间间隔对应的距离，减去对应的高度计发射与接收时刻间时间间隔对应的距离，结果可得：

D_d[2]-D_d[1]+(D_{a_t2t}[1]-D_{a_t2r}[1]-D_{c_set}[1])    (1)

这里需要对式(1)中的距离进行定义。距离指在一定时间间隔内电磁波在自由空间中传播所经过的几何路径长度。

由于因果律的限制，有源定标器只能对信号进行正的时间延迟，即只能让发射转发信号的时刻，迟于该转发信号对应的接收信号的到达时刻，而绝不可能相反。假定2束电磁波在真空中沿相同几何长度的两条路径传播，其中一条路径上放置有源定标器并设置一定的时间延迟量，则在相同的时间间隔内，路径上没有定标器的电磁波能够传播的几何路径长度更大。

因此，有源定标器提供的时间延迟所对应的距离，与电磁波在自由空间传播的几何路径长度相比，可看作是一种负距离，负距离在绝对值上等于给定时间间隔内电磁波在自由空间中传播几何路径长度，但在这段时间间隔内，电磁波在自由空间中传播的距离为零。

因此，定标器所提供的延迟对应的距离D_{c_set}[n],n＝1,2,......在式(1)中始终取负号。为了保证括号内之和为0，高度计每个接收信号对应时刻与相应的发射信号对应时刻之间的时间间隔，必须大于高度计每2个相邻发射信号对应时刻之间的时间间隔。这一点已经在高度计设计中得到保证。所以，在定标收发过程中，定标器相邻接收信号对应时刻的时间间隔，减去相应的高度计接收信号对应时刻和发射信号对应时刻之间的时间间隔，即可得到定标器第2次接收信号时刻的星地几何距离，与定标器第1次接收信号时刻的星地几何距离之差。

依上述方法类推，即可在不借助第三方测量设备的前提下，根据高度计接收信号序列和定标器接收信号序列，生成星地几何距离差分序列。该序列在理论上完全消除了定标器系统和高度计系统引入的距离测量偏差，以及大气引入的距离测量偏差。

在连续时间域，星地几何距离是时间的二次函数：

y_d(t)＝at²+bt+c,a≠0

y_d(t)表示星地几何距离，t表示时间，a、b、c为常数。

星地几何距离对时间求导，得到的导函数是时间的一次函数：

$y_{d\_\mathrm{diff}}\left(t\right)=\frac{d\left(y_d\left(t\right)\right)}{\mathrm{dt}}=2\mathrm{at}+b,a\≠0$

y_{d_diff}(t)是星地几何距离对时间的导函数。

将y_{d_diff}(t)对时间求不定积分：

y_{d_rela}(t)＝∫(2at+b)dt＝at²+bt+d,a≠0

可以得到序列y_{d_rela}(t)，注意到y_d(t)与y_{d_rela}(t)相比，常数c与常数d相比未必相等，但常数a和b相等。至此获得了要求的保留一次项和二次项系数、同时去除大气距离延迟、定标器和高度计设备延迟的信号，称为星地相对几何距离。

作为离散时间序列，从星地几何距离差分序列获得星地相对几何距离序列，需要不定积分在离散域的对应运算，即累加运算。累加运算定义如下：存在离散序列s[n],n＝1,2,......,N，离散序列A[m],m＝1,2,......,N为s[n]通过累加运算获得的序列，二者存在如下关系：

A[m]＝s[1]+s[2]+...+s[m],m＝1,2,......,N

将星地几何距离差分序列进行累加运算处理，即获得最终的星地相对几何距离序列。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种卫星与地面间相对几何距离的获取方法，所述方法包含：

步骤101)在定标收发阶段完成后，获取高度计生成的脉冲收发间隔对应的第一距离序列，并获取定标器生成的脉冲接收间隔对应的第二距离序列；

步骤102)用第二距离序列减去对应的第一距离序列，获得卫星与地面之间的几何距离差分序列；

步骤103)将获得的卫星与地面之间的几何距离差分序列进行累加，获得卫星对地面的相对几何距离序列。

2.根据权利要求1所述的卫星与地面间相对几何距离的获取方法，其特征在于，所述步骤101)进一步包含：

步骤101-1)高度计发射信号，在一定的时间间隔之后，启动接收过程接收返回信号，记录高度计发射信号的时刻与接收到对应于该发射信号的返回信号的时刻之间的时间间隔，将该时间间隔乘以真空光速作为第一距离序列的一个样本；高度计重复以上过程，即：高度计第m次发射和第m次接收之间的时间间隔乘以真空光速，即生成高度计第m次距离测量值的样本，即第一距离序列的第m个样本；

其中，m＝1,2,...,M，上述M个第一距离序列的样本生成第一距离序列A[m]；

步骤101-2)高度计发射信号之后，信号以真空光速下行，进而被定标器接收并记录接收时刻，高度计下一次发射信号之后，信号以真空光速下行，同样被定标器接收并记录接收时刻，将两次接收时刻之间的间隔乘以真空光速，从而得到第二距离序列的一个样本；定标器重复以上过程，即：将定标器第n次接收对应的接收时刻与定标器第“n+1”次接收对应的接收时刻之间的时间间隔乘以真空光速，作为定标器第n次距离测量值的样本，即作为第二距离序列的第n个样本；

其中，n＝1,2,...,N，上述N个第二距离序列的样本组成第二距离序列T[n]；且N＝M-1，M大于2。

3.根据权利要求2所述的卫星与地面间相对几何距离的获取方法，其特征在于，所述步骤102)采用如下公式计算卫星与地面之间的几何距离差分序列：

D_st[k]＝T[k]-A[k],k＝1,2,...,N

其中，T[n]为第二距离序列，A[m]为第一距离序列，k为第一距离序列和第二距离序列中的某个样本。

4.根据权利要求1所述的卫星与地面间相对几何距离的获取方法，其特征在于，所述步骤103)采用如下公式计算卫星与地面之间的相对几何距离序列R_st[p]：

$R_{\mathrm{st}}\left[p\right]=\underset{k=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{st}}\left[k\right],p=\mathrm{1,2},...,N$

其中，D_st[k]为卫星与地面之间的几何距离差分序列。

5.一种卫星与地面间相对几何距离的获取系统，其特征在于，所述系统包含：

定标器和高度计距离序列获取模块，用于在定标收发阶段完成后，获取高度计生成的脉冲收发间隔对应的高度计距离序列，即第一距离序列，并获取定标器生成的脉冲接收间隔对应的定标器距离序列，即第二距离序列；

卫星与地面之间的几何距离差分序列获取模块，用于第二距离序列减去对应的第一距离序列，获得卫星与地面之间的几何距离差分序列；

卫星与地面之间的几何距离序列获取模块，将获得的卫星与地面之间的几何距离差分序列进行累加，最终获得卫星对地面的相对几何距离序列。