CN104765032B - 岸基阵列gnss反射信号潮汐与多波浪参数综合探测系统 - Google Patents

Abstract

一种岸基阵列GNSS反射信号潮汐与多波浪参数综合探测系统，其特征在于包括天线单元，GNSS中频信号采集模块，直射信号处理模块，反射信号处理模块，潮汐和波浪参数反演模块，数据存储、输出与显示模块，所述的潮汐和波浪参数反演模块包括潮汐高度计算模块，波向反演模块，有效波高和平均波周期反演模块。本发明克服了现有GNSS卫星反射信号探测技术只用一个LHCP天线且仅能探测有效波高一个参数的不足，利用阵列天线接收的多个阵列GNSS反射信号特征能够同时探测波向、平均波周期和潮汐高度三个参数，扩展了观测要素，且具有成本低，结构简单轻便，测量结果可靠，可移动性和适应性强的优点，为海洋环境监测提供了有效手段。

Description

岸基阵列GNSS反射信号潮汐与多波浪参数综合探测系统

技术领域

本发明涉及微弱全球导航卫星系统(GNSS)信号处理、电波传播、海洋环境监测及海洋动力学领域，尤其涉及一种基于阵列GNSS海面反射信号特征的用于岸基潮汐高度和波浪有效波高、平均波周期和波向的综合探测系统——岸基阵列GNSS反射信号的潮汐和多波浪参数综合探测系统。

背景技术

随着科技的发展以及国际形势的变化，世界各国，尤其是沿海国家已经将海洋经济、海洋科技和海洋装备等领域的发展提升为国家级战略的高度，我国也同样将海洋领域提升到一个前所未有的高度，“一带一路”战略的实施、“中国制造”向“中国创造”的转变以及走向深蓝海等多个方面的发展，都需要海洋环境探测技术的支持和保障。岸边潮汐高度和波浪参数的长期监测是海洋环境监测不可缺少的重要组成内容。

当前，岸边潮汐高度主要是利用建设验潮井的方式进行监测；波浪则主要是利用投放近岸海洋浮标进行监测。这两种传统方式虽然都能够对潮汐和波浪进行观测，但在观测站位的选择上要求较高，受地理环境的约束，且建设成本和维护成本都很高，不利于岸边潮汐和波浪的加密观测。

利用一个指向海面的左旋圆极化(LHCP)天线接收的海面反射的GNSS卫星信号特征遥感反演海面参数是一种上世纪90年代提出的被动探测技术。目前，已经有用该技术遥感观测有效波高参数的资料，但还未见波向和平均波周期以及潮汐高度观测的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种岸基阵列GNSS反射信号的潮汐和多波浪参数综合探测系统，可用于岸基情况下，利用阵列天线接收的阵列GNSS海面反射信号特征同时探测潮汐高度和多波浪参数，降低自然环境对岸边潮汐与波浪观测站点的限制，填补我国岸基情况下潮汐和多波浪参数综合观测技术的空白，为我国海洋环境监测及科学研究等提供有效手段，为海洋气象预报提供重要的参数支撑。

一种岸基阵列GNSS反射信号潮汐与多波浪参数综合探测系统，其特征在于包括天线单元，GNSS中频信号采集模块，直射信号处理模块，反射信号处理模块，潮汐和波浪参数反演模块，数据存储、输出与显示模块，所述的潮汐和 波浪参数反演模块包括潮汐高度计算模块，波向反演模块，有效波高和平均波周期反演模块；

所述天线单元，用于接收GNSS卫星发射的信号，包括一个右旋圆极化(RHCP)天线、两个或以上的左旋圆极化(LHCP)天线和天线支架，所述的RHCP天线用于接收从卫星直接传播过来的信号，称为直射信号；LHCP天线用于接收被海面反射的信号，称为反射信号；所述的RHCP天线朝向天顶方向，其中一个LHCP天线与RHCP天线朝向相反，并指向海面，其它LHCP天线以不同的仰角指向海面；

所述GNSS中频信号采集模块具有的采集通道的数量与所述天线单元的天线个数相同，用于采集经天线单元传输过来的GNSS卫星信号，并进行下变频至中频，并进行编码后输出；

所述直射信号处理模块，用于处理GNSS中频信号采集模块输出的直射信号，并输出RHCP天线的位置，以及卫星的位置、速度、方位角、仰角、卫星信号的多普勒频移、码序列、载波相位和信号功率复数场参数，从而为反射信号处理模块及波向反演模块、有效波高和平均波周期反演模块提供辅助参数；

所述反射信号处理模块，用于根据直射信号处理模块提供的多普勒频移和码序列参数对反射信号在码延迟域和多普勒频移域进行处理，得到反射信号的延迟多普勒功率矩阵DDM_m；

所述潮汐高度计算模块，根据反射信号相对于直射信号的时间延迟，来实时计算LHCP天线到海面的高度，进而综合参考海拔高度点，换算出海面的潮汐高度；

所述波向反演模块，根据卫星的方位角和不同海面粗糙度对GNSS反射信号延迟多普勒功率矩阵的不同影响，反演出海面粗糙度在不同方位上的变化特性，据此得到波向参数；

所述有效波高和平均波周期反演模块53，根据反射信号和直射信号复相干场与有效波高和平均波周期的映射关系，同时反演出有效波高和平均波周期参数；

所述数据存储、输出与显示模块，用于将上述潮汐和波浪参数反演模块得到的潮汐和波浪参数进行存储备份，并输出至指定终端，同时将参数直观的显示出来。

本发明克服了现有GNSS卫星反射信号探测技术只用一个LHCP天线且仅能探测有效波高一个参数的不足，利用阵列天线接收的多个阵列GNSS反射信号特征能够同时探测波向、平均波周期和潮汐高度三个参数，扩展了观测要素， 且具有成本低，结构简单轻便，测量结果可靠，可移动性和适应性强的优点，为海洋环境监测提供了有效手段，对海洋经济、海洋科技和新能源利用等多个领域的发展具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法步骤流程图。

图2为本发明的原理示意图。

其中，A：镜反射点A，B：镜反射点B，C：粗糙海面，

H：天线到海面的高度，h：参考海拔高度点。

图3为本发明的探测系统的结构图。

其中，1.天线单元、2.GNSS中频信号采集模块、3.直射信号处理模块、4.反射信号处理模块、5.潮汐和波浪参数反演模块、51.潮汐高度计算模块、52.波向反演模块、53.有效波高和平均波周期反演模块、6.数据存储、输出与显示模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的岸基阵列GNSS反射信号潮汐和多波浪参数综合探测系统和方法的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。

图2为本发明的原理示意图。通过本发明的天线单元1接收来自GNSS卫星的直射信号和反射信号，然后通过信号采集与数据处理终端输出潮汐高度和波浪的有效波高、平均波周期和波向参数。

如图2和图3所示，一种岸基阵列GNSS反射信号的潮汐和多波浪参数综合探测系统，包括安装在天线支架上的天线单元1，其中天线单元1的RHCP天线指向天顶方向，接收直射信号，图2中所示的LHCP位于同一个平面上，指向海面，接收海面反射的GNSS信号，天线单元1与GNSS中频信号采集模块2相连，GNSS中频信号采集模块2与直射信号处理模块3相连，直射信号处理模块3与反射信号处理模块4相连，反射信号处理模块4将处理结果分别输出给潮汐高度计算模块51、波向反演模块52和有效波高和平均波周期反演模块53，潮汐高度计算模块51、波向反演模块52和有效波高和平均波周期反演模块53将计算和反演的结果输出给数据存储、输出与显示模块6。

岸基阵列GNSS反射信号潮汐和多波浪参数综合探测方法，如图1所示，具体步骤如下：

第一步、配置系统参数，包括设置数据的输出更新率、码延迟范围、多普勒频移范围、参考海拔高度点、天线单元1的增益、方向图、仰角、方位角参数，以及海面粗糙度、有效波高和平均波周期变化范围、及常数a和b的设定；将天线单元安装在岸边固定支架上，所述的RHCP天线朝向天顶方向，其中一个LHCP天线与RHCP天线朝向相反，并指向海面，其它LHCP天线以不同的仰角指向海面；

第二步、GNSS中频信号采集模块2采集天线单元1接收的GNSS直射信号和海面的反射信号的中频信号，并进行编码传输；

第三步、GNSS中频信号采集模块2采集的中频信号首先传给直射信号处理模块3，对直射信号进行捕获、跟踪和定位，给出接收天线的位置、卫星位置、速度、仰角、方位角、载波频率、载波相位、码序列参数，以及卫星信号功率的复数场。

第四步、反射信号处理模块4根据直射信号处理模块3的输出多普勒频移和码序列参数对反射信号进行处理，得到各卫星海面反射信号的延迟多普勒功率数据矩阵，该矩阵包含镜反射信号的载波相位和功率的复数场；

第五步、潮汐高度计算模块51根据反射信号处理模块4输出的镜反射信号的载波相位和直射信号处理模块输出的直射信号的载波相位，计算反射信号相对于直射信号的载波相位差，并转换成反射信号相对于直射信号的路径差，根据这个路径差计算出LHCP天线到海面的高度，根据LHCP天线到参考海拔高度点的距离，推算得出海面的潮汐高度；

第六步、波向反演模块52以理论仿真计算的延迟多普勒功率矩阵和反射信号处理模块4输出的延迟多普勒功率矩阵为参数进行反演，得到海面粗糙度在不同方位上的分布，计算出波向参数。

第七步、有效波高和平均波周期反演模块53将反射信号处理模块4输出的反射信号复数场除以直射信号处理模块3输出的直射信号复数场，得到复相干场序列，对复相干场序列取方差，该方差是有效波高、平均波周期和卫星仰角的函数，根据这种映射关系可以反演出波浪的有效波高和平均波周期两个参数；

第八步、数据存储、输出与显示模块6将潮汐高度计算模块51、波向反演模块52和有效波高和平均波周期反演模块53输出的参数进行存储备份，输出至指定终端，同时将数据直观的显示出来。

所述步骤一中，天线单元1的RHCP天线一个；LHCP天线个数大于等于两个，且其中一个天线必须与RHCP天线朝向相反并指向海面；RHCP天线和LHCP天线都用高精度测量型天线；所述的海面粗糙度、有效波高和平均波周期变化范围、及常数a和b的设定都可以根据观测点的历史观测数据得到。

所述步骤二中，GNSS系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的Galileo系统和我国的BDS系统。本发明的GNSS中频信号采集模块2具备如下特征：具有与所述天线单元1的天线个数相同的采集通道数，因而能够针对每个天线单独采集中频信号；能够采集所有GNSS卫星的不同频段的信号或根据初始参数配置选择一种或多种GNSS系统的频段采集信号。

所述步骤三中，直射信号处理模块3与传统的处理方法不同的是需要输出每颗卫星信号功率的复数场，其它的处理方法及参数的输出基本与传统方法相同。

所述步骤四中，反射信号处理模块4根据直射信号处理模块3给出的卫星信号的多普勒频移和码序列参数，通过对载波频率和码序列的左右滑动，得到不同码延迟和多普勒频移对应的反射信号功率矩阵，称为延迟多普勒功率矩阵。

与现有方法不同的是反射信号处理模块4需要处理得到每个LHCP天线的延迟多普勒功率矩阵，即阵列延迟多普勒功率矩阵；其所需的镜反射信号功率的复数场和镜反射信号的载波相位仅从与RHCP天线对称朝下的LHCP天线接收到的信号中得到，而不是其它LHCP天线的信号。

所述步骤五中，潮汐高度计算模块51根据直射信号处理模块3得到的载波相位和反射信号处理模块4得到的镜反射信号的载波相位，计算出镜反射信号相对于直射信号的路径差，令该路径差用_d表示，令直射信号处理模块3输出的卫星仰角用θ表示，则LHCP天线到海面的高度_h按如下的公式计算：

由于参考海拔高度点已经固定，为h₀，则潮汐高度h_c按如下的公式计算：

h_c＝2h₀-h

所述步骤六中，波向反演模块52尚未见公开文献的报道，在本发明中反演时以正北方向为方位角的0°，并建立正北(y轴正方向)和正东方向(x轴正方向)的基准坐标系，利用接收到的阵列GNSS反射信号和仿真的反射信号反演得到不同方向上的海面粗糙度，然后根据海面粗糙度在方位上的分布，取粗糙度最大的方向作为波浪的波向；

仿真反射信号的延迟多普勒功率矩阵P_r计算公式如下：

其中τ和f_d分别表示反射信号的延迟和多普勒频移，T_i表示反射信号处理的相干积分时间，在步骤一中初始化配置好；表示接收天线的方向图，由选用的天线确定；R₁和R₂分别表示卫星到反射点和反射点到接收天线的距离，由直射信号模块3的输出参数确定；χ(τ,f_d)表示脉冲压缩技术产生的模糊函数，选定GNSS系统后，可以准确确定；σ₀表示为归一化散射截面，与海面粗糙度有关；表示海面反射点矢量；d²ρ表示海面反射面积；

上述反演的方法用多参数优化反演算法，可以选用遗传算法、粒子群优化算法、蚁群算法等已有的优化算法。本发明中上述反演方法采用的目标函数objfun按如下公式计算：

其中DDM_m为反射信号处理模块4输出的延迟多普勒功率矩阵，DDM_r为理论仿真计算的延迟多普勒功率矩阵，维数均为M行×N列；

通过反演，每个LHCP天线可以获得x‐y基准坐标系中两个相互正交的海面粗糙度的点，若有D个LHCP天线，则可以获得2D个相互正交的海面粗糙度点，根据矢量合成与分解可以得到海面粗糙度最大的方向，该方向即为波向。

所述步骤七中，有效波高和平均波周期反演模块53中，与现有技术通过线性关系只能得到有效波高一个参数不同，本发明改进了该技术，利用非线性关系和步骤六中的多参数优化反演算法可以同时得到有效波高(SWH)和平均波周期(MWP)两个参数；

将反射信号处理模块4得到的反射信号功率复数场除以直射信号处理模块3得到的直射信号功率复数场，得到复相干场序列，对复相干场序列取模值，并计算方差，令该方差为τ_F，则按如下模型反演有效波高和平均波周期：

其中π为圆周率常数；λ为GNSS卫星信号载波的波长，可以从官方公开文献中查到确定；θ为卫星仰角，由直射信号处理模块3确定；a和b为常数，通常取a＝0.07和b＝0.12，有历史观测数据的地区，则应根据历史数据得到；

利用步骤六中的多参数优化反演算法，取与τ_F之间误差最小时对应SWH和MWP作为反演输出；假设有K颗卫星可以用于反演SWH和MWP，则可以反演得到K个SWH和MWP值，取均值作为最终的反演输出：

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种岸基阵列GNSS反射信号潮汐与多波浪参数综合探测系统，其特征在于包括天线单元(1)，GNSS中频信号采集模块(2)，直射信号处理模块(3)，反射信号处理模块(4)，潮汐和波浪参数反演模块(5)，数据存储、输出与显示模块(6)，所述的潮汐和波浪参数反演模块(5)包括潮汐高度计算模块(51)，波向反演模块(52)，有效波高和平均波周期反演模块(53)；

所述天线单元(1)，用于接收GNSS卫星发射的信号，包括一个右旋圆极化天线—RHCP天线、两个或以上的左旋圆极化天线—LHCP天线和天线支架，所述的RHCP天线用于接收从卫星直接传播过来的信号，称为直射信号；LHCP天线用于接收被海面反射的信号，称为反射信号；所述的RHCP天线朝向天顶方向，其中一个LHCP天线与RHCP天线朝向相反，并指向海面，其它LHCP天线以不同的仰角指向海面；

所述GNSS中频信号采集模块(2)具有的采集通道的数量与所述天线单元(1)的天线个数相同，用于采集经天线单元(1)传输过来的GNSS卫星信号，并进行下变频至中频，并进行编码后输出；

所述直射信号处理模块(3)，用于处理GNSS中频信号采集模块(2)输出的直射信号，并输出RHCP天线的位置，以及卫星的位置、速度、方位角、仰角、卫星信号的多普勒频移、码序列、载波相位和信号功率复数场参数，从而为反射信号处理模块(4)及波向反演模块(52)、有效波高和平均波周期反演模块(53)提供辅助参数；

所述反射信号处理模块(4)，用于根据直射信号处理模块(3)提供的多普勒频移和码序列参数对反射信号在码延迟域和多普勒频移域进行处理，得到反射信号的延迟多普勒功率矩阵DDM_m；

所述潮汐高度计算模块(51)，根据反射信号相对于直射信号的时间延迟，来实时计算LHCP天线到海面的高度，进而综合参考海拔高度点，换算出海面的潮汐高度；

所述波向反演模块(52)，根据卫星的方位角和不同海面粗糙度对GNSS反射信号延迟多普勒功率矩阵的不同影响，反演出海面粗糙度在不同方位上的变化特性，据此得到波向参数；

所述有效波高和平均波周期反演模块(53)，根据反射信号和直射信号复相干场与有效波高和平均波周期的映射关系，同时反演出有效波高和平均波周期参数；

所述数据存储、输出与显示模块(6)，用于将上述潮汐和波浪参 数反演模块(5)得到的潮汐和波浪参数进行存储备份，并输出至指定终端，同时将参数直观的显示出来。

2.利用权利要求1所述的系统进行潮汐和多波浪参数综合探测的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、配置系统参数，包括设置数据的输出更新率、码延迟范围、多普勒频移范围、参考海拔高度点、天线单元(1)的增益、方向图、仰角、方位角参数，以及海面粗糙度、有效波高和平均波周期变化范围、及常数a和b的设定；将天线单元安装在岸边固定支架上，所述的RHCP天线朝向天顶方向，其中一个LHCP天线与RHCP天线朝向相反，并指向海面，其它LHCP天线以不同的仰角指向海面；

第二步、GNSS中频信号采集模块(2)采集天线单元(1)接收的GNSS直射信号和海面的反射信号的中频信号，并进行编码传输；

第三步、GNSS中频信号采集模块(2)采集的中频信号首先传给直射信号处理模块(3)，对直射信号进行捕获、跟踪和定位，给出接收天线的位置、卫星位置、速度、仰角、方位角、载波频率、载波相位、码序列参数，以及卫星信号功率的复数场；

第四步、反射信号处理模块(4)根据直射信号处理模块(3)输出的多普勒频移和码序列参数对反射信号进行处理，得到各卫星海面反射信号的延迟多普勒功率矩阵，该矩阵包含镜反射信号的载波相位和功率的复数场；

第五步、潮汐高度计算模块(51)根据反射信号处理模块(4)输出的镜反射信号的载波相位和直射信号处理模块输出的直射信号的载波相位，计算反射信号相对于直射信号的载波相位差，并转换成反射信号相对于直射信号的路径差，根据这个路径差计算出LHCP天线到海面的高度，根据LHCP天线到参考海拔高度点的距离，推算得出海面的潮汐高度；

第六步、波向反演模块(52)以理论仿真计算的延迟多普勒功率矩阵和反射信号处理模块(4)输出的延迟多普勒功率矩阵为参数进行反演，得到海面粗糙度在不同方位上的分布，计算出波向参数；

第七步、有效波高和平均波周期反演模块(53)将反射信号处理模块(4)输出的反射信号复数场除以直射信号处理模块(3)输出的直射信号复数场，得到复相干场序列，对复相干场序列取方差，该方差是有效波高、平均波周期和卫星仰角的函数，根据这种映射关系可以反演出波浪的有效波高和平均波周期两个参数；

第八步、数据存储、输出与显示模块(6)将潮汐高度计算模块51、波向反演模块(52)和有效波高和平均波周期反演模块(53)输出的参数进行存储备份，输出至指定终端，同时将数据直观的显示出来。

3.如权利要求2所述的综合探测方法，其特征在于所述的海面粗糙度、有效波高和平均波周期变化范围、及常数a和b的设定都可以根据观测点的历史观测数据得到。

4.如权利要求2所述的综合探测方法，其特征在于所述第二步中，GNSS系统包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的Galileo系统和我国的BDS系统。

5.如权利要求2所述的综合探测方法，其特征在于所述第四步中，反射信号处理模块(4)根据直射信号处理模块(3)给出的卫星信号的多普勒频移和码序列参数，通过对载波频率和码序列的左右滑动，得到不同码延迟和多普勒频移对应的反射信号功率矩阵，称为延迟多普勒功率矩阵。

6.如权利要求2所述的综合探测方法，其特征在于所述第五步中，潮汐高度计算模块(51)根据直射信号处理模块(3)得到的载波相位和反射信号处理模块(4)得到的镜反射信号的载波相位，计算出镜反射信号相对于直射信号的路径差，令该路径差用d表示，令直射信号处理模块(3)输出的卫星仰角用θ表示，则LHCP天线到海面的高度h按如下的公式计算：

由于参考海拔高度点已经固定，为h₀，则潮汐高度h_c按如下的公式计算：

h_c＝2h₀-h。

7.如权利要求2所述的综合探测方法，其特征在于所述第六步中，波向反演模块(52)的反演是以正北方向为方位角的0°，并建立正北和正东方向的基准坐标系，其中正北方向为y轴正方向，正东方向为x轴正方向；利用接收到的阵列GNSS反射信号和仿真的反射信号反演得到不同方向上的海面粗糙度，然后根据海面粗糙度在方 位上的分布，取粗糙度最大的方向作为波浪的波向；

仿真反射信号的延迟多普勒功率矩阵DDM_r计算公式如下：

其中τ和f_d分别表示反射信号的延迟和多普勒频移，T_i表示反射信号处理的相干积分时间，在步骤一中初始化配置好；表示接收天线的方向图，由选用的天线确定；R₁和R₂分别表示卫星到反射点和反射点到接收天线的距离，由直射信号模块(3)的输出参数确定；χ(τ,f_d)表示脉冲压缩技术产生的模糊函数，选定GNSS系统后，可以准确确定；σ₀表示为归一化散射截面，与海面粗糙度有关；表示海面反射点矢量；d²ρ表示海面反射面积。

8.如权利要求7所述的综合探测方法，其特征在于上述反演的方法用多参数优化反演算法，包括遗传算法、粒子群优化算法、蚁群算法在内的已有的优化算法。

9.如权利要求8所述的综合探测方法，其特征在于在上述反演方法中采用的目标函数objfun按如下公式计算：

其中DDM_m为反射信号处理模块(4)输出的延迟多普勒功率矩阵，DDM_r为理论仿真计算的延迟多普勒功率矩阵，维数均为M行×N列；

通过反演，每个LHCP天线可以获得x‐y基准坐标系中两个相互正交的海面粗糙度的点，若有D个LHCP天线，则可以获得2D个相互正交的海面粗糙度点，根据矢量合成与分解可以得到海面粗糙度最大的方向，该方向即为波向。

10.如权利要求2所述的综合探测方法，其特征在于所述第七步中，有效波高和平均波周期反演模块(53)中，利用非线性关系和步骤六中的多参数优化反演算法可以同时得到有效波高(SWH)和平均波周期(MWP)两个参数；

将反射信号处理模块(4)得到的反射信号功率复数场除以直射信号处理模块(3)得到的直射信号功率复数场，得到复相干场序列，对复相干场序列取模值，并计算方差，令该方差为τ_F，则按如下模型反演有效波高和平均波周期：

其中π为圆周率常数；λ为GNSS卫星信号载波的波长，可以从官方公开文献中查到确定；θ为卫星仰角，由直射信号处理模块(3)确定；a和b为常数，通常取a＝0.07和b＝0.12，有历史观测数据的地区，则应根据历史数据得到；

利用步骤六中的多参数优化反演算法，取与τ_F之间误差最小时对应SWH和MWP作为反演输出；假设有K颗卫星可以用于反演SWH和MWP，则可以反演得到K个SWH和MWP值，取均值作为最终的反演输出：