CN104678418A - 一种基于多星gnss-r海面目标定位模糊消除方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法，它有四大步骤：一、接收机通过右旋极化天线接收直射信号、通过左旋极化天线接收反射信号；二、目标探测模块通过获取探测区域的相关功率的最大值来探测目标的存在，将相关功率峰值的时延多普勒坐标确定为目标所在位置的时延多普勒坐标(τ,f_d)；三、将得到的目标时延多普勒域坐标(τ,f_d)转换为大地坐标(lon,lat,h)即能对海上目标进行定位；四、通过将多星探测结果进行联合处理，从多个目标定位结果中剔除虚点的影响，从而确定目标的真实物理坐标。本发明在海洋遥感及无源雷达目标探测技术领域里有实用价值。

Description

一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法

技术领域

本发明涉及一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法，属于海洋遥感及无源雷达目标探测技术领域。当海面探测区域内出现大型目标时，针对星载接收机平台海面目标探测定位系统出现的定位模糊问题，提出了一种解决方案。多星定位模糊消除分为两种：(1)多星接收-单星发射模型(2)单星接收-多星发射模型。

背景技术

GNSS-R(GNSS-Reflection)遥感技术是自1997年以来发展起来的一个新型分支，是国内外遥感和导航技术领域研究热点之一。GNSS-R利用导航卫星L波段信号为发射源，在陆地、航空飞行器、卫星或其它平台上安装反射信号接收装置，通过接收并处理海洋、陆地或移动目标的反射信号，实现被测媒质的特征要素提取或移动目标探测的一种技术。随着世界四大卫星导航系统的发展，卫星信号的全球和近地空间的立体覆盖能力日益完善，同一时间将有更多的可见星供GNSS-R技术使用。

现代战争中，以“千里眼”著称的雷达所起的作用越来越重要，对雷达探测系统提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的探测精度和快速的反应能力，而且要求其具有极强的“四抗”能力。在这种情况下，对于无源雷达探测系统的研究就显得越来越重要。无源探测本身不发射电磁波，而是利用目标自身向外辐射或已有的其他非合作辐射源作为目标的照射源。它通过接收来自照射源的直达波和经目标散射的回波，测得目标回波的多普勒频移、到达时差及到达角等，经处理后实现目标的探测和跟踪。目前可用的第三方电磁波信号包括地面广播电台、通信台站、直播电视卫星和导航定位卫星系统等发射的信号。利用移动目标所反射的GNSS信号，来探测该目标所在的位置和运动变化轨迹，是一种非合作式“双(多)基”无源雷达，具有较高的安全性和全球性、全天时、全天候工作等特点。由于不需要发送任何探测信号，且其接收机单独部署，该技术同时具有造价低、隐蔽性强、生存能力强的优势。

反射信号的相关值需要从时延和多普勒两方面进行分析，而最终目标定位的结果需要以经纬度坐标形式表示。但由于空间区域具有相同时延和多普勒的点不唯一，导致海面目标出现定位模糊问题。传统的解决方法是使用空域滤波，即通过调整阵列天线的波束，使其指向镜面反射点的一侧。但由于普通波束的形成依赖于阵列几何结构和波达方向角，而与信号环境无关，且固定不变、存在旁瓣、抑制干扰能力差等缺点，在星载接收平台条件下并不能加以灵活应用。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决由于空间区域具有相同时延和多普勒的点不唯一而造成的目标定位模糊问题，提供一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法。

目标必须处于GPS卫星波束和LEO低轨卫星波束的共同覆盖区，才能够实现定位。从定位性能上讲，多星发射-单星接收和多星接收-单星发射模型二者是相同的。多星接收(多个LEO卫星)单星发射(单颗GPS卫星)模型下，因为LEO卫星数量多，且运行速度较快，波束覆盖范围较易重叠。另外因为GPS分布广且均匀，能够保证在同一时刻多颗GPS卫星的波束同时覆盖同一区域，随着导航卫星产业的迅速发展，导航卫星信号资源将会日益丰富，同一时刻可观测卫星数目将会日益增加，所以多星发射(多颗GPS卫星)单星接收(单颗LEO卫星)模型对无源雷达定位是可行的。综上，双星定位模糊消除分为两种：(1)多星接收-单星发射模型；(2)多星发射-单星接收模型。利用以上两种模型将多颗卫星或多个星载接收平台得到的不同定位结果进行联合处理，消除定位虚点，从而提高GNSS-R在海面目标探测领域的实用性。

具体的技术方案为：

本发明一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：接收机通过右旋极化天线接收直射信号、通过左旋极化天线接收反射信号。由于海面GNSS散射信号微弱，在不同平台高度需采用不同增益的天线，在400km至3800km低轨卫星平台，通常需要大于20dB高增益阵列天线。经海面反射的GNSS信号通过多普勒延迟映射接收机(DDMR)相关处理后以获得较高的增益进行分析。反射信号的时延-多普勒二维相关函数为：

$Y_{R-\mathrm{Delay}}(t_0,\mathrm{\τ},f)={\∫}_0^{T_i}{u}_R(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})\exp \left[2\mathrm{\πi}(f_c+{\hat{f}}_d+f)(t_0+t^{\′})\right]{\mathrm{dt}}^{\′}$

其中T_i为积分时间，f_c为接收信号的中心频率，为本地多普勒估计值，DDMR输出不同时延多普勒的相关功率值。

步骤二：当目标出现在探测区域海面时，由于目标的雷达散射截面积RCS通常与同面积的海面RCS差异很大，改变了该区域的散射系数分布，从而使探测区域的相关功率发生相应变化。通常，目标探测模块通过获取探测区域的相关功率的最大值来探测目标的存在，将相关功率峰值的时延多普勒坐标确定为目标所在位置的时延多普勒坐标(τ,f_d)。

步骤三：将得到的目标时延多普勒域坐标(τ,f_d)转换为大地坐标(lon,lat,h)即可对海上目标进行定位。计算方法如下：

(1)首先计算镜点在本地坐标系下的位置，采取两步法计算。首先假定参考面为椭球面，按照迭代方法先计算后校正，几何关系如图3所示。由式：

M＝R+H_R/(H_R+H_T)(T-R)

计算出向量R的位置以及γ_t、γ_r。根据三角关系计算得到α_t和α_r，通常，α_t和α_r经上述计算是不相等的，按照如下公式进行加权重新估计α_t和α_r：

α′_r＝α′_t＝(H_Tα_t+H_Rα_r)/(H_T+H_R)

式中符号说明如下：H_T和H_R为T、R相对于椭球的高度，α_t与α_r分别为镜点的入射角和反射角。

根据三角形关系分别重新计算γ_t、γ_r，为γ'_t、γ'_t，γ_t的平均值按照式(γ_t+γ_r+γ_t'-γ_r')/2进行计算，从而根据新的γ_t值重新计算M、R，然后计算α_t和α_r，并进行迭代运算，直到α_t＝α_r。

(2)由步骤二得到的相关功率最大值点的时延和多普勒值(τ,f_d)，根据最大值点与镜点值之间对应的时延值和多普勒值插值，估算得出其距离，分别记为d₁和d₂，继而计算得到海面目标的物理坐标(x,y,z)。由于空间区域具有相同时延和多普勒的点不唯一(如图4所示)，此处将会得到两个结果，分别表示为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，此时出现在GNSS-R目标探测中的定位模糊问题，无法确定得到的两个结果中哪个是海面目标的真实坐标位置。利用坐标转换方法分别将(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)转换为大地坐标(lon₁,lat₁,h₁)、(lon₂,lat₂,h₂)，从地心地固直角坐标(x,y,z)到大地坐标(φ,λ,h)的变换公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)\\ h=\frac{p}{\cos }-N\\ \mathrm{\φ}=\arctan \left[\frac{z}{p}{(1-e^2\frac{N}{N+h})}^{-1}\right]\end{array}\right.,$ 其中 $\left\{\begin{array}{c}{e}^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\\ N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\\ p=\sqrt{x^2+y^2}\end{array}\right.,$ φ、λ、h分别表示大地的纬度、经度、高度，a、b分别为基准椭球体的长半径和短半径，e为椭球偏心率，一般经过3～4次循环迭代后就可以结束计算。

步骤四：利用多星接收-单星发射模型或单星接收-多星发射模型分别构成多个相对独立的探测系统，并且确保这几个相对独立的并行探测系统具有共同的探测区域。当目标出现在共同的探测区域时，经过步骤一、二、三会得到多组不同的目标真实点物理坐标和虚点物理坐标。由于目标的真实位置只有一个，多组探测结果得到的真实目标点的经纬度坐标会发生重叠(如图5所示)，这样就可以通过将多星探测结果进行联合处理，从多个目标定位结果中剔除虚点的影响，从而确定目标的真实物理坐标。

本发明一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法的优势：

(1)若采用多星接收-单星发射模型，当接收机数目大于等于两个时，多组探测结果得到的真实目标点的经纬度坐标会发生重叠，这样就可以通过将多个目标定位结果联合处理，从而剔除虚点的影响，实现目标定位。同理，若采用多星发射-单星接收模型，当导航卫星数目大于等于两颗时，同样可以通过联合处理多组探测结果剔除虚点的影响。

(2)提高分辨率:当接收到的有效反射信号仅为直射信号中的一颗卫星产生时，根据反射信号的码延迟和多普勒频移将海面划分为不同的观测单元。根据相关功率值可以探测到目标所在的海面对应观测单元，即目标出现的区域。但系统的空间分辨率主要取决于发射机接收机相互位置以及卫星速度等，在最坏情况下系统甚至很可能失去其空间分辨能力，通过使用多颗GPS卫星信号可以解决空间分辨能力降低或丧失的问题。对某个待探测的区域，单一导航星座(例如美国的GPS)中的多颗卫星，或者不同导航星座(如欧洲的伽利略和中国的北斗)中的多颗卫星，或者利用多颗LEO卫星接收反射信号，都有可能形成照射区，且不同的卫星将会形成共同的照射区，即卫星照射区的相互覆盖情况。这样就可以对二维空间进行更精细的分割，将海面划分为更小的观测单元，从而提高海面目标探测的空间分辨能力(如图6所示)。

附图说明

图1.1多星发射-单星接收定位模糊消除方法示意图

图1.2多星接收-单星发射定位模糊消除方法示意图

图2.1多星发射-单星接收定位模糊消除方法示意图

图2.2多星接收-单星发射定位模糊消除方法示意图

图3镜面反射点计算几何关系示意图

图4反射面单元与时延-多普勒单元的对应关系示意图

图5消除虚点原理图

图6多星覆盖将海面划分为更小的分辨单元示意图

图中符号说明如下：

图1.1中，DDMn表示接收机求解出的第n颗卫星的时延多普勒二维相关功率，(τ_n,f_dn)表示由第n颗卫星定位出的目标所在位置的时延多普勒坐标。(lon_n1,lat_n1,h_n1)、(lon_n2,lat_n2,h_n2)表示由于定位模糊导致的同一颗卫星输出的两个目标经纬度坐标。(lon,lat,h)表示定位模糊消除后的目标真实位置。

图1.2中，DDMn表示第n个接收机求解出的卫星时延多普勒二维相关功率，(τ_n,f_dn)表示第n个接收机输出的目标所在位置的时延多普勒坐标。(lon_n1,lat_n1,h_n1)(lon_n2,lat_n2,h_n2)表示由于定位模糊导致的同一接收机输出的两个目标经纬度坐标。(lon,lat,h)表示定位模糊消除后的目标真实位置。

图3中，球心为O，发射机、接收机和镜面点的坐标矢量分别为T、R、S，已知T、R以及相对于椭球的高度H_T和H_R，R'为R沿直线OM的镜像点，C为M沿直线RR'的镜像点。

具体实施方式

见图1.1—图6，本发明一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：接收机通过右旋极化天线接收直射信号、通过左旋极化天线接收反射信号。由于海面GNSS散射信号微弱，在不同平台高度需采用不同增益的天线，在400km至3800km低轨卫星平台，通常需要大于20dB高增益阵列天线。经海面反射的GNSS信号通过多普勒延迟映射接收机(DDMR)相关处理后以获得较高的增益进行分析。反射信号的时延-多普勒二维相关函数为

$Y_{R-\mathrm{Delay}}(t_0,\mathrm{\τ},f)={\∫}_0^{T_i}{u}_R(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})\exp \left[2\mathrm{\πi}(f_c+{\hat{f}}_d+f)(t_0+t^{\′})\right]{\mathrm{dt}}^{\′}$

其中T_i为积分时间，f_c为接收信号的中心频率，f_d为本地多普勒估计值，DDMR输出不同时延多普勒的相关功率值。

(1)若采用单星接收-多星发射模型(如图2.1所示)：要求DDMR应包含多个直射信号通道和多个反射信号通道。其中直射通道与右旋天线相连，反射通道与左旋天线相连。

直射通道1接收来自卫星sat₁的直射信号为f_1直射，反射通道1接收来自卫星sat₁经海面目标反射后的反射信号f_1反射，接收机通过开环方式输出时延多普勒二维相关功率图DDM₁。

直射通道2接收来自卫星sat₂的直射信号为f_2直射，反射通道2接收来自卫星sat₁经海面目标反射后的反射信号为f_2反射，接收机通过开环方式输出时延多普勒二维相关功率图DDM₂。

直射通道n接收来自卫星sat_n的直射信号为f_n直射，反射通道n接收来自卫星sat_n经海面目标反射后的反射信号为f_n反射，接收机通过开环方式输出时延多普勒二维相关功率图DDM_n。

(2)同理，若采用多星接收-单星发射模型(如图2.2所示)：在多颗LEO卫星上分别部署多台GNSS-R接收机，用于接收同一颗导航卫星发射的直射信号和反射信号。

LEO₁上的DDMR₁接收到的直射信号为f_1直射，经海面目标反射后的反射信号为f_1反射，接收机输出时延多普勒二维相关功率图DDM₁。

LEO₂上的DDMR₂接收到的直射信号为f_2直射，经海面目标反射后的反射信号为f_2反射，接收机输出时延多普勒二维相关功率图DDM₂。

LEO_n上的DDMR_n接收到的直射信号为f_n直射，经海面目标反射后的反射信号为f_n反射，接收机输出时延多普勒二维相关功率图DDM_n。

步骤二：当目标出现在探测区域海面时，由于目标的RCS通常与同面积的海面RCS差异很大，改变了该区域的散射系数分布，从而使探测区域的相关功率发生相应变化。通常，目标探测模块通过获取探测区域的相关功率的最大值来探测目标的存在，并给出目标所在位置的时延多普勒坐标(τ,f_d)。目标探测模块分别通过求解DDM₁和DDM₂…DDM_n最大值得到海面目标在时延多普勒域的位置坐标(τ₁,f_d1)和(τ₂,f_d2)…(τ_n,f_dn)。

步骤三：将得到的目标时延多普勒域坐标(τ,f_d)转换为大地坐标(lon,lat,h)即可对海上目标进行定位。计算方法如下：

(1)首先计算镜点在本地坐标系下的位置，采取两步法计算。首先假定参考面为椭球面，按照迭代方法先计算后校正，几何关系如图3所示。由式：

M＝R+H_R/(H_R+H_T)(T-R)

计算出向量R的位置以及γ_t、γ_r。根据三角关系计算得到α_t和α_r，通常，α_t和α_r经上述计算是不相等的，按照如下公式进行加权重新估计α_t和α_r：

α′_r＝α′_t＝(H_Tα_t+H_Rα_r)/(H_T+H_R)

根据三角形关系分别重新计算γ_t、γ_r，为γ'_t、γ'_t，γ_t的平均值按照式(γ_t+γ_r+γ_t'-γ_r')/2进行计算，从而根据新的γ_t值重新计算M、R，然后计算α_t和α_r，并进行迭代运算，直到α_t＝α_r。

(2)由步骤2得到的相关功率最大值点的时延和多普勒值(τ,f_d)，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，估算得出其距离，分别记为d₁和d₂，继而计算得到海面目标的物理坐标(x,y,z)。由于空间区域具有相同时延和多普勒的点不唯一(如图4所示)，此处将得到会得到两个结果，分别表示为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，此时出现在GNSS-R目标探测中的定位模糊问题，无法确定得到的两个结果中哪个是海面目标的真实坐标位置。利用坐标转换方法分别将(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)转换为大地坐标(lon₁,lat₁,h₁)、(lon₂,lat₂,h₂)。从地心地固直角坐标(x,y,z)到大地坐标(φ,λ,h)的变换公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)\\ h=\frac{p}{\cos }-N\\ \mathrm{\φ}=\arctan \left[\frac{z}{p}{(1-e^2\frac{N}{N+h})}^{-1}\right]\end{array}\right.,$ 其中 $\left\{\begin{array}{c}{e}^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\\ N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\\ p=\sqrt{x^2+y^2}\end{array}\right.,$ φ、λ、h分别表示大地的纬度、经度、高度，a、b分别为基准椭球体的长半径和短半径，e为椭球偏心率，一般经过3～4次循环迭代后就可以结束计算。

(τ₁,f_d1)对应的经纬度坐标为(lon₁₁,lat₁₁,h₁₁)和(lon₁₂,lat₁₂,h₁₂)，其中一个是目标真实位置，一个是虚点坐标；

(τ₂,f_d2)对应的经纬度坐标为(lon₂₁,lat₂₁,h₂₁)和(lon₂₂,lat₂₂,h₂₂)，其中一个是目标真实位置，一个是虚点坐标；

(τ_n,f_dn)对应的经纬度坐标为(lon_n1,lat_n1,h_n1)和(lon_n2,lat_n2,h_n2)，其中一个是目标真实位置，一个是虚点坐标。

步骤四：将得到的2×n个大地坐标(lon₁₁,lat₁₁,h₁₁)、(lon₁₂,lat₁₂,h₁₂)、(lon₂₁,lat₂₁,h₂₁)、(lon₂₂,lat₂₂,h₂₂)…(lon_n1,lat_n1,h_n1)、(lon_n2,lat_n2,h_n2)进行联合处理(如图5所示)，由于海面目标的真实位置只有一个，将发生重叠的点确定为目标的真实位置，其余点则为虚假目标点。至此，即可得到海面目标的经纬度(lon,lat,h)。步骤2、3、4均采用C++语言实现。

Claims (1)

1.一种基于多星GNSS-R海面目标定位模糊消除方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：接收机通过右旋极化天线接收直射信号、通过左旋极化天线接收反射信号；由于海面GNSS散射信号微弱，在不同平台高度需采用不同增益的天线，在400km至3800km低轨卫星平台，通常需要大于20dB高增益阵列天线，经海面反射的GNSS信号通过多普勒延迟映射接收机即DDMR相关处理后以获得较高的增益进行分析；反射信号的时延-多普勒二维相关函数为：

$Y_{R-\mathrm{Delay}}(t_0,\mathrm{\τ},f)={\∫}_0^{T_i}{u}_R(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})\exp \left[2\mathrm{\πi}(f_c+{\hat{f}}_d+f)(t_0+t^{\′})\right]{\mathrm{dt}}^{\′}$

其中T_i为积分时间，f_c为接收信号的中心频率，为本地多普勒估计值，DDMR输出不同时延多普勒的相关功率值；

步骤二：当目标出现在探测区域海面时，由于目标的雷达散射截面积RCS通常与同面积的海面RCS差异很大，改变了该区域的散射系数分布，从而使探测区域的相关功率发生相应变化；通常，目标探测模块通过获取探测区域的相关功率的最大值来探测目标的存在，将相关功率峰值的时延多普勒坐标确定为目标所在位置的时延多普勒坐标(τ,f_d)；

步骤三：将得到的目标时延多普勒域坐标(τ,f_d)转换为大地坐标(lon,lat,h)即能对海上目标进行定位；计算方法如下：

(1)首先计算镜点在本地坐标系下的位置，采取两步法计算；首先假定参考面为椭球面，按照迭代方法先计算后校正，由式：

M＝R+H_R/(H_R+H_T)(T-R)

计算出向量R的位置以及γ_t、γ_r；根据三角关系计算得到α_t和α_r，通常，α_t和α_r经上述计算是不相等的，按照如下公式进行加权重新估计α_t和α_r：

α′_r＝α′_t＝(H_Tα_t+H_Rα_r)/(H_T+H_R)

式中符号说明如下：H_T和H_R为T、R相对于椭球的高度，α_t与α_r分别为镜点的入射角和反射角；

根据三角形关系分别重新计算γ_t、γ_r，为γ'_t、γ'_t，γ_t的平均值按照式(γ_t+γ_r+γ_t'-γ_r')/2进行计算，从而根据新的γ_t值重新计算M、R，然后计算α_t和α_r，并进行迭代运算，直到α_t＝α_r；

(2)由步骤二得到的相关功率最大值点的时延和多普勒值(τ,f_d)，根据最大值点与镜点值之间对应的时延值和多普勒值插值，估算得出其距离，分别记为d₁和d₂，继而计算得到海面目标的物理坐标(x,y,z)；由于空间区域具有相同时延和多普勒的点不唯一，此处将会得到两个结果，分别表示为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，此时出现在GNSS-R目标探测中的定位模糊问题，无法确定得到的两个结果中哪个是海面目标的真实坐标位置；利用坐标转换方法分别将(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)转换为大地坐标(lon₁,lat₁,h₁)、(lon₂,lat₂,h₂)，从地心地固直角坐标(x,y,z)到大地坐标(φ,λ,h)的变换公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\λ}=\arctan \left(\frac{y}{x}\right)\\ h=\frac{p}{\cos \mathrm{\φ}}-N\\ \mathrm{\φ}=\arctan \left[\frac{z}{p}{(1-e^2\frac{N}{N+h})}^{-1}\right]\end{array}\right.,$ 其中 $\left\{\begin{array}{c}{e}^2=\frac{a^2-b^2}{a^2}\\ N=\frac{a}{\sqrt{1-e^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\\ p=\sqrt{x^2+y^2}\end{array}\right.,$ φ、λ、h分别表示大地的纬度、经度、高度，a、b分别为基准椭球体的长半径和短半径，e为椭球偏心率，一般经过3～4次循环迭代后就能结束计算；

步骤四：利用多星接收-单星发射模型或单星接收-多星发射模型分别构成多个相对独立的探测系统，并且确保这几个相对独立的并行探测系统具有共同的探测区域；当目标出现在共同的探测区域时，经过步骤一、二、三会得到多组不同的目标真实点物理坐标和虚点物理坐标；由于目标的真实位置只有一个，多组探测结果得到的真实目标点的经纬度坐标会发生重叠，这样就能通过将多星探测结果进行联合处理，从多个目标定位结果中剔除虚点的影响，从而确定目标的真实物理坐标。