CN104678354A - 一种基于gnss-r的海面目标双星定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GNSS-R的海面目标双星定位方法，它有六大步骤：一、对接收机平台对应的Sat₁和Sat₂两颗卫星的时延多普勒最大相关值P_Max1、P_Max2进行提取存储；二、对上述值进行时延值和多普勒频率值提取，分别记为τ_Max1，为τ_Max2，f_Max2；三、根据镜点位置的计算方法，求出两对应卫星镜点位置的经纬度；四、根据探测区域的时延多普勒分布估算出相关功率最大值点据各自镜点的距离，分别记为d₁和d₂；五、根据步骤一至四中得到的各个参量，计算对应于相关值最大点，即目标出现位置点的经纬度，记为(T_Lon，T_Lat)；六、建立多星优化模型，将计算时刻的所有导航卫星均按照步骤五中提到的方法进行计算，然后对得到的结果进行拟合，取其最佳值。

Description

一种基于GNSS-R的海面目标双星定位方法

技术领域

本发明属于海面目标定位技术领域，具体涉及一种基于GNSS-R的海面目标双星定位方法。当海面探测区域内出现大型目标时，通过星载接收机接收当前时刻的反射信号，提取两颗及以上卫星在该区域的时延多普勒等信息，建立海面目标双星定位模型，在该模型基础上，求出海面目标的位置。由于该算法利用时延值和多普勒频移值去计算镜点与二维相关功率最大值处的距离，因此两颗卫星即可以对海面目标进行定位探测，其中海面目标的船只位置以经纬度形式表示，并利用同时段两颗以上的卫星，使用模型中提供的多星优化算法对利用两颗卫星得到的位置信息进行优化计算，得出目标出现位置最优解。

背景技术

GNSS-R(GNSS-Reflections或GNSS-Remote Sensing)技术是自上世纪90年代以来逐渐发展起来的一个新型分支，是国内外遥感探测和导航技术领域研究热点之一。当卫星信号经过反射面反射后，反射信号波形的变化、极化特征的变化，幅值、相位和频率等参量的变化都直接反映了反射面的物理特性，或者说直接与反射面相关。由于不同的等延迟线和等多普勒线将反射区域划分特定时延值和多普勒频率值得单个区域，通过设定不同时间延迟和多普勒频移的范围和间隔，就可确定观测区域和分辨单元的大小，，通过GNSS-R硬件接收机对接收反射信号并对反射信号中时延、多普勒和镜点等信息进行计算并提取来分析反射区域特性及海面目标位置。然而，传统的海面目标定位需要利用四颗及以上卫星，步骤较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于GNSS-R的海面目标双星定位方法。本发明通过设计GNSS-R海面目标双星定位算法，利用两颗及两颗以上导航卫星实现海面目标的定位，简化利用四颗及以上卫星进行海面目标定位的结算步骤，提高GNSS-R在海面目标探测领域的实用性。

本发明的技术方案是：星载接收机同时接收在反射天线覆盖区域内的所有卫星经海面目标的反射信号，并分别对其进行时延多普勒二维相关功率值进行计算，提取其中两颗卫星的二维相关最大值对应的时延τ_Max和多普勒f_Max，同时，利用星载接收机中解算得出的卫星位置和接收机位置，建立每颗卫星的镜点几何模型，并求出对应于每颗卫星的镜点位置(X_Sp，Y_Sp)。根据最大值点于镜点值之间对应的时延值和多普勒值插值，得出其距离，然后根据双星定位模型即可对海面目标进行求解。

本发明一种基于GNSS-R的海面目标双星定位方法，其具体步骤如下：

步骤一：星载接收机平台R_p接收其反射天线覆盖范围之内的所有卫星的反射信号，选其中两颗作为计算海面目标位置的数据源，记为Sat₁和Sat₂，并对接收机平台对应Sat₁和Sat₂两颗卫星的时延多普勒最大相关值P_Max1、P_Max2进行提取存储。

步骤二：对步骤一中得到的Sat₁和Sat₂最大时延多普勒相关值进行时延值和多普勒频率值提取，对应于P_Max1的时延值记为τ_Max1，多普勒频率值记为f_Max1，对应于P_Max2的时延值记为τ_Max2，多普勒频率值记为f_Max2。

步骤三：根据步骤一中星载接收机接收到的Sat₁和Sat₂的卫星信号，解算出Sat₁与Sat₂卫星和星载接收机的位置，根据镜点位置的计算方法，求出镜点位置的经纬度。对应卫星Sat₁的镜点分别Sp₁(Sp_Lon1，Sp_Lat1)，对应卫星Sat₂的镜点分别Sp₂(Sp_Lon2，Sp_Lat2)。其中L_s为经度，B_s为纬度，当且仅当ρ_R(L_s，B_s)取最小值时，(X_s，Y_s，Z_s)为其镜面点，(L_s，B_s)为表面经纬度。

步骤四：由步骤二中得到对应于两颗卫星的相关功率最大值点的时延和多普勒值(τ_Max1，f_Max1)和(τ_Max2，f_Max2)，根据探测区域的时延多普勒分布估算出相关功率最大值点据各自镜点的距离，分别记为d₁和d₂。

步骤五：根据步骤一至四中得到的各个参量，计算对应于相关值最大点，即目标出现位置点的经纬度，记为(T_Lon，T_Lat)。

步骤六：在步骤五得到目标位置之后，可以建立多星优化模型，将计算时刻的所有导航卫星均按照步骤五中提到的方法进行计算，然后对得到的结果进行拟合，取其最佳值。

通过步骤六即可实现利用多颗卫星对目标位置进行优化，得到的值相对步骤五中的值也更为精确。

本发明的优点在于：

一、本发明利用星载接收机接收到卫星的直射信号和反射信号信息，利用两颗导航卫星即可对在WGS84坐标系下的海面目标位置进行解析计算，根据卫星反射信号的特有优势降低进行目标定位时的卫星数目。

二、本发明在海面目标双星定位模型中引入镜点计算，通过计算得出对应每颗卫星的镜点位置，降低在计算目标位置过程中的未知参数数量。

三、本发明中提出利用接收机接收到的时延多普勒最大二维相关值信息，根据其最大值点对应的时延值τ_Max和多普勒值f_Max信息，判断其与镜点之间的距离D_Sat1和D_Sat2，该值根据每颗卫星在单个时延单位和单个多普勒频率单位上对应的距离可以计算得到。

四、本发明中提出的海面目标双星定位模型，该模型建立复杂的关于卫星、海面目标、镜点与接收机之间的几何关系，在该模型的基础上通过公式推导得出WGS84坐标系下的海面目标位置。

附图说明

图1海面目标双星定位几何模型

图2海面目标双星定位几何简化模型

图3海面目标双星定位流程图

图中符号说明如下：

图1中：Sat1代表第一颗可见星；Sat2代表第二颗可见星；Sp1代表Sat1在海面的镜面反射点；Sp2代表Sat2在海面的镜面反射点；Target代表海面目标。

图2中：T(Tlon，Tlat)代表Target在海面的经纬度位置坐标；Sp1(Splon1，Splat1)代表Sat1在海面镜面反射点经纬度位置坐标；Sp2(Splon2，Splat2)代表Sat2在海面镜面反射点经纬度位置坐标；d1代表T与SP1的距离；d2代表T与SP2的距离；O1代表SP1的星下点位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施步骤做进一步描述：

图1所示为海面目标双星定位几何模型，从图中可看出双星、海面目标、星载接收机平台和地球之间的位置几何关系。图2所示为简化后的海面目标双星定位模型，下面所述的本发明实施步骤则是基于本简化模型进行。图3为本发明海面目标双星定位流程图，具体实施步骤如下：

步骤一：星载接收机平台R_p接收其反射天线覆盖范围之内的所有卫星的反射信号，认选其中两颗作为计算海面目标位置的数据源，记为Sat₁和Sat₂，并对接收机平台对应Sat₁和Sat₂两颗卫星的时延多普勒最大相关值P_Max1、P_Max2进行提取存储。

步骤二：对步骤一中得到的Sat₁和Sat₂最大时延多普勒相关值进行时延值和多普勒频率值提取，对应于P_Max1的时延值记为τ_Max1，多普勒频率值记为f_Max1，对应于P_Max2的时延值记为τ_Max2，多普勒频率值记为f_Max2。

步骤三：根据步骤一中星载接收机接收到的Sat₁和Sat₂的卫星信号，解算出Sat₁与Sat₂卫星和星载接收机的位置，根据镜点位置的计算方法，求出镜点位置的经纬度。对应卫星Sat₁的镜点分别Sp₁(Sp_Lon1，Sp_Lat1)，对应卫星Sat₂的镜点分别Sp₂(Sp_Lon2，Sp_Lat2)。镜点的计算方法如下所示：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_R(L_s,B_s)=r_t+r_r=|R-S|+|T-S|=\\ \sqrt{{(X_r-X_s)}^2+{(Y_r-Y_s)}^2+{(Z_r-Z_s)}^2}\\ +\sqrt{{(X_t-X_s)}^2+{(Y_t-Y_s)}^2+{(Z_t-Z_s)}^2}\end{array}---\left(1\right)$

其中L_s为经度，B_s为纬度，当且仅当ρ_R(L_s，B_s)取最小值时，(X_s，Y_s，Z_s)为其镜面点，(L_s，B_s)为表面经纬度。

步骤四：由步骤二中得到对应于两颗卫星的相关功率最大值点的时延和多普勒值(τ_Max1，f_Max1)和(τ_Max2，f_Max2)，根据探测区域的时延多普勒分布估算出相关功率最大值点据各自镜点的距离，分别记为d₁和d₂。

步骤五：根据步骤一至四中得到的各个参量，计算对应于相关值最大点，即目标出现位置点的经纬度，记为(T_Lon，T_Lat)，因为地球可近似为球状，设地球半径为R，通过下列公式计算(T_Lon，T_Lat)。另外在此需要指出的是经纬度在计算时以弧度为单位进行计算，具体如图1和图2所示。

球面计算两点(α₁，β₁)和(α₂，β₂)之间的距离的计算公式如下所示，

θ＝arc[cos(α₁-α₂)×cosβ₁×cosβ₂+sinβ₁sinβ₂]    (2)

L＝R×θ    (3)

其中θ为两点(α₁，β₁)和(α₂，β₂)对应地心的夹角(此处的θ为弧度)，R为地球半径。

由公式(2)和公式(3)可得地球上两点之间的距离和地球半径与两点经纬度之间的关系：

L＝R×arc[cos(α₁-α₂)×cosβ₁×cosβ₂+sinβ₁sinβ₂]  (4)

由公式4可得：

d₁＝R×arc[cos(Sp_Lon1-T_Lon)×cosSp_Lat1×cosT_Lat+sinSp_Lat1×sinT_Lat]    (5)d₂＝R×arc[cos(Sp_Lon2-T_Lon)×cosSp_Lat2×cosT_Lat+sinSp_Lat2×sinT_Lat]    (6)

对公式(5)和(6)进行推导计算，可得：

$\cos \frac{d_1}{R}=\cos ({\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lon}1}-T_{\mathrm{Lon}})\×\cos {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}1}\×\cos T_{\mathrm{Lat}}+\sin {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}1}\sin T_{\mathrm{Lat}}---\left(7\right)$

$\cos \frac{d_2}{R}=\cos ({\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lon}2}-T_{\mathrm{Lon}})\×\cos {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}2}\×\cos T_{\mathrm{Lat}}+\sin {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}2}\sin T_{\mathrm{Lat}}---\left(8\right)$

对公式(7)和公式(8)进行联立，可得：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lon}1}-\arccos \frac{\cos \frac{d_1}{R}-\sin {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}1}\×\sin T_{\mathrm{Lat}}}{\cos {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}1}\×\cos T_{\mathrm{Lat}}}\\ ={\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lon}2}-\arccos \frac{\cos \frac{d_2}{R}-\sin {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}2}\×\sin T_{\mathrm{Lat}}}{\cos {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}2}\×\cos T_{\mathrm{Lat}}}\end{array}---\left(9\right)$

对公式(9)进行简化，可得：

$\begin{array}{c}{\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lon}1}-{\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lon}2}=\arccos \frac{\cos \frac{d_1}{R}-\sin {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}1}\×\sin T_{\mathrm{Lat}}}{\cos {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}1}\×\cos T_{\mathrm{Lat}}}\\ =\arccos \frac{\cos \frac{d_2}{R}-\sin {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}2}\×\sin T_{\mathrm{Lat}}}{\cos {\mathrm{Sp}}_{\mathrm{Lat}2}\×\cos T_{\mathrm{Lat}}}\end{array}---\left(10\right)$

由公式(10)可以看出只有T_Lat一个未知量，其余值均为已知，因此公式(10)可记为：

T_Lat＝f(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁，d₂，R)    (11)

利用公式(10)求得T_Lat后带入公式(5)，即可求得T_Lon，可记为：

T_Lon＝g(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁，d₂，R)    (12)

由公式(11)和(12)可以观察T_Lat和T_Lon均是关于参量Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁，d₂，R的函数，该函数通过编程即可实现求解计算。

步骤六：在步骤五得到目标位置之后，可以建立多星优化模型，将计算时刻的所有导航卫星均按照步骤五中提到的方法进行计算，然后对得到的结果进行拟合，取其最佳值。

设该时刻有N颗卫星，公式11可演变为：

T_Lat＝f(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁₁，d₂₁，R)    (13)

T_Lat＝f(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁₂，d₂₂，R)    (14)

T_Lat＝f(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁₂，d₂₂，R)    (15)

             ·

                  ·

T_Lat＝f(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d_1N，d_2N，R)    (16)

其中d_1N表示目标最大值点相对于第N颗卫星的距离，d_2N表示与其联立方程中的卫星与目标最大值点的距离。通过对公式(13)至(16)的公式的解析，建立多个关于T_Lat的方程，对其进行优化。同理T_Lon也可同样建立类似优化方程组，如公式(17)至(20)所示。

T_Lon＝g(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁₁，d₂₁，R)    (17)

T_Lon＝g(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁₂，d₂₂，R)    (18)

T_Lon＝g(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d₁₂，d₂₂，R)    (19)

               ·

             ·

T_Lon＝g(Sp_Lat1，Sp_Lat2，Sp_Lon1，Sp_Lon2，d_1N，d_2N，R)    (20)

通过步骤六即可实现利用多颗卫星对目标位置进行优化，得到的值相对第五步中的也更为精确。

Claims (1)

1.一种基于GNSS-R的海面目标双星定位方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：星载接收机平台R_p接收其反射天线覆盖范围之内的所有卫星的反射信号，选其中两颗作为计算海面目标位置的数据源，记为Sat₁和Sat₂，并对接收机平台对应Sat₁和Sat₂两颗卫星的时延多普勒最大相关值P_Max1、P_Max2进行提取存储；

步骤二：对步骤一中得到的Sat₁和Sat₂最大时延多普勒相关值进行时延值和多普勒频率值提取，对应于P_Max1的时延值记为τ_Max1，多普勒频率值记为f_Max1，对应于P_Max2的时延值记为τ_Max2，多普勒频率值记为f_Max2；

步骤三：根据步骤一中星载接收机接收到的Sat₁和Sat₂的卫星信号，解算出Sat₁与Sat₂卫星和星载接收机的位置，根据镜点位置的计算方法，求出镜点位置的经纬度；对应卫星Sat₁的镜点分别Sp₁(Sp_Lon1，Sp_Lat1)，对应卫星Sat₂的镜点分别Sp₂(Sp_Lon2，Sp_Lat2)；其中L_s为经度，B_s为纬度，当且仅当ρ_R(L_s，B_s)取最小值时，(X_s，Y_s，Z_s)为其镜面点，(L_s，B_s)为表面经纬度；

步骤四：由步骤二中得到对应于两颗卫星的相关功率最大值点的时延和多普勒值(τ_max1，f_Max1)和(τ_Max2，f_Max2)，根据探测区域的时延多普勒分布估算出相关功率最大值点据各自镜点的距离，分别记为d₁和d₂；

步骤五：根据步骤一至四中得到的各个参量，计算对应于相关值最大点，即目标出现位置点的经纬度，记为(T_Lon，T_Lat)；

步骤六：在步骤五得到目标位置之后，建立多星优化模型，将计算时刻的所有导航卫星均按照步骤五中提到的方法进行计算，然后对得到的结果进行拟合，取其最佳值。