CN104677463A - 一种基于统计量的gnss-r多源海面测高装置 - Google Patents

Abstract

一种基于统计量的GNSS-R多源海面测高装置，它包括GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线、GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线，四通道射频前端，GPS L1/北斗B1双频导航接收机，中频信号处理模块和一个高度反演模块。通过GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线和左旋圆极化天线分别接收直射和反射信号，经过四通道射频前端下变频、滤波、增益控制以及采样量化后变为数字中频信号，进行相关处理得到一维相关功率，然后求得反射信号码相位并与直射信号码相位相减得到码时延输出置于时延集合内；高度反演模块最终输出海面高度。本发明充分利用了左旋天线覆盖范围内的导航卫星，提高了海面测高精度。

Description

一种基于统计量的GNSS-R多源海面测高装置

技术领域

本发明涉及一种基于统计量的GNSS-R(Global Navigation SatellitesSystem-Reflectmetry)多源海面测高装置，具体地说，是指首先在每个积分周期内，利用n+m(n为反射天线可见的GPS卫星个数，m为反射天线可见的北斗卫星个数)颗导航卫星的反射信号一维相关功率得到n+m个反射信号相对于直射信号的时延值，并置于对应的时延集合中，然后对一段时间内的n+m个时延集合分别进行统计得到每个时延集合的均值和方差，并利用统计得到的均值和方差通过加权平均的方法进行海面测高。

背景技术

利用GNSS(Global Navigation Satellites System)反射信号进行地球表面物理参数的反演是遥感领域的新型技术之一，具有信号源广、成本低，探测设备轻等优势，在近二十年，得到了国内外学者的广泛关注。该技术通过星载、机载或岸基的特殊装置接收、处理GNSS反射信号可进行海面风场反演、海冰探测以及土壤湿度探测。

海面高度作为重要的海洋参数，是海洋遥感领域长期关注的对象之一。GNSS-R高度计最初作为传统高度计的替代技术被提出，通过连续接收处理GNSS直射信号和经海面反射的回波信号得到反射信号相对于直射信号的路径时延，并利用GNSS卫星、接收平台以及镜面反射点之间的几何关系实现接收平台海拔高度的反演，最后与接收平台高度(相对于椭圆地球参考面的高度)相减得到海面高度。

以往的GNSS-R高度计都是利用单颗卫星的时延进行海面高度测量，但随着空间导航卫星的增多，在同一观测区域内，可能存在多个导航卫星的反射信号，利用多系统多星反射信号进行海面高度测量成为GNSS-R高度计的研究内容之一。本发明通过对同一观测区域的GPS/北斗系统的多颗卫星反射信号进行接收、处理进行海面高度的反演，首先在每个积分周期内，利用n+m颗卫星的反射信号一维时延相关功率得到反射信号相对于直射信号的时延并置于相应的时延集合，然后对一段时间内的n+m个时延集合分别进行统计求得对应均值和方差，最后利用加权平均的方法得到接收平台的海拔高度，并与接收平台高度相减得到海面高度。

发明内容

本发明提供了一种基于统计量的GNSS-R多源海面测高装置，该装置可接收、处理同一区域的n+m颗卫星的反射信号对海面高度进行测量，首先利用每个积分周期内的n+m颗卫星的反射信号一维时延相关功率得到n+m个反射信号相对于直射信号的时延τ_{r_d1},…τ_{r_dn},τ_{r_d(n+1)},…τ_{r_d(n+m)}，并置于相应的时延集合内，然后对Tms内的时延集合{τ_{r_d1}(0),…,τ_{r_d1}(T)},…,{τ_{r_dn}(0),…,τ_{r_dn}(T)},{τ_{r_d(n+1)}(0),…,τ_{r_d(n+1)}(T)},…,{τ_{r_d(n+m)}(0),…,τ_{r_d(n+m)}(T)}进行统计得到对应均值和方差最后利用加权平均的方法反演接收平台的海拔高度h，并与接收平台高度hr相减得到海面高度h_sea。

本发明一种基于统计量的GNSS-R多源海面测高装置，包括一个GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线、一个GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线，一个四通道射频前端，一个GPS L1/北斗B1双模导航接收机，一个中频信号处理模块，一个高度反演模块。它们之间的位置连接关系及信号走向是：四通道射频前端中两个通道连接GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线，另外两个通道连接GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线，GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线对天安置接收GPS/北斗卫星导航系统直射信号，GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线面向海面安置接收经海面反射的GPS/北斗卫星导航系统反射信号；四通道射频前端与中频信号处理模块相互连接，四通道射频前端接收GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线和GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线输入的射频信号，输出四路数字中频信号给中频信号处理模块完成信号处理和参数提取；中频信号处理模块与高度反演模块相互连接，中频信号处理模块经过信号处理和参数提取，将各信号处理通道的反射信号相对于直射信号的时延输出给高度反演模块；高度反演模块完成海面高度反演，最终输出海面高度；GPS L1/北斗B1双模导航接收机输入端与GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线连接，接收其输出的GPS/北斗卫星导航系统直射信号完成导航定位，输出端分别与中频信号处理模块和高度反演模块相互连接，将位置信息输出给中频信号处理模块，卫星高度角和接收平台高程信息输出给高度反演模块。

所述的GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线接收GPS卫星导航系统L1和北斗卫星导航系统B1直射信号，并将该电磁信号转换为电压信号。

所述的GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线接收经海面反射的GPS卫星导航系统L1和北斗卫星导航系统B1信号，并将该电磁信号转换为电压信号。

所述的四通道射频前端对右旋和左旋圆极化天线传输的GPS直射、反射以及北斗直射、反射的射频信号进行下变频、滤波、增益控制以及采样量化变为数字中频信号。

所述的GPS L1/北斗B1双模导航接收机接收GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线输出的信号进行导航定位，输出定位信息给中频信号处理模块进行可见星预判以便缩小卫星搜索范围，输出高度角θ₁,…,θ_n,θ_n+1,…,θ_n+m和接受平台高度h_r1,…,h_rs给高度反演模块进行海面高度计算。

所述的中频信号处理模块由GPS L1中频信号处理模块和北斗B1中频信号处理模块组成。两子模块结构和功能一致，分12个信号处理通道，每个处理通道由直射信号处理通道和反射信号处理通道组成。直射信号处理通道完成直射信号的捕获和跟踪，并将跟踪结果(τ_di,f_di)输出给反射通道作为参考信息；反射信号处理通道首先对反射信号进行载波剥离，并与本地复制信号进行相关运算得到一维时延相关功率DM(τ)，然后对DM(τ)进行微分拟合得到DM'(τ)，通过峰值定标得到反射信号码相位τ_ri；最后输出结果为反射信号相对于直射信号的码时延τ_{r_di}，即反射信号码相位τ_ri减去直射信号码相位τ_di。

所述的高度反演模块由统计模块、权重计算模块以及高度计算模块组成。三者之间的关系是：统计模块对Tms内的n+m信号处理通道输出的时延{τ_{r_d1}(0),…,τ_{r_d1}(T)},…,{τ_{r_dn}(0),…,τ_{r_dn}(T)},{τ_{r_d(n+1)}(0),…,τ_{r_d(n+1)}(T)},…,{τ_{r_d(n+m)}(0),…,τ_{r_d(n+m)}(T)}分别进行统计，得到对应均值 ${\stackrel{-}{\mathrm{\τ}}}_1,\·\·\·,{\stackrel{-}{\mathrm{\τ}}}_n,{\stackrel{-}{\mathrm{\τ}}}_{n+1},\·\·\·,{\stackrel{-}{\mathrm{\τ}}}_{n+m}$ 和方差 ${\mathrm{\σ}}_1^2,\·\·\·,{\mathrm{\σ}}_n^2,{\mathrm{\σ}}_{n+1}^2,\·\·\·,{\mathrm{\σ}}_{n+m}^2.$ 权重计算模块用于计算加权平均的权重α₁,…,α_n,α_n+1,…α_n+m。高度计算模块利用加权平均的方法进行接收平台海拔高度h的计算，并与接收平台高度h_r相减得到海面高度h_sea。

本发明的优点在于：

该装置仅是信号接收装置，装置结构简单、成本低、功耗低；

该装置利用GNSS信号作为信号源，可实施全天候观测；

该装置省去了传统GNSS-R高度计信号处理通道中的非相干累加环节，降低了中频信号处理模块的复杂度；

该装置充分利用了同一观测区域的GPS/北斗系统的多颗卫星信号，通过加权平均的方法得到接收平台海拔高度，提高了测量精度。

附图说明

图1本发明海面测高装置的总体架构；

图2本发明中频信号处理模块中信号处理通道框图；

图3本发明高度反演模块框图。

图1中符号说明如下：

DRF为GPS/BD双频右旋天线接收的射频信号；RRF为GPS/BD双频左旋天线接收的射频信号；DDIF_gps为GPS直射数字中频信号；RDIF_gps为GPS反射数字中频信号；DDIF_bd为北斗直射数字中频信号；RDIF_bd为北斗反射数字中频信号；NAV_inf为导航信息；(τ_{r_d1},…,τ_{r_dn})为GPS n个通道的反射信号相对于直射信号的时延；(τ_{r_d(n+1)},…,τ_{r_d(n+m)})为北斗m个通道的反射信号相对于直射信号的时延；(θ₁,…,θ_n+m)为n+m颗GPS和北斗卫星的高度角；(h_r1,…,h_rs)为接受平台的高程；H为海面高度。

图2中符号说明如下：

NAV_inf为导航信息；DDIF为GPS或北斗的直射数字中频信号；RDIF为GPS或北斗的反射数字中频信号；(PRN₁,…,PRN_l)为GPS/北斗双频右旋天线可见卫星的卫星号；τ_di为第i通道跟踪得到的GPS或北斗直射信号的码相位；f_di为第i通道跟踪得到的GPS或北斗直射信号的多普勒频率；Δτ_i为第i通道计算得到的码补偿量；Δf_i为第i通道计算得到的载波补偿量；DM(τ)为第i通道GPS或北斗反射信号一维相关功率曲线；DM'(τ)为第i通道GPS或北斗反射信号一维相关曲线的导数；τ_ri为第i通道GPS或北斗反射信号的码相位；τ_{r_di}为第i通道的反射信号相对于直射信号的时延。

图3中符号说明如下：

τ_{r_d1}(k)为第1通道k时刻的反射信号相对于直射信号的时延；τ_{r_d2}(k)为第2通道k时刻的反射信号相对于直射信号的时延；τ_{r_d(n+m)}(k)为n+m通道k时刻的反射信号相对于直射信号的时延；为第1通道一段时间内对反射信号相对于直射信号时延通过统计得到的方差；为第1通道一段时间内对反射信号相对于直射信号时延通过统计得到的均值；为第2通道一段时间内对反射信号相对于直射信号时延通过统计得到的方差；为第2通道一段时间内对反射信号相对于直射信号时延通过统计得到的均值；为第n+m通道一段时间内对反射信号相对于直射信号时延通过统计得到的方差；为第n+m通道一段时间内对反射信号相对于直射信号时延通过统计得到的均值；(α₁,…,α_n+m)为加权平均值的权重因子；(h_r1,…,h_rs)为接受平台高度；H为海面高度。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1为本发明装置的总体框架，本发明装置包括一个GPS L1/北斗B1双频右旋天线，一个GPS L1/北斗B1双频左旋天线，一个四通道射频前端，一个GPS L1/北斗B1双频导航接收机，一个中频信号处理模块，一个高度反演模块。它们之间的位置连接关系及信号走向是：四通道射频前端中两个通道连接GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线，另外两个通道连接GPSL1/北斗B1双频左旋圆极化天线，GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线对天安置接收GPS/北斗卫星导航系统直射信号，GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线面向海面安置接收经海面反射的GPS/北斗卫星导航系统反射信号；四通道射频前端与中频信号处理模块相互连接，四通道射频前端接收GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线和GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线输入的射频信号，输出四路数字中频信号给中频信号处理模块完成信号处理和参数提取；中频信号处理模块与高度反演模块相互连接，中频信号处理模块经过信号处理和参数提取，将各信号处理通道的反射信号相对于直射信号的时延输出给高度反演模块；高度反演模块完成海面高度反演，最终输出海面高度；GPS L1/北斗B1双模导航接收机输入端与GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线连接，接收其输出的GPS/北斗卫星导航系统直射信号完成导航定位，输出端分别与中频信号处理模块和高度反演模块相互连接，将位置信息输出给中频信号处理模块，卫星高度角和接收平台高程信息输出给高度反演模块。

GPS L1/北斗B1双频右旋天线用于接收GPS L1/北斗B1直射电磁信号，并将该电磁信号转换为射频电压信号DRF。

GPS L1/北斗B1双模左旋天线用于接收经海表面反射的GPS L1/北斗B1电磁信号，并将该电磁信号转换为射频电压信号RRF。

四通道射频前端包括GPS射频前端和北斗射频前端，两个子射频前端由两个结构完全一样的射频通道组成，分别对GPS L1/北斗B1直射、反射信号进行下变频、滤波、增益控制以及采样量化。射频前端模块接收右旋天线和左旋天线输出的射频信号DRF，RRF，输出四路数字中频信号DDIF_gps，RDIF_gps，DDIF_bd，RDIF_bd，分别对应GPS直射数字中频信号，GPS反射数字中频信号，北斗直射数字中频信号，北斗反射数字中频信号。

中频信号处理模块包括GPS L1中频处理模块和北斗B1中频处理模块，两子模块分别由12个信号处理通道组成。

图2为信号处理通道框图，信号处理通道由直射信号处理通道和反射信号处理通道组成。

直射信号处理通道包括可见星预判、捕获以及跟踪。可见星预判接收GPS L1/北斗B1输出的导航信息NAV_inf对GPS L1/北斗B1双频左旋天线视野范围内的GPS/北斗卫星进行预测，缩小直射通道卫星搜索范围，输出左旋天线视野范围内的卫星PRN号组成的集合{PRN₁,…,PRN_l}。捕获用于对集合{PRN₁,…,PRN_l}内的导航卫星进行搜索，判决是否真实可见，若真实可见，对直射信号码相位和多普勒频率进行粗略估计，并输出估计值(τ_{di_c},f_{di_c})。跟踪用于对捕获成功的信号进行精确的码相位和多普勒估计，并将估计值(τ_di,f_di)输出给反射信号处理通道作为参考信息。

反射信号处理通道包括补偿量计，载波发生，伪码发生，相关器，微分拟合以及峰值定标。补偿量计算根据直射通道估计值(τ_di,f_di)计算反射信号处理通道的本地载波频率f_id+Δf_i和本地伪码参考码相位τ_di+Δτ_i。载波发生产生本地载波用于反射信号载波剥离。伪码发生产生本地伪码用于反射信号伪码剥离。相关器将本地伪码与载波剥离后的反射信号进行相关运算，输出一维时延相关功率DM(τ)。微分拟合首先对反射信号一维时延相关功率DM(τ)进行一阶求导运算，然后进行曲线拟合得到平滑曲线DM'(τ)。峰值定标用于寻找平滑曲线DM'(τ)的峰值点，并求解峰值对应的码相位τ_ri。

信号处理通道输出反射信号相对于直射信号的时延τ_{r_di}，即：

τ_{r_di}＝τ_ri-τ_di

一般情况下，GPS和北斗可见星小于12颗，即n<12且m<12，其中，n为GPS真实可见的卫星数，m为北斗真实可见的卫星数。因此，12个GPS信号处理通道和12个北斗信号处理通道存在空闲通道。

在Tms内，中频信号处理模块输出的时延构成n+m个时延集合，记为：{τ_{r_d1}(0),…,τ_{r_d1}(T)},…,{τ_{r_dn}(0),…,τ_{r_dn}(T)},{τ_{r_d(n+1)}(0),…,τ_{r_d(n+1)}(T)},…,{τ_{r_d(n+m)}(0),…,τ_{r_d(n+m)}(T)}。

如图3为高度反演模块，包括统计模块、权重计算模块和高度计算模块。

统计模块对时延集合{τ_{r_d1}(0),…,τ_{r_d1}(T)},…,{τ_{r_dn}(0),…,τ_{r_dn}(T)},{τ_{r_d(n+1)}(0),…,τ_{r_d(n+1)}(T)},…,{τ_{r_d(n+m)}(0),…,τ_{r_d(n+m)}(T)}分别进行统计得到对应的均值和方差，记为： $({\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_1,{\mathrm{\&sigma;}}_1^2),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,({\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_n,{\mathrm{\&sigma;}}_n^2),({\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_{n+1},{\mathrm{\&sigma;}}_{n+1}^2),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,({\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_{n+m},{\mathrm{\&sigma;}}_{n+m}^2).$ 权重计算模块计算加权平均的权重，权重计算如下：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_i^2}}{\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_1^2}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_n^2}+\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{n+1}^2}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_{n+m}^2}}$

高度计算模块根据n+m个统计得到的时延均值权重α₁,…,α_n,α_n+1,…α_n+m，卫星高度角θ₁,…,θ_n,θ_n+1,…,θ_n+m，以及接收平台高度h_r得到海面高度，具体计算步骤如下：

(一)通过加权平均法求救接收平台的海拔高度：

${h=\mathrm{\&alpha;}}_1\frac{{\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_1}{2\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&theta;}}_1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{\mathrm{\&alpha;}}_n\frac{{\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_n}{2\&CenterDot;{\sin \mathrm{\&theta;}}_n}+{\mathrm{\&alpha;}}_{n+1}\frac{{\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_{n+1}}{2\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&theta;}}_{n+1}}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_{n+m}\frac{{\stackrel{-}{\mathrm{\&tau;}}}_{n+m}}{{2\&CenterDot;\sin \mathrm{\&theta;}}_{n+m}}$

(二)计算接收平台高度(相对于地球椭圆模型的高度)：

$h_r=\frac{1}{s}\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\&Sigma;}}}{h}_{\mathrm{ri}}$

其中，h_ri为Tms内GPS/北斗双频导航接收机连续输出的接收平台高度序列；

(三)计算海面高度：

h_sea＝h-h_r。

Claims (1)

1.一种基于统计量的GNSS-R多源海面测高装置，其特征在于：它包括一个GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线、一个GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线，一个四通道射频前端，一个GPS L1/北斗B1双模导航接收机，一个中频信号处理模块和一个高度反演模块；四通道射频前端中两个通道连接GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线，另外两个通道连接GPSL1/北斗B1双频左旋圆极化天线，GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线对天安置接收GPS/北斗卫星导航系统直射信号，GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线面向海面安置接收经海面反射的GPS/北斗卫星导航系统反射信号；四通道射频前端与中频信号处理模块相互连接，四通道射频前端接收GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线和GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线输入的射频信号，输出四路数字中频信号给中频信号处理模块完成信号处理和参数提取；中频信号处理模块与高度反演模块相互连接，中频信号处理模块经过信号处理和参数提取，将各信号处理通道的反射信号相对于直射信号的时延输出给高度反演模块；高度反演模块完成海面高度反演，最终输出海面高度；GPS L1/北斗B1双模导航接收机输入端与GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线连接，接收其输出的GPS/北斗卫星导航系统直射信号完成导航定位，输出端分别与中频信号处理模块和高度反演模块相互连接，将位置信息输出给中频信号处理模块，卫星高度角和接收平台高程信息输出给高度反演模块；

所述的GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线接收GPS卫星导航系统L1和北斗卫星导航系统B1直射信号，并将该电磁信号转换为电压信号；

所述的GPS L1/北斗B1双频左旋圆极化天线接收经海面反射的GPS卫星导航系统L1和北斗卫星导航系统B1信号，并将该电磁信号转换为电压信号；

所述的四通道射频前端对右旋和左旋圆极化天线传输的GPS直射、反射以及北斗直射、反射的射频信号进行下变频、滤波、增益控制以及采样量化变为数字中频信号；

所述的GPS L1/北斗B1双模导航接收机接收GPS L1/北斗B1双频右旋圆极化天线输出的信号进行导航定位，输出定位信息给中频信号处理模块进行可见星预判以便缩小卫星搜索范围，输出高度角θ₁,…,θ_n,θ_n+1,…,θ_n+m和接受平台高度h_r1,…，h_rs给高度反演模块进行海面高度计算；

所述的中频信号处理模块由GPS L1中频信号处理模块和北斗B1中频信号处理模块组成，两子模块结构和功能一致，分12个信号处理通道，每个处理通道由直射信号处理通道和反射信号处理通道组成，直射信号处理通道完成直射信号的捕获和跟踪，并将跟踪结果(τ_di,f_di)输出给反射通道作为参考信息；反射信号处理通道首先对反射信号进行载波剥离，并与本地复制信号进行相关运算得到一维时延相关功率DM(τ)，然后对DM(τ)进行微分拟合得到DM'(τ)，通过峰值定标得到反射信号码相位τ_ri；最后输出结果为反射信号相对于直射信号的码时延τ_{r_di}，即反射信号码相位τ_ri减去直射信号码相位τ_di；

所述的高度反演模块由统计模块、权重计算模块以及高度计算模块组成，统计模块对Tms内的n+m信号处理通道输出的时延{τ_{r_d1}(0),…,τ_{r_d1}(T)},…,{τ_{r_dn}(0),…,τ_{r_dn}(T)},{τ_{r_d(n+1)}(0),…,τ_{r_d(n+1)}(T)},…,{τ_{r_d(n+m)}(0),…,τ_{r_d(n+m)}(T)}分别进行统计，得到对应均值和方差权重计算模块用于计算加权平均的权重α₁,…,α_n,α_n+1,…α_n+m；高度计算模块利用加权平均的方法进行接收平台海拔高度h的计算，并与接收平台高度h_r相减得到海面高度h_sea。