CN103777184A - 一种星载高度计与有源定标器的信号匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于信号重建跟踪型有源定标器的高度计与定标器信号匹配方法，包括以下步骤：一，获取有源定标器原始接收信号和高度计原始接收信号；二，提取有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号；三，对步骤二的信号进行二次差分处理，获得定标器噪声信号二次差分序列；四，获得高度计原始接收信号二次差分序列；五，对步骤四和步骤三获得的二次差分序列进行互相关运算，得到相对偏移量；六，利用步骤五获得的相对偏移量对高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号进行匹配。本发明通过校正定标器设备时间和高度计系统时间存在的相对误差，充分考虑非理想因素引入的噪声影响，精确地建立了高度计接收信号和定标器接收信号间的匹配关系，提高了有源定标器对星载高度计的定标精度。

Description

一种星载高度计与有源定标器的信号匹配方法

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，尤其涉及一种基于信号重建跟踪型有源定标器的星载高度计与有源定标器的信号匹配方法。

背景技术

使用有源定标器对星载雷达高度计进行定标时，有源定标器接收高度计的对地发射信号，生成定标器信号，有源定标器在接收到高度计的对地发射信号后，向高度计发射重建信号，高度计接收重建信号，生成高度计信号。由于定标器每接收一次高度计发射信号，便生成一次定标器接收信号，同时向高度计发送一次重建信号，因此高度计接收到的每个信号和定标器接收到的每个信号之间存在一一对应关系。

基于脉冲重建式有源定标器的雷达高度计定标方法能够校正高度计自身时钟频率的偏差，同时能够检验高度计数据对应时间和定标器数据对应时间的一致性。高度计时钟频率偏差校正和星地数据对应时间的一致性检验，均要求确定定标器接收信号和高度计接收信号之间的对应关系。具体地，由于定标器接收信号和高度计接收信号均为离散时间序列，需要确定定标器接收信号相对于高度计接收信号，提前（或滞后）多少个样本点数。由于各种非理想因素的影响，在定标工作中，该提前（滞后）量不为零，必须采用技术手段获取。

由于定标器设备的时间和高度计系统的时间均来自于GPS授时，因此理论上可根据高度计接收脉冲对应的时间和定标器接收脉冲对应的时间来确定高度计接收信号序列和定标器接收信号序列之间的提前（滞后）量值。但实际工程中，定标器设备的时间和高度计系统的时间存在相对误差，即：定标器设备时间和高度计设备时间均为                                                ，但定标器设备真实时间为

，高度计设备真实时间为

，并且

，因此，仅依靠时间进行星地信号匹配将会带来较大的误差。目前尚无公开报道的现有技术，满足定标器接收信号和高度计接收信号匹配的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于信号重建跟踪型有源定标器的高度计与定标器信号匹配方法，该匹配方法通过校正定标器设备时间和高度计系统时间存在的相对误差，充分考虑了各种非理想因素所引入的噪声影响，精确地建立了高度计接收信号和定标器接收信号之间的匹配关系，大大提高了有源定标器对星载雷达高度计的定标精度。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种基于信号重建跟踪型有源定标器的高度计与有源定标器信号匹配方法，包括以下步骤：

步骤一，在定标收发过程完成后获取有源定标器原始接收信号和高度计原始接收信号；

步骤二，提取有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号；

步骤三，对步骤二提取的定标器噪声信号进行二次差分处理，获得定标器噪声信号二次差分序列；

步骤四，对高度计原始接收信号进行二次差分处理，获得高度计原始接收信号二次差分序列；

步骤五，对步骤四获得的高度计原始接收信号二次差分序列和步骤三获得的定标器噪声信号二次差分序列进行互相关运算，得到高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号之间的相对偏移量；

步骤六，利用步骤五获得的相对偏移量对高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号进行匹配。

进一步的根据本发明所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其中步骤一中所述有源定标器原始接收信号为有源定标器接收到的高度计的对地发射信号，所述高度计原始接收信号为高度计接收到的有源定标器发射的重建信号，两者对应于同一定标收发过程。

进一步的根据本发明所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其中所述步骤二进一步包括以下过程：（1）提取有源定标器原始接收信号数据中，用定点硬件计算的接收信号功率谱峰值位置测量值；（2）提取有源定标器原始接收信号数据中，用浮点计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值；（3）将步骤（2）中用浮点计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值与步骤（1）中用定点硬件计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值进行做差，获得有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号。

进一步的根据本发明所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其中步骤四中所述高度计原始接收信号满足如下关系：

，其中

为时间变量，

为高度计原始接收信号，

、

、

为常数，

为有源定标器在高度计原始接收信号中所引入的噪声，所述高度计原始接收信号二次差分序列

满足关系：

为有源定标器引入的噪声信号二次差分序列。

进一步的根据本发明所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其中所述步骤五，高度计原始接收信号二次差分序列和定标器噪声信号二次差分序列的差异仅在于时间上的滞后或提前，所述相对偏移量为进行互相关运算时互相关函数最大值所对应的自变量值。

进一步的根据本发明所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其中所述步骤六具体通过将高度计原始接收信号或有源定标器原始接收信号提前或滞后与所述相对偏移量对应的样本点数来建立高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号之间的匹配关系。

进一步的根据本发明所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其中所述高度计与有源定标器间的几何距离ρ满足关系：

，式中t为高度计飞行时间，以过有源定标器天顶点为零时刻；ν为高度计飞行速度；ρ₀为高度计至星下点的距离；ρ为高度计至有源定标器的几何距离；H为有源定标器相对星下点的高度；d为有源定标器至高度计天底点的地表距离；R_e为地球半径；θ为距离d对应的地心张角。

通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：

1）、所述方法在定标器和高度计间信号匹配过程中，充分考虑了非理想因素所引入的噪声影响，校正了定标器设备时间和高度计系统时间存在的相对误差，使得高度计接收信号和定标器接收信号之间建立了精确的匹配关系；

2）、通过本发明所述基于转发信号重建跟踪型有源定标器的高度计与定标器信号匹配方法，大大提高了有源定标器对星载雷达高度计的定标精度。

附图说明

附图1示出本发明所述方法针对的高度计与有源定标器之间的星地几何关系；

附图2为本发明所述高度计与有源定标器信号匹配方法的具体流程步骤；

附图3为本发明优选实施例中高度计原始接收信号形态；

附图4为本发明优选实施例中与附图3信号相对应的有源定标器原始接收信号形态；

附图5为附图3所示信号进行二次差分处理后得到的高度计原始接收信号二次差分序列结果；

附图6为附图4所示有源定标器原始接收信号中提取的定标器噪声信号经二次差分处理后得到的定标器噪声信号二次差分序列结果；

附图7为附图5和附图6所示二次差分结果信号进行互相关运算后得到的互相关函数关系形态；

附图8为附图5和附图6所示二次差分序列按照附图7获知的相对偏移量进行信号匹配的结果。

具体实施方式

以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的方案，但并不因此限制本发明的保护范围。

首先给出本发明所述方法的原理过程。

有源定标器设置于地面，星载雷达高度计处于卫星轨道，如附图1所示，使用有源定标器对星载雷达高度计进行定标时，有源定标器接收高度计的对地发射信号，生成定标器接收信号，同时有源定标器在接收到高度计的对地发射信号后，向高度计发射重建信号，高度计接收重建信号后生成高度计信号，由于定标器每接收一次高度计的对地发射信号便生成一次定标器接收信号，同时向高度计发送一次重建信号，因此高度计接收到的每个信号和定标器接收到的每个信号之间存在一一对应关系，以下给出这两种信号间的对应匹配方法，将有源定标器接收到的高度计的对地发射信号记为有源定标器原始接收信号，将高度计接收到的有源定标器发射的重建信号记为高度计原始接收信号。

高度计原始接收信号表示高度计与定标器之间的信号往返距离。由星地几何关系可知，在定标收发过程中，高度计和有源定标器之间信号往返距离随时间的变化，在工程上近似满足二次函数关系，即根据附图1所示卫星上的高度计与有源定标器之间的星地几何关系（因高度计布设于卫星雷达上，因此在附图1中卫星即代表了高度计的设置位置），可知在有源定标器位置确定、卫星速度和轨道高度确定的条件下，根据附图1中的几何关系，利用余弦定理，可推导出高度计至有源定标器间的几何距离ρ的表达式如下：

，

式中各参数的含义如下：

t：卫星高度计飞行时间，以过有源定标器天顶点为零时刻；ν：卫星高度计飞行速度；ρ₀：卫星高度计至星下点的距离；ρ：卫星高度计至有源定标器的距离；H：有源定标器相对星下点的高度；d:有源定标器至卫星高度计天底点的地表距离；R_e：地球半径；θ：距离d对应的地心张角。

由于非理想因素的存在，有源定标器原始接收信号和高度计原始接收信号中均存在有噪声。这种噪声来自于信号传播空间环境、有源定标器设备非理想特性和高度计设备非理想特性三方面。由于定标收发过程持续时间短，在此时间段内信号传播空间环境可认为是均匀的，因此信号传播空间环境向有源定标器原始接收信号和高度计原始接收信号引入的噪声在实际处理中可忽略。同时由于高度计设备在定标收发过程中不跟踪有源定标器，因此高度计设备自身向高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号引入的噪声很小，在实际处理中亦可忽略。而作为脉冲重建体制的有源定标器，需要对高度计的发射脉冲时间间隔进行跟踪，保证有源定标器的转发脉冲发射时刻满足高度计的接收要求，从而确保高度计对脉冲的接收。有源定标器的跟踪过程需要对高度计的发射脉冲时间间隔进行测量，测量过程由于定标器硬件的非理想特性，测量结果存在误差，且每次测量误差呈随机特性，可视为噪声。有源定标器原始接收信号实际上是接收到的高度计对地发射脉冲信号，因此测量误差存在于有源定标器的原始接收信号中，此外由于有源定标器转发时刻的确定依赖于对高度计发射脉冲时间间隔的测量结果，因此该误差同样被引入到被高度计所接收的有源定标器的转发信号中，表现为高度计原始接收信号噪声的一部分。因有源定标器测量误差引入的噪声幅度远大于高度计设备和信号传播空间环境引入的噪声，因此在实际定标数据处理中，可以认为高度计原始接收信号和定标器原始接收信号中仅存在有源定标器引入的噪声。

在噪声处理中，若存在两个离散随机噪声序列，除了后一个在时间上相对于前一个滞后（提前）若干个样本点之外，两个序列完全相同，对两个序列进行互相关运算时，则互相关函数值将仅在噪声序列完全匹配时取得唯一最大值，当噪声序列不完全匹配时，互相关函数值将迅速减小，因此互相关运算结果最大值所对应的自变量值即为两个序列的相对滞后（提前）样本数。因此本发明通过利用互相关运算来确定有源定标器原始接收信号和高度计原始接收信号之间的对应关系。

为利用互相关函数运算提取对应关系，首先从信号中提取噪声序列。对于高度计原始接收信号，能够表征有源定标器与高度计之间的往返距离，由附图1所示定标阶段星地几何关系可知，高度计原始接收信号与时间在工程上满足二次函数关系：

，

其中

为时间变量，

为高度计原始接收信号，

、

、为常数，

为有源定标器测量误差在高度计原始接收信号中引入的噪声序列。高度计原始接收信号对时间求二次导数，可得：

，

式中

代表高度计原始接收信号对时间的二次导函数，

代表有源定标器所引入的噪声信号对时间的二次导数。

对于有源定标器在其原始接收信号中引入的噪声信号及其对时间的二次导数信号，由于有源定标器噪声主要来自于对高度计发射脉冲时间间隔测量的随机误差，该误差产生的主要原因是：对发射脉冲间隔的测量，最终转化为依靠对信号功率谱峰值所在位置的测量实现，而功率谱峰值所在位置的测量精度取决于功率谱的分辨率，在星地实时收发过程中，功率谱计算采用定点硬件实现，功率谱分辨率较低，测量误差较大，而在后期处理过程中，对记录的数据采用计算机进行浮点计算，可达到的功率谱分辨率远高于定点硬件实现的功率谱分辨率，在实际工程中，浮点计算达到的功率谱分辨率可达足够高，以至于浮点计算功率谱峰值位置的测量误差可以忽略，因此可采用定点硬件计算获得的功率谱峰值位置与浮点计算获得的功率谱峰值位置做差的方法来提取在有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号，获得定标器噪声信号后，对其求二次导数，即可获得定标器噪声信号的二次导数信号，该信号与上述高度计中噪声信号对时间的二次导数之间，至多相差一个常数，符合互相关运算中两个序列仅存在滞后（提前）若干样本点的运算要求。

在实际处理中，由于高度计信号和定标器信号均为离散时间信号，因此求导运算变为相邻差分运算，对最终处理结果无影响。相邻一次差分的定义如下：对于离散时间序列

一次相邻差分处理后的序列为

则

和

满足如下关系：

若要求二次差分序列，则对一次差分序列再次进行差分处理即可。此外，高度计噪声的二次差分序列和有源定标器中噪声的二次差分序列相差的常数不会对互相关运算的峰值判断产生影响。由于随机噪声信号的二次差分处理后仍为随机噪声，因此借助互相关函数的最大值确定对应关系的处理方法不受影响。

下面基于上述原理，具体给出本发明所述基于转发信号重建跟踪型有源定标器的高度计与定标器信号匹配方法，包括以下步骤：

步骤一，在定标收发过程完成后，获取有源定标器原始接收信号数据和高度计原始接收信号数据，所述有源定标器原始接收信号数据为有源定标器接收到的高度计的对地发射信号，所述高度计原始接收信号为高度计接收到的有源定标器发射的重建信号。

步骤二，提取有源定标器原始接收信号数据中，用定点硬件计算的接收信号功率谱峰值位置测量值。

步骤三，提取有源定标器原始接收信号数据中，用浮点计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值。

步骤四，将步骤三中用浮点计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值与步骤二中用定点硬件计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值进行做差，获得有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号。

步骤五，对步骤四获得的定标器噪声信号进行二次差分处理，获得定标器噪声信号二次差分序列。

步骤六，对高度计原始接收信号进行二次差分处理，获得高度计原始接收信号二次差分序列，因为在高度计原始接收信号中存在有源定标器引入的噪声序列，所以高度计原始接收信号二次差分序列中含有有源定标器引入的噪声信号二次差分序列。

步骤七，对步骤六获得的高度计原始接收信号二次差分序列和步骤五获得的定标器噪声信号二次差分序列进行互相关运算，求取互相关函数的极值，并找出互相关函数最大值所对应的自变量值，即为高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号之间的相对偏移量。

步骤八，利用步骤七所获得的相对偏移量对高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号进行匹配，通过将高度计原始接收信号或有源定标器原始接收信号提前（滞后）与所述相对偏移量对应的样本点数即可建立高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号之间的匹配关系。

实施例

下面给出通过本发明所述方法实现高度计与定标器信号匹配的实施例，包括以下步骤过程：

一，在定标收发过程完成后获取有源定标器原始接收信号数据和高度计原始接收信号数据，具体的定标操作产生的高度计原始接收信号数据如附图3所示，定标操作产生的与附图3中高度计原始接收信号数据相对应的有源定标器原始接收信号如附图4所示。

二，对附图3所示高度计原始接收信号进行二次差分处理，获得如附图5所示的高度计原始接收信号二次差分序列。

三，对附图4中有源定标器原始接收信号数据分别采用浮点计算和定点硬件计算求取接收信号功率谱峰值位置测量值，并进行做差运算以提取有源定标器原始接收信号中的定标器噪声信号，并对其进行二次差分处理，获得如附图6所示的定标器噪声信号二次差分序列。

四，对附图5和附图6所示的二次差分结果信号进行互相关运算，得到如附图7所示的互相关函数关系，其呈现出显著的单一最大值特性，互相关函数取最大值显示两信号之间存在的相对偏差为5个样本点。

五、基于5个样本点的相对偏差对高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号进行匹配，附图8给出了两种信号的二次差分序列即附图5和6所示信号形态进行匹配的结果。

可见通过本发明所述方法能够准确的获知有源定标器原始接收信号数据和高度计原始接收信号数据间的相对偏移量，从而能够对其进行精确的对应关系匹配。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。

Claims (7)

1.一种基于信号重建跟踪型有源定标器的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在定标收发过程完成后获取有源定标器原始接收信号和高度计原始接收信号；

步骤二，提取有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号；

步骤三，对步骤二提取的定标器噪声信号进行二次差分处理，获得定标器噪声信号二次差分序列；

步骤四，对高度计原始接收信号进行二次差分处理，获得高度计原始接收信号二次差分序列；

步骤五，对步骤四获得的高度计原始接收信号二次差分序列和步骤三获得的定标器噪声信号二次差分序列进行互相关运算，得到高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号之间的相对偏移量；

步骤六，利用步骤五获得的相对偏移量对高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号进行匹配。

2.根据权利要求1所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，其中步骤一中所述有源定标器原始接收信号为有源定标器接收到的高度计的对地发射信号，所述高度计原始接收信号为高度计接收到的有源定标器发射的重建信号，两者对应于同一定标收发过程。

3.根据权利要求1所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，其中所述步骤二进一步包括以下过程：（1）提取有源定标器原始接收信号数据中，用定点硬件计算的接收信号功率谱峰值位置测量值；（2）提取有源定标器原始接收信号数据中，用浮点计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值；（3）将步骤（2）中用浮点计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值与步骤（1）中用定点硬件计算获得的接收信号功率谱峰值位置测量值进行做差，获得有源定标器原始接收信号中存在的定标器噪声信号。

4.根据权利要求1所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，其中步骤四中所述高度计原始接收信号满足如下关系：                                                

，其中

为时间变量，

为高度计原始接收信号，

、

、

为常数，

为有源定标器在高度计原始接收信号中所引入的噪声，所述高度计原始接收信号二次差分序列

为有源定标器引入的噪声信号二次差分序列。

5.根据权利要求1所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，其中所述步骤五，高度计原始接收信号二次差分序列和定标器噪声信号二次差分序列的差异仅在于时间上的滞后或提前，所述相对偏移量为进行互相关运算时互相关函数取最大值时所对应的自变量值。

6.根据权利要求1所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，其中所述步骤六具体通过将高度计原始接收信号或有源定标器原始接收信号提前或滞后与所述相对偏移量对应的样本点数来建立高度计原始接收信号和有源定标器原始接收信号之间的匹配关系。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高度计与有源定标器信号匹配方法，其特征在于，其中所述高度计与有源定标器间的几何距离ρ满足关系：，式中t为高度计飞行时间，以过有源定标器天顶点为零时刻；ν为高度计飞行速度；ρ₀为高度计至星下点的距离；ρ为高度计至有源定标器的几何距离；H为有源定标器相对星下点的高度；d为有源定标器至高度计天底点的地表距离；R_e为地球半径；θ为距离d对应的地心张角。

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