CN104678416B - 一种基于gnss‑r海面目标区域归一化探测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于GNSS‑R海面目标区域归一化探测方法，有六大步骤：一、利用GNSS‑R接收机进行扫描探测，并将接收信号实时计算，得到反射信号相关功率值；二、设定阈值，当反射信号相关功率值大于阈值时，调用归一化区域探测法进行判断；三、当反射信号时延多普勒二维相关功率大于设定阈值RPTr时，直接提取二维相关最大值RPMax所对应的时延数τMax和多普勒频移fMax；四、按照在时延[‑mτc+τMax，mτc+τMax]范围内以0.1τc个单位，在多普勒[‑nKHz+fMax，‑nKHz+fMax]范围内以50Hz单位进行时延多普勒二维相关值计算，提取该区域内除在时延为τMax和多普勒频率在fMax之外的相关功率值RPi；五、对四中提取的反射信号相关功率值RPi进行归一化分析，求得六、对的比值进行分析，得出结果。

Description

一种基于GNSS-R海面目标区域归一化探测方法
技术领域
本发明公布了一种基于GNSS-R(Global Navigation Satellite system-reflection)海面目标区域归一化探测方法，属于利用GNSS反射信号遥感探测技术领域。
背景技术
GNSS反射信号海面目标探测是利用卫星信号进行海洋表面遥感方向的具体应用，是一种被动式双基或多基遥感技术，是国内外遥感探测和导航技术领域研究热点之一。
当GNSS直射信号照射海面，在闪耀区内形成无数多个散射点，然而不同散射点的散射信号被接收机接收时，到达接收机的时间是不同的。根据扩频信号接收原理可知，散射信号不同的传播时间表现为不同的码延迟，等延迟线就是与镜面点反射信号相比具有相同时间延迟的点组成的曲线。等延迟区或等延迟环是定义的两条等延迟线围成的椭圆环形区域，与接收机采样频率，即码片分辨率有关。码片分辨率越高，则相同条件下的等延迟区越密集。基于GNSS双基雷达的海面风场探测系统中，机载或星载接收机和GPS卫星均有着不同的运动速度，同时接收机的高度也可能在变化。因此，接收机接收到的海面不同散射点的散射信号可能具有不同的多普勒频率，且随着卫星参数和接收平台运动参数的变化不断变化，具有相同多普勒频率的海面散射点组成的曲线称为等多普勒线。
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，并且卫星导航信号经过海面反射之后携带反射面的物理特性，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等信息进行计算并提取来分析反射区域特性。当海面目标出现在反射天线探测区域时，由于海面目标的出现，其对反射信号的反射率增大，相应的时延多普勒二维相关功率增大，通过GNSS-R探测平台GNSS-R海面目标探测是对反射区域时延多普勒二维相关功率对目标出现区域进行计算，提取相关功率最大值与设定阈值进行比较，若大于阈值，则判定在反射区域内有目标出现。由于不同风况的影响，在反射区域会出现目标未出现会有时延多普勒二维相关功率大于阈值的情况发生，此时需要归一化探测方法进行目标的误探测排除。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于GNSS-R海面目标区域归一化探测方法，利用该方法排除利用GNSS-R进行海面目标探测时误探测的情况。在平静海面区域进行探测时，由于海面的反射率普遍接近一致，星载GNSS-R硬件接收平台的反射信号相关功率值在相同的时延和多普勒延迟内也比较接近。当海面有大型目标出现时，相应的反射信号在该区域的反射率会增大，此时反射信号的功率会增大，但是由于海面风况的不同，海面的粗糙度变大，也会造成局部反射信号增大，从而给利用反射信号相关功率最大值判断目标出现增加了干扰，但是当反射信号功率最大值由海面不同风况影响时，其周围海面的反射信号相关功率值也会发生变化，而在海面目标出现的周围海域反射信号相关功率值变化则不大。当接收到的反射信号时延多普勒二维相关功率最大值大于设定阈值的情况时，将时延多普勒二维相关功率的最大值进行提取，并按照探测方法进行周围反射区域的相关功率值进行处理，降低误探测出现次数，提高利用GNSS-R进行海面目标探测的正确率。
本发明的技术方案是：基于星载GNSS-R硬件接收机对海面目标进行区域探测。当海面目标出现时，通过计算时延多普勒二维相关功率利用海面归一化区域探测方法对海面目标进行正确探测。
其中，星载GNSS-R接收机主要在小卫星平台搭载GNSS-R硬件接收机，构成GNSS-R星载探测平台。所述的GNSS-R硬件接收机由双射频前端、高速A/D变换器、FPGA专用相关器、DSP数字信号处理器、UART控制接口和USB控制接口、高增益的直射天线和四个高增益的反射天线等组成。它们之间的关系是：其中双射频前端中的片内锁相环产生2456MHz本振信号，与接收到的1575.42MHz信号混频后产生880.58MHz的信号；该信号与927MHz的本振信号混频产生46.42MHz的模拟中频信号。同时该模块集成10MHz的温补晶振，为后端数字化电路提供基准时钟，其参考频率稳定度为±5×10-7，与信号处理后端采用SMA接口连接，并实现物理屏蔽隔离，有效的降低高频模拟与数字电路之间的干扰和噪声，使信号质量得到进一步的优化。
其中高速A/D变换器主要是将双射频前端模块的处理数据和结果进行模数转换，将转化后的数字信号传输至后端的FPGA模块和DSP模块进行直射相关通道和反射信号相关通道的相关功率计算。
其中FPGA专用相关器主要功能包括直射信号处理和反射信号处理两部分，直射信号处理通道采用传统的超前-即时-滞后相关通道结构，通过与DSP的配合完成码和载波跟踪，得到导航定位解。反射信号处理通道根据DSP的配置信息(包括反射信号码延迟估计值、多普勒估计值以及相应的控制信息)对反射信号进行相关运算，得到码延迟-多普勒二维复数相关值，这些复数相关值通过USB接口上传至上位机中。同时相关值经过1s非相干累加形成二维相关功率值，与直射信号处理结果通过UART控制接口上传至上位机中。
其中DSP数字信号处理器主要完成GNSS卫星直射信号的快速捕获和跟踪，并利用直射信号提供的信息求解导航定位结果，对反射信号的处理方式进行模式配置。
其中UART控制接口中串口1上传定位后的经度、纬度和高度等导航信息，12个通道的卫星号、信噪比、方位角和高度角等卫星状态信息；串口2上传反射信号相关功率数值和对应的直射卫星信号的相关功率数值。
其中USB控制接口实现直射信号与反射信号的数字中频数据采集与存储，由FPGA芯片与USB芯片共同完成，主要功能包括A/D量化数据的译码、打包、数据缓冲、时序控制等。
其中的直射天线(直射天线为接收GPS直射信号)为多模右旋天线，兼容GPS(美国全球定位导航系统)/BeiDou(北斗导航系统)/GLONASS(俄罗斯格洛纳斯导航系统)/Galileo(欧洲伽利略卫星导航系统)，增益为3dB，驻波比为2:1，波束角30°。
其中的反射天线(反射天线为GPS经过反射面散射后的卫星信号)为四阵列高增益左旋天线，兼容GPS(美国全球定位导航系统)/BeiDou(北斗导航系统)/GLONASS(俄罗斯格洛纳斯导航系统)/Galileo(欧洲伽利略卫星导航系统)，增益18dB，波束角20°，反射天线放置于小卫星平台的水平朝下位置，四个反射天线呈正方形密集放置，以便微弱反射信号接收。
所述的小卫星平台指的是低轨道卫星，为星载GNSS-R硬件接收机的搭载平台，GNSS-R硬件接收机将测量的反射信号功率传输至小卫星的通信模块，通信模块将GNSS-R硬件接收机的数据传输至地面接收中心。
本发明一种基于GNSS-R海面目标区域归一化探测方法，具体步骤如下：
步骤1：利用星载GNSS-R接收机进行海面区域扫描探测，并将由四个反射天线接收的反射信号在GNSS-R硬件接收机进行实时计算，计算得到反射信号相关功率值。
步骤2：当海面有大型目标出现时，相应的反射信号在该区域的反射率会增大，此时反射信号的功率会增大，但是由于海面风况的不同，海面的粗糙度变大，也会造成局部反射信号增大，从而给利用反射信号相关功率最大值判断目标出现增加了干扰，但是当反射信号功率最大值由海面不同风况影响时，其周围海面的反射信号相关功率值也会发生变化，而在海面目标出现的周围海域反射信号相关功率值变化则不大。通过设定阈值，当反射信号相关功率值大于阈值时，调用归一化区域探测方法进行判断分析，以减小判断计算的工作量。
步骤3：当反射信号时延多普勒二维相关功率大于设定阈值RPTr(判断反射信号相关功率值是否调用为归一化区域方法的标准)时，直接提取二维相关最大值RPMax所对应的时延数τMax和多普勒频移fMax。
步骤4：按照在时延[-mτc+τMax，mτc+τMax](其中m取值根据τMax值进行动量变化，若τMax值较大，则m取值应尽量小，τc代表的是1个时延码片，为判断反射信号在时延域上的基准单位，在利用反射信号进行反演时，其探测分辨率主要是通过时延域的最小单位和多普勒域上的最小单位决定的，该处指的是反射信号相关功率最大值处对应的时延值的周围区域，该区域按照时延值进行划分)范围内以0.1τc个单位，在多普勒[-nKHz+fMax，-nKHz+fMax](其中m取值根据fMax值进行动量变化，若fMax值较大，则n取值应尽量小，其中KHz指的是1000Hz，在该处指的是反射信号相关功率最大值处对应的多普勒频率值的周围区域，该区域按照多普勒频率值进行划分)范围内以50Hz单位进行时延多普勒二维相关值计算，提取该区域内除在时延为τMax和多普勒频率在fMax之外的相关功率值RPi。
步骤5：对步骤4中提取的反射信号相关功率值RPi进行归一化分析，求得
步骤6：:对的比值进行分析，若该比值很大，则判定RPMax对应的位置即为海面目标出现的位置，此时系统对海面目标探测正常，若该值较小，则判定此时对应于RPMax的位置没有海面目标出现，此时若探测即为误探测，需要剔除，不进行目标探测。
本发明的优点在于：
一、针对星载接收机对海面目标出现误探测的情况剔除的探测方法，该方法直接利用原有硬件接收机输出的时延多普勒二维相关值进行分析，计算方便且有很强的工程实现性。
二、方法中提出行区域归一化分析方法，当接收机输出的时延多普勒二维相关功率值大于既定阈值时，才对区域内的相关功率值进行提取分析。
三、方法中提出的区域划分利用的是相关功率最大值对应的时延和多普勒周围区域，分析该区域内的信号特性，分别是在时延域的一个码片和多普勒频率的1KHz，该区域范围小，便于精确对目标误探测进行剔除。
四、方法中提出当目标出现时对划分区域中相关功率值处理得到的归一化值与相关功率最大值比值分析，直接根据比值大小进行判断在反射区域是否有目标出现，判断标准直观方便。
附图说明
图1海面目标探测探测系统正常工作情况示意图
图2海面目标探测误探测系统的工作情况示意图
图3本发明区域归一化探测方法工作流程图
其中，图1中“GNSS-R”定义为“Global Navigation Satellite system-reflection”，“Max”定义为“星载GNSS-R硬件接收机接收的反射信号时延多普勒二维相关功率最大值”，“Thr”定义为“目标出现的报警阈值”，即当反射信号相关功率值大于该值时，调用区域归一化探测方法。
其中，图2中的相关词的定义与图1相同。
其中，图3中的“RP(max)”定义为“提取的GNSS-R硬件接收机输出的反射信号时延多普勒二维相关功率最大值”，“RP(TR)”定义为“反射信号相关功率的判断阈值”，“m”定义为“判定划分区域的时延域的大小”，“n”定义为“判定划分区域的多普勒频率域的大小”，“RP(i)”定义为“提取的划分区域内的时延多普勒二维相关功率值”，“RP(i)’”定义为“对提取的提取的划分区域内的时延多普勒二维相关功率值进行归一化分析得到的平均值”，“RP(j)”定义为“对提取的划分区域内的时延多普勒二维相关功率值进行数据屏蔽操作后满足既定条件的时延多普勒二维相关功率值”，“RP(j)’”定义为“对屏蔽操作后时延多普勒二维相关功率值的前五个最大值进行均值处理得到的平均值”。
具体实施方式
见图3，本发明一种基于GNSS-R海面目标区域归一化探测方法，具体步骤如下：
1.针对海面目标探测的区域归一化探测方法利用基于GNSS-R的星载硬件接收机输出的时延二维相关功率值，按照图1中的正常探测工作情况，计算时延多普勒二维相关功率最大值RPMax。
2.当RPMax＞RPTr时，则判定反射区域内有海面目标出现。当RPMax＜RPTr时，则判定反射区域内无海面目标出现。因为不同的海况会对反射区域内的反射信号造成很大影响，若出现图2中的误探测情况时，即出现RPMax＞RPTr时，但反射区域内无目标出现，此时需要利用区域归一化探测方法进行误探测剔除。
3.根据步骤2，启动区域归一化探测方法，对GNSS-R硬件接收机输出的时延多普勒二维相关功率进行存储，直接提取二维相关最大值RPMax所对应的时延数τMax和多普勒频移fMax。根据步骤2得出的τMax和fMax，按照在时延[-mτc+τMax，mτc+τMax](其中m取值根据τMax值进行动量变化，若τMax值较大，则m取值应尽量小)范围内以0.1τc个单位，在多普勒[-nKHz+fMax，-nKHz+fMax](其中m取值根据fMax值进行动量变化，若fMax值较大，则n取值应尽量小)范围内以50Hz单位进行时延多普勒二维相关值计算，提取该区域内除在时延为τMax和多普勒频率在fMax之外的相关功率值RPi。
4.对步骤3中得出的RPi按照下列公式进行归一化分析，求得
Cm＝(m-(-m))/0.1＝20m (1.1)
Cn＝((n-(-n))*1000)/50＝40n (1.2)
5.对步骤4中提取的反射信号相关功率值RPi进行归一化分析，求得
6.根据步骤5得出的对RPi进行滤除操作，需要屏蔽删除，当将满足该条件的RPi记为RPj，并对RPj进行存储操作。取出RPj中前5个最大值，并对其进行平均得出利用步骤2中得出的RPMax与步骤6得出的进行比值操作得出对得到的进行判断，若值较大，则说明在相关功率最大值处的位置有目标出现，且与目标出现位置周围的相关功率值相差较大，若值较小，说明相关功率最大值位置处与周围的相关功率相差较小，此时的相关功率最大值及周围区域可能是由不同的海况造成，类似这种情况造成的误探测需要排除。通过该方法来排除误探测情况的出现，保证利用GNSS-R进行海面目标探测的正确率。

Claims (1)

1.一种基于GNSS-R海面目标区域归一化探测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤1：利用星载GNSS-R接收机进行海面区域扫描探测，并将由四个反射天线接收的反射信号在GNSS-R硬件接收机进行实时计算，计算得到反射信号相关功率值；
步骤2：当海面有大型目标出现时，相应的反射信号在该区域的反射率会增大，此时反射信号的功率会增大，由于海面风况的不同，海面的粗糙度变大，也会造成局部反射信号增大，从而给利用反射信号相关功率最大值判断目标出现增加了干扰；当反射信号功率最大值由海面不同风况影响时，其周围海面的反射信号相关功率值也会发生变化，而在海面目标出现的周围海域反射信号相关功率值变化则不大，通过设定阈值，当反射信号相关功率值大于阈值时，调用归一化区域探测方法进行判断分析，以减小判断计算的工作量；
步骤3：当反射信号时延多普勒二维相关功率大于设定阈值RPTr时，直接提取二维相关功率最大值RPMax所对应的时延数τMax和多普勒频移fMax；
步骤4：按照在时延[-mτc+τMax，mτc+τMax]范围内以0.1τc个单位，进行时延多普勒二维相关功率值计算，提取该区域内除在时延为τMax和多普勒频率在fMax之外的相关功率值RPi；其中m取值根据τMax值进行动量变化，若τMax值较大，则m取值应尽量小，τc代表的是1个时延码片，为判断反射信号在时延域上的基准单位，在利用反射信号进行反演时，其探测分辨率是通过时延域的最小单位和多普勒域上的最小单位决定的，该处指的是反射信号相关功率最大值处对应的时延值的周围区域，该区域按照时延值进行划分；在多普勒[-nKHz+fMax ，-nKHz+fMax]范围内以50Hz单位进行时延多普勒二维相关功率值计算，提取该区域内除在时延为τMax和多普勒频率在fMax之外的相关功率值RPi；其中n取值根据fMAx值进行动量变化，若fMAx值较大，则n取值应尽量小，其中KHz指的是1000Hz，在该处指的是反射信号相关功率最大值处对应的多普勒频率值的周围区域，该区域按照多普勒频率值进行划分；
步骤5：对步骤4中提取的反射信号相关功率值RPi进行归一化分析，求得
步骤6：:对的比值进行分析，若该比值很大，则判定RPMax对应的位置即为海面目标出现的位置，此时系统对海面目标探测正常；若该值较小，则判定此时对应于RPMax的位置没有海面目标出现，此时若探测即为误探测，需要剔除，不进行目标探测。
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