CN105182308A - 一种机载gnss海洋反射信号的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法，GNSS接收机接收到的海面反射信号是许多条具有不同时延反射信号的叠加。因此，海面反射信号的时延相关曲线就是由许多个不同时延反射信号的相关曲线叠加而成的。根据这一原理，可假设有n条等时延间隔的反射信号，运用近似拟合的方法，求得其各自的幅值，进而得到其相对于直射信号的功率。再求出n条反射信号相对于直射信号的时延，反射信号的多普勒频率可直接用直射信号的多普勒频率。这样就可以通过时延、多普勒频率、功率进行GNSS海洋反射信号的生成。该方法对复杂的海面反射信号用近似拟合的方法进行简化，使得反射信号的模拟切实可行，为GNSS反射信号模拟器的研制奠定了基础。

Description

一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法

技术领域

本发明涉及一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法，属于GNSS-R技术领域。

背景技术

GNSS-R技术是一种新兴的遥感技术，它是在GNSS系统得到广泛应用的基础上发展起来，主要利用GNSS系统提供的信号源，通过其反射信号来探测海面风场、海面高度、有效波高、海水盐度、土壤湿度等地球物理参数，并进行相应的反演。与其他海洋遥感技术相比，GNSS-R具有高时间和空间分辨率、低成本、信号源丰富、高机动性等优点，与其他探测手段优势互补，可以增加海洋探测手段的多样性，弥补局部探测手段不足的状况。因此，GNSS-R技术在海洋环境监测中具有重要的应用前景。

目前，国内外在反射信号建模和应用及专用接收机研制方面取得了大量的成果，并开展了大量的试验，包括机载、气球、星载试验以及岸基试验，其中以机载试验居多。由于GNSS-R的试验通常需要对测试场景有苛刻的要求，需要耗费大量的人力物力才能进行。而且，由于受到气候的影响，海情海面的不同，使得试验可重复性非常差。因此，需研制一套可用于实验室测试的GNSS-R海洋反射信号模拟系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法，为GNSS反射信号模拟器的研制提供保障。

本发明的一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法，包括以下几个步骤：

(1)通过ZV模型得到GNSS海洋反射信号的相关功率曲线，以直射信号作归一化处理，再开方得到归一化的反射信号相关曲线。

(2)对归一化的反射信号相关曲线进行近似计算，得到n个等间隔时延的反射信号幅值的数学解。

(3)对n个反射信号幅值的数学解进行拟合，求得双指数函数的待定系数。

(4)根据拟合函数和直射信号的功率，就可求得n条不同时延反射信号的功率。

(5)计算镜点反射信号相对于直射信号的时延，则可知道n条反射信号相对于直射信号的时延。忽略反射信号多普勒频率的影响，则可设n条反射信号的多普勒频率与直射信号的多普勒频率相同。这样，就得到了生成n条反射信号所需的时延、多普勒频率、功率3个参数。

本发明的优点在于：

采用近似拟合的方法对GNSS信号经过海面反射的复杂现象进行了简化，模拟适当数量的反射信号，既能反映出海洋风场的特性，又易于工程实现。

附图说明

图1是GNSS海洋反射信号模拟的流程图。

图2是归一化的反射信号相关曲线图。

图3是等时延反射信号自相关曲线组成的示意图。

图4是GNSS-R的几何关系图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一、通过ZV模型(Zavorotny和Voronovich建立的海面风场模型)得到GNSS海洋反射信号的相关功率曲线，以直射信号作归一化处理，再开方得到归一化的反射信号相关曲线；

具体为：

(1)设置接收机和卫星的基本参数。

在设置参数前，选择本地散射坐标系，即设镜面反射点为坐标系的原点，导航卫星、接收机和镜面反射点在一个平面内。关于接收机的参数是：接收机高度、接收机速度矢量，关于导航卫星的参数是：卫星高度、卫星速度矢量、卫星高度角、卫星信号功率。

(2)设置海洋相关参数。

GNSS导航信号经过海面反射后，反射信号承载了海面特性的特性信息，而海面特性与海洋参数是相关联的。关于海洋的主要参数有：海面风速、风向、海温、盐度、介电常数。(3)计算ZV模型时延一维相关功率曲线。

海面反射信号的时延—多普勒二维相关功率形式如下：

其中，T_i是相干积分时间；D为接收机天线的增益；Λ是GPS伪随机码的自相关函数；S为多普勒滤波函数；σ₀为粗糙海面的标准化散射截面；为镜像反射点到平均海面上某一点的向量；R₀，R分别为GPS卫星和接收机到端点的距离。τ为时延，f_c为镜点处的多普勒频率，f_D为不同反射点处的多普勒频率。

海面反射信号相关功率模型为时间延迟τ和多普勒频率f_D两变量的函数，当f_D固定时，为时延一维相关功率曲线。

(4)对时延相关功率曲线归一化。

为了表达结果的相对值，相关功率可以相对于直射信号进行归一化，可表示为

$P_{corrR}/P_{corrD}=<|Y(\mathrm{\&tau;},f_c){|}^2>R_d^2/T_i^2---\left(2\right)$

其中：R_d为GPS卫星到接收机的距离，T_i为是相干积分时间。P_corrR为反射信号的相关功率，P_corrD为直射信号的相关功率。

对归一化的时延相关功率曲线开方，得到反射信号相关曲线，如图2所示。

步骤二、对反射信号相关曲线进行幅值近似计算。

接收机接收到的反射信号是多条具有不同时延反射信号的叠加。忽略多普勒频率的影响，那么反射信号相关曲线就是本地伪码与不同时延信号的相关值。假设接收到的反射信号由时延间隔1/4码片的16条反射信号叠加而成。假设每个码片被采样成16个点，两条反射信号之间的时延差4个采样点。

对归一化的时延相关功率曲线开方，得到反射信号相关曲线。众所周知，CA码自相关曲线是个三角形。那么，16个自相关曲线乘以其相对应的幅值叠加后就是反射信号的相关曲线。图3是反射信号自相关曲线组成的示意图。

图3中线条a被假设为镜面反射点的信号，在第3个采样点处可假设只有镜点信号，通过反射信号相关曲线第3个采样点的相关值与CA码自相关值的比可得到镜点信号的幅值。反射信号相关曲线第7个采样点的值由两条信号的相关值叠加，则第7个采样点的相关值减去第1路信号在该采样点时的相关值，再除以CA码自相关值可得到第2路的幅值。以此类推，可得到16路反射信号的幅值。

步骤三、对反射信号幅值的结果进行拟合。

近似计算得到的结果中可能有负值，因此需要其进行拟合。拟合函数采用双指数的数学模型，其表达式如下：

A＝a×exp(-b·τ)+c×exp(-d·τ)(3)

其中，A表示信号的幅值，τ表示时延。a、b、c和d为待定系数。τ＝0为镜点反射信号的时延。

步骤四、用拟合函数计算反射信号功率。

由于相关功率曲线的归一化因子是直射信号，因此根据拟合公式可得到直射信号幅值为1时的不同时延反射信号幅值。然后根据幅值与功率的关系可以计算得到不同时延反射信号的功率。

假如在步骤一中卫星信号功率设为-158.5dBW(即1.4×10^-16W)，也就是直射信号的功率为1.4×10^-16W，由信号功率和幅值的关系可得直射信号的幅值为1.6×10^-8V。假如τ＝0时，由拟合函数(式3)计算A＝0.25，则反射信号的幅值为1.6×10^-8V*0.25＝4.2×10^-9V，再计算反射信号的功率为9×10^-18W，也即-170dBW。

步骤五、计算镜点反射信号相对于直射信号的时延。

图4反映了GNSS-R反射事件的几何关系，图4中T代表导航卫星，R代表接收机，S为镜面反射点，h_R为接收机平台相对基准水平面的高度，θ为反射信号对应卫星的仰角。

利用GNSS-R反射事件的几何关系可以获取镜点反射信号相对于直射信号的时延值为：

ρ_E＝2h_Rsinθ(4)

然后根据镜点反射信号相对于直射信号的时延，就可以得到各条反射信号相对于直射信号的时延。另外，由于忽略多普勒频率的影响，可假设各条反射信号的多普勒频率与直射信号的多普勒频率相同。这样，就可以得到16条反射信号的时延、多普勒频率、功率3个参数，从而实现机载GNSS海洋反射信号的生成。

Claims (1)

1.一种机载GNSS海洋反射信号的生成方法，包括以下几个步骤：

步骤一、通过ZV模型，得到GNSS海洋反射信号的相关功率曲线，对直射信号作归一化处理，最终得到归一化的反射信号相关曲线；

具体为：

(1)设置接收机和卫星的基本参数；

设置接收机参数：接收机高度、接收机速度矢量；

设置卫星参数：卫星高度、卫星速度矢量、卫星高度角、卫星信号功率；

(2)设置海洋相关参数；

海洋相关参数：海面风速、风向、海温、盐度、介电常数；

(3)计算ZV模型时延一维相关功率曲线；

海面反射信号相关功率模型：

$<|Y(\mathrm{\&tau;},f_D){|}^2>=T_i^2\&Integral;\frac{D^2\left(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&rho;}}\right){\mathrm{\&Lambda;}}^2\&lsqb;\mathrm{\&tau;}-(R_0+R)/c\&rsqb;}{4{\mathrm{\&pi;R}}_0^2{R}^2}\&times;|S\&lsqb;f_D\left(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&rho;}}\right)-f_c\&rsqb;{|}^2{\mathrm{\&sigma;}}_0\left(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&rho;}}\right)d^2\mathrm{\&rho;}---\left(1\right)$

其中，T_i是相干积分时间；D为接收机天线的增益；Λ是GPS伪随机码的自相关函数；S为多普勒滤波函数；σ₀为粗糙海面的标准化散射截面；为镜像反射点到平均海面上某一点的向量；R₀，R分别为GPS卫星和接收机到端点的距离；τ为时延，f_c为镜点处的多普勒频率，f_D为不同反射点处的多普勒频率；

根据海面反射信号相关功率模型，给定f_D，得到时延一维相关功率曲线；

(4)对时延相关功率曲线进行归一化；

对时延相关功率曲线进行归一化：

$P_{corrR}/P_{corrD}=<|Y(\mathrm{\&tau;},f_c){|}^2>R_d^2/T_i^2---\left(2\right)$

其中：R_d为GPS卫星到接收机的距离，T_i为是相干积分时间；P_corrR为反射信号的相关功率，P_corrD为直射信号的相关功率；

对归一化的时延相关功率曲线进行开方，得到反射信号相关曲线；

步骤二、对反射信号相关曲线进行幅值近似计算；

设反射信号相关曲线为本地伪码与不同时延信号的相关值，假设接收到的反射信号由时延间隔1/4码片的16条反射信号叠加而成，每个码片被采样成16个点，两条反射信号之间的时延差4个采样点；

设置镜面反射点的信号，假设在第3个采样点处只有镜点信号，通过反射信号相关曲线第3个采样点的相关值与CA码自相关值的比，得到镜点信号的幅值；反射信号相关曲线第7个采样点的值由两条信号的相关值叠加，则第7个采样点的相关值减去第1路信号在该采样点时的相关值，再除以CA码自相关值，得到第2条的幅值，以此类推，得到16条反射信号的幅值；

步骤三、对反射信号幅值的结果进行拟合；

对反射信号幅值的结果进行拟合，拟合函数为：

A＝a×exp(-b·τ)+c×exp(-d·τ)(3)

其中，A表示信号的幅值，τ表示时延；a、b、c和d为待定系数；τ＝0为镜点反射信号的时延；

步骤四、用拟合函数计算反射信号功率；

根据拟合函数，得到直射信号幅值为1时的不同时延反射信号幅值，根据幅值与功率的关系，计算得到不同时延反射信号的功率；

步骤五、计算镜点反射信号相对于直射信号的时延；

利用GNSS-R反射事件的几何关系，获取镜点反射信号相对于直射信号的时延值为：

ρ_E＝2h_Rsinθ(4)

其中，h_R为接收机平台相对基准水平面的高度，θ为反射信号对应卫星的仰角；

根据镜点反射信号相对于直射信号的时延，得到各条反射信号相对于直射信号的时延，假设各条反射信号的多普勒频率与直射信号的多普勒频率相同，最终，得到16条反射信号的时延、多普勒频率、功率，完成机载GNSS海洋反射信号的生成。