CN105241431B - 基于gnss反射信号探测海洋参数的一体工控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置，其特征在于包括，接收信号天线组(1)、太阳能供电单元(2)，信号与信息处理一体工控机(3)，接收信号天线组(1)接收导航卫星发射的直射信号和由海面反射的反射信号；信号与信息处理一体工控机(3)对直射信号和反射信号进行相关运算并反演得到海洋参数，信号与信息处理一体工控机(3)具有信息传输模块(35)，通过信息传输模块(35)实时的将反演的海洋参数传输到远程控制端存储。

Description

基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置

技术领域

本发明涉及一种基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置，具体地说，是指首先通过一个右旋天线和左旋天线接收GNSS直射、经海洋反射的信号；然后通过射频、基带处理得到GNSS直射、反射信号复数相关值，并利用复数相关值进行海洋参数的反演。

背景技术

利用GNSS(Global Navigation Satellite System)反射信号进行海洋参数的反演是海洋遥感领域的新型手段之一，是一种无源被动式探测方式，具有设备重量轻，体积小等优势，在进二十年，得到了国内外学者的广泛关注。该技术基本机理是导航信号在经历海洋反射时，信号特征发生改变，通过接收、处理装置提取被海面改变的信号特征进行海洋参数反演。

GNSS反射信号的接收、处理装置是GNSS反射信号技术的关键技术之一，根据配置平台以及探测环境的不同，可分为陆基、岸基、机载和星载装置，不同的装置，具有不同设计要求和标准。就目前国内GNSS反射信号的海洋探测而言，岸基装置应用最为成熟和广泛，尤其是利用北斗GEO反射信号的海洋参数探测。

但是，已有装置有以下不足：1)安装环境局限于观测站，对于远海岸或无人岛屿的恶劣野外环境不支持；2)反演数据局限于现场存储和显示，对于数据的远程传输和存储不支持；3)装置控制局限于现场控制，对于远程控制不支持。

基于上述的不足，开发和研制一套支持野外环境安装、远程数据传输存储以及远程控制的GNSS反射信号海洋参数探测系统显得非常必要，对国内远海岸或无人岛屿的海洋观测具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置，其特征在于包括，接收信号天线组(1)、太阳能供电单元(2)，信号与信息处理一体工控机(3)，接收信号天线组(1)接收导航卫星发射的直射信号和由海面反射的反射信号；信号与信息处理一体工控机(3)对直射信号和反射信号进行相关运算反演海洋参数，信号与信息处理一体工控机(3)具有信息传输模块(35)，通过信息传输模块(35)实时的将反演的海洋参数传输到远程控制端存储。

该系统采用一体化设计结构，具有良好的封闭性，支持远距离数据传输，适于野外恶劣环境的观测，为不易建站的边缘海岸和岛屿观测提供了便利。

附图说明

附图1为基于GNSS反射信号探测海洋参数一体化工控装置的系统组成架构图；

附图2为信号与信息处理一体工控机的组成架构图；

附图3为基带信号处理母板布局图；

附图4为FPGA+DSP基带处理单元框图；

附图5为FPGA运算器中的相关器实现方式框图；

附图6为工业计算机的信息处理框图；

附图7为短波通讯板卡远程数据传输时的流程图；

附图8为远程控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式做出详细说明。

图1为基于GNSS反射信号探测海洋参数一体化工控装置(以下简称装置)的系统组成架构图。如图1所示，本实施方式的装置包括一个接收信号天线组1，一个太阳能供电单元2，一个信号与信息处理一体工控机3，一个短波通讯天线4。

接收信号天线组1、太阳能供电单元2、信号与信息处理一体工控机3、短波通讯天线4构成本实施方式的装置，设置在远海岸或无人岛屿上。接收信号天线组1接收GPS和北斗的直射信号和由海面反射的反射信号；信号与信息处理一体工控机3对直射信号和反射信号进行相关运算并反演得到海洋参数，并通过短波通讯天线4将海洋参数传输到控制终端(未图示)。短波通讯天线4既是发射天线又是接收天线，在接收到控制终端发出的控制信号时，信号与信息处理一体工控机3执行控制终端的远程控制。

接收信号天线组1包括一个支持GPS L1和北斗B1双频点的右旋天线11，一个支持GPS L1和北斗B1双频点的左旋天线12，一个天线架13。右旋天线11接收GNSS直射信号，将电磁信号转换为电压信号；左旋天线12接收GNSS海洋反射信号，将电磁信号转换为电压信号；天线架13将右旋天线11固定在其顶部并指向天顶方向，将左旋天线12固定其顶部以下一段距离(距离可调)并指向海洋方向(方向可调)。接收信号天线组1通过信号电缆与信号与信息处理一体工控机3连接，接收到的直射信号和反射信号由信号电缆输入到信号与信息处理一体工控机3。

太阳能供电单元2包括一个太阳能电池板21，一个控制器22，一个蓄电池23。太阳能电池板21固定在天线架13中部，指向太阳照射方向，接收太阳能并将其转换为电能；控制器22控制整个太阳能供电单元2的工作状态和蓄电池23的过充电保护；在阳光充足时，太阳能电池板21一边对信号与信息处理一体工控机3供电，一边对蓄电池23充电，由蓄电池23将多余的电能存储，在无阳光或阳光不足时，由蓄电池23为整个装置供电。

附图2为信号与信息处理一体工控机的组成架构图，包括两个功分器31(31a、31b)、一个射频子板32、一个基带处理母板33、一个工业计算机34、一个短波通讯板卡35。信号与信息处理一体工控机3采用一体化结构，各个组成部分封装于一个工控机箱内，具有良好的封闭性(防水、防尘)和轻巧性，适合安装在恶劣的野外环境。

信号与信息处理一体工控机3包括，功分器31a(功分器1)将一路GNSS直射信号分成三路直射信号射频1、射频2以及射频3，功分器31b(功分器2)将一路GNSS反射信号分为两路反射信号射频4和射频5。射频子板32接收两路直射射频2、射频3，两路反射信号射频4、射频5，通过下变频、滤波、自动增益控制、采样以及量化，将一路射频2变为2bit的GPS L1数字中频信号，射频3变为2bi t的北斗B1数字中频信号，一路射频4变为2bit的GPS L1反射数字中频信号，射频5变为2bit的北斗B1反射数字中频信号。射频子板32通过两个2×8pin的插针固定在基带处理母板33上，并与之进行数据通信。

附图3为基带处理母板布局图，包括两个射频底座区338、339、一个UM220导航模块331，一个FPGA+DSP基带处理单元332，一个D型电源接口333，一个串口RS232接口334,一个网口335，一个USB2.0接口336，5个螺丝固定孔337(其中一个未示出)。射频底座区338、339均提供两个2×8pin的插槽，用于固定射频子板32并进行数据交互，其中一个射频底座区为常用，另一个作为备用，在后续系统扩展时应用；UM220导航模块331是一个支持GPS L1和北斗B1双频定位的导航SOC芯片，接收一路直射射频信号进行定位，为整个装置提供位置、时间信息；FPGA+DSP基带处理单元332通过SPI配置管脚对插在射频底座区338、或339插槽中的射频子板32进行配置，将其配置为射频1对应的输出为GPS L1直射数字中频信号，射频3对应的输出为北斗B1直射数字中频信号，射频2对应的输出为GPS L1反射数字中频信号，射频4对应的输出为北斗B1反射数字中频信号，同时，接收射频子板32输出的中频数字流，进行相关运算分别得到GPS L1直射、反射信号，北斗直射、反射信号的复数相关值，整个单元的输入时钟由射频子板32提供；D型电源接口333与太阳能供电单元2连接，为整个基带处理母板提供12V电压；USB2.0接口336连接FPGA+DSP基带处理单元332与工业计算机34，将复数相关值传输给工业计算机34并接收工业计算机34传输的控制信息；网口335作为备用的数据传输扩展接口；5个螺丝固定孔用于将整个基带信号母板固定在工控机箱内。

附图4为FPGA+DSP基带处理单元框图。FPGA+DSP基带处理单元332包括两个SDRAM缓存a、b，一个FPGA运算器c，一个DSP控制器d，一个FLASH存储器e，一个数据传输控制f。两个SDRAM缓存a、b对射频子板32输出的中频数据流进行缓存，采用交替存取模式，即SDRAM1进行中频数据存操作时，SDRAM2进行中频数据的写操作，交替时间为1ms，存取操作通过FPGA的IP核实现；FPGA运算器c由一系列相关器组成，主要完成四路数字中频信号与本地信号的相关运算，在实现方式上，为了节省硬件资源，一方面采用时分复用模式，即通过FPGA的IP核提高FPGA的运算主频到输入时钟频率的10倍，在不同的处理周期内，将四路数字中频信号与不同码相位或频率的本地信号进行相关运算，另一方面用与或运算代替乘法运算。

附图5为FPGA运算器中的相关器实现框图，包括一个符号判决模块h，一个幅度判决模块i，一个编译器(编码)j，一个累加器k。符号判决模块h通过本地载波符号位、本地码以及中频数据符号位判断乘法运算后数据的符号位，是一个连续异或运算的过程，即本地载波符号位⊕本地码⊕中频数据符号位，其中，⊕表示异或符号，具体映射关系为:

幅度判决模块i是根据本地载波幅度位和中频数据符号位判断乘法运算结果的幅度位，通过位拼接运算实现，即幅度位＝{本地载波幅度位中频数据符号位}；编译器j是将符号判决模块h和幅度判决模块i的输出编译为有符号数，具体映射关系为：

累加器k将1ms的乘法结果进行累加，得到最后的相关运算结果。

在附图4中，DSP控制器d首先根据工业计算机34传输的控制信息判断需要处理的卫星信号，对FPGA相关器进行配置，使相关器内产生的本地码为相应卫星的码，其次对GNSS直射、反射信号的相关运算进行控制，实现不同处理目的，即实现直射信号的捕获和闭环跟踪，得到精确的直射信号码相位和载波多普勒频率，实现反射信号的开环跟踪，得到一维时延复数相关值，其与FPGA运算器c通过32bitEMIF(External Memory Interface)连接。FLASH存储器e用于存储DSP控制器d的运行程序，与DSP控制器d通过8bitEMIF连接。数据传输控制f用于控制FPGA运算器c和工业计算机34之间的数据交互，一方面FPGA运算器c通过数据传输控制f将复数相关值上传到工业计算机34进行后续的信息处理，另一方面工业计算机34将控制信息下传给FPGA运算器c，并在DSP控制器d内产生控制FPGA运算器c的控制指令。在本实施方式中，工业计算机34中的控制信息包含运行程序时产生的控制信息、由工业计算机面板上触摸屏V输入的现场控制信息、由短波通讯输入的控制数据流(远程控制信息)。

工业计算机34采用现有的工业计算机，即采用总线结构对基带处理母板33和短波通讯板卡35进行控制，具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作系统、人机界面、控制网络和协议。机壳采用全钢机壳、机卡压条过滤网具有抗震、防尘、耐高/低温、湿度等性能，适合于边缘海岸和岛屿等野外恶劣环境的使用。基带处理母板中的USB2.0接口336、串口RS232分别通过数据线与工业计算机34的接口连接，短波通讯板卡35插在工业计算机34中的卡槽中。两个功分器31(31a、31b)、射频子板32、基带处理母板33也可设置在工业计算机34的机壳内。

附图6为工业计算机中与本发明相关部分的信息处理框图，工业计算机34包括读USB模块m，敏感参数提取模块n，反演模块p，读串口模块q，选星模块r，延时补偿计算模块s，数据打包模块t，控制信息打包模块u。读USB模块m从USB2.0接口336读取FPGA+DSP基带处理单元332中的FPGA运算器c上传的复数相关值；敏感参数提取模块n从复数相关值中提取对海面参数敏感的特征参数；反演模块p是利用敏感参数通过特殊的反演模型得到海洋参数，包括风速、风向、有效波高以及海面高度的反演；读串口模块q是从串口RS232读取UM220导航模块331的NMEA0183格式的导航信息；选星模块r是根据导航信息中的方位角、高度角、载噪比以及天线架设信息进行需处理卫星信号的选择；延时补偿计算模块s是根据搭载平台高度和高度角估计所选择卫星的反射信号相对于直射信号的路径延时；数据打包模块t是将反演结果、导航信息、数据帧头按照一定的数据协议进行打包；控制信息打包模块u是对工业计算机34中产生的控制信息、触摸屏v输入的现场控制信息以及接收到的短波通讯控制数据流按照一定的数据协议进行打包。数据打包模块t打包形成的短波通讯反演数据流由工业计算机3中的短波通讯板卡35调制到后，通过短波通讯天线4发送，由设置远离装置设置地的远端控制端(如信息中心)接收存储。控制信息打包模块u打包形成的控制信息通过USB2.0接口336输入到FPGA+DSP基带处理单元332，在数据传输控制模块f的控制下输入到FPGA运算器c。

控制信息包括使DSP控制器d判断需要处理的卫星信号，对FPGA相关器进行配置，使相关器内产生的本地码为相应卫星的码的信息，对GNSS直射、反射信号的相关运算进行控制的信息。

附图7为短波通讯板卡远程数据传输时的流程图，包括数据包形成检测步骤10，前一时刻数据发送完成检测步骤12，数据包缓存步骤14，数据调制步骤16，发射步骤18组成。数据包形成检测步骤10用于检测数据包是否形成，若没有形成，则继续检测，直至数据包形成。检测到数据包形成后，进入步骤12。

前一时刻数据发送完毕检测步骤12主要用于检测前一时刻的数据包是否发送完毕，若未发送完毕，则在步骤14将当前时刻的数据包进行缓存，等待发送，并继续检测前一时刻数据包发送情况，直至前一时刻数据包发送完毕。前一时刻数据包发送完毕后，进入步骤16。

数据调制步骤16是将数据包调制在便于发送的短波上，形成发送电压信号。发送步骤18是通过短波通讯天线4将要发送的电压信号转换为电磁波信号发送入空间信道进行数据传输。

附图8为远程控制流程图，包括远程控制端流程和本地执行端流程两部分。远程控制端包括指令输入，指令形成，调制，发送组成。指令输入步骤20是根据控制意愿从控制界面输入控制指令。指令形成步骤是将输入的根据编码原则将指令编译为数字信息。调制步骤24是将编译后的指令信息调制在短波上，形成发送指令的电压信号。发送步骤26是用短波通讯天线将要发送的电压信号转换为电磁波信号并发送至空间信道进行传输。

本地执行端包括接收，解调，指令解析，指令执行组成。接收步骤28是将发送来的电磁波用短波通讯天线4转换为电压信号。解调步骤30是由短波通讯板卡35将电压信号去载波调制，提取有用的指令信息。指令解析步骤32是将指令信息解析为具体的指令。指令执行步骤34是根据具体指令完成相应的控制任务，如，使DSP控制器d判断需要处理的卫星信号，对FPGA相关器进行配置，使相关器内产生的本地码为相应卫星的码的信息，对GNSS直射、反射信号的相关运算进行控制等。

以上通过实施方式对本发明进行了说明，由实施方式可知，本发明中，不仅能够将装置设置在没有电源等不易建站的边缘海岸和岛屿，还支持远距离数据传输，为数据的采集的提供了便利。在数据传输上由于采用打包完成后马上发送的方式，不需要为存储数据设置存储器，不仅降低了成本，还能实时的获得海面信息。

并且由于支持远程控制，随时可以对装置进行控制，减少了在现场的工作量，提高了使用方便性。

尤其是本发明中，基带处理母板33后的处理采用能够利用工业计算机处理的方式，使工业计算机的利用成为可能。工业计算机的利用不仅降低了装置的成本，其高可靠性也保证了在远海岸或无人岛屿进行海洋观测能够持久进行，降低了维护成本。

由于敏感参数的提取和选星由工业计算机34进行，本发明的装置不仅能够现场和远程控制，能够适用于各种不同的反演模型和选星。与只能处理特定的反演模型以及选星的专用装置相比，使用更加灵活方便，尤其适合于在远海岸或无人岛屿进行海洋观测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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，如实施方式中，信息的传输采用短波通信，但也可以使用4G等其他通讯网络；导航系统利用了GPS和北斗，但也可以利用任何能够在海面产生反射信号的导航系统，这种变形均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置，其特征在于包括，接收信号天线组(1)、太阳能供电单元(2)，信号与信息处理一体工控机(3)，接收信号天线组(1)接收导航卫星发射的直射信号和由海面反射的反射信号；信号与信息处理一体工控机(3)对直射信号和反射信号进行相关运算反演海洋参数，信号与信息处理一体工控机(3)具有信息传输模块，通过信息传输模块实时的将反演的海洋参数传输到远程控制端存储；

所述信息传输模块具有接收控制信息的功能，

所述信号与信息处理一体工控机(3)包括两个功分器(31a、31b)、射频子板(32)、基带处理母板(33)、工业计算机(34)、短波通讯板卡(35)，

所述功分器(31a)将一路GNSS直射信号分成三路直射信号射频1、射频2以及射频3，所述功分器(31b)将一路GNSS反射信号分为两路反射信号射频4和射频5，所述射频子板(32)接收两路直射射频2、射频3，两路反射信号射频4、射频5，通过下变频、滤波、自动增益控制、采样以及量化，得到四路数字中频信号，

所述基带处理母板(33)包括射频底座区(338、339)，UM220导航模块(331)，FPGA+DSP基带处理单元(332)，D型电源接口(333)，串口RS232接口(334),网口(335)，USB接口(336)，所述射频底座区(338、339)用于固定射频子板(32)并进行数据交互，所述UM220导航模块(331)接收一路直射射频信号进行定位，为整个装置提供位置、时间信息，所述FPGA+DSP基带处理单元(332)进行相关运算分别得到GPSL1直射、反射信号，北斗直射、反射信号的复数相关值，包括两个SDRAM缓存(a、b)，FPGA运算器(c)，DSP控制器(d)，FLASH存储器(e)，数据传输控制(f)，所述FPGA运算器(c)由一系列相关器组成，完成所述四路数字中频信号与本地信号的相关运算，所述D型电源接口(333)与太阳能供电单元(2)连接，为整个基带处理母板提供12V电压，所述USB接口(336)连接FPGA+DSP基带处理单元(332)与工业计算机(34)，将复数相关值传输给工业计算机(34)并接收工业计算机(34)传输的控制信息，所述网口(335)作为备用的数据传输扩展接口，

所述工业计算机(34)采用总线结构，对所述基带处理母板(33)和所述短波通讯板卡(35)进行控制，包括读USB模块(m),敏感参数提取模块(n)，反演模块(p)，读串口模块(q)，选星模块(r)，延时补偿计算模块(s)，数据打包模块(t)，控制信息打包模块(u)，所述敏感参数提取模块(n)从所述复数相关值中提取对海面参数敏感的特征参数，所述反演模块(p)利用敏感参数通过反演模型得到海洋参数，所述选星模块(r)根据导航信息中的方位角、高度角、载噪比以及天线架设信息进行需处理卫星信号的选择，所述数据打包模块(t)将反演结果、导航信息、数据帧头按照一定的数据协议进行打包，所述控制信息打包模块(u)对所述工业计算机(34)中产生的控制信息、触摸屏(v)输入的现场控制信息以及接收到的控制数据流按照一定的数据协议进行打包，数据打包模块(t)打包形成的反演数据流通过所述短波通讯板卡(35)传输到所述远程控制端接收存储，所述控制信息打包模块(u)打包形成的控制信息传输到所述基带处理单元(332)，所述基带处理单元(332)中的所述DSP控制器(d)根据所述控制信息判断需要处理的卫星信号，对所述FPGA相关器进行配置，使相关器内产生的本地码为相应卫星的码的信息，对GNSS直射、反射信号的相关运算进行控制，实现直射信号的捕获和闭环跟踪，得到精确的直射信号码相位和载波多普勒频率，实现反射信号的开环跟踪，得到一维时延复数相关值。

2.根据权利要求1所述的基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置，其特征在于，还包括短波通讯天线(4)，通讯板卡(35)为短波通讯板卡。

3.根据权利要求1所述的基于GNSS反射信号探测海洋参数的一体工控装置，其特征在于，FPGA运算器中的相关器，包括符号判决模块(h)，幅度判决模块(i)，编译器(j)，累加器(k)，符号判决模块(h)通过本地载波符号位、本地码以及中频数据符号位判断乘法运算后数据的符号位，

幅度判决模块(i)根据本地载波幅度位和中频数据符号位判断乘法运算结果的幅度位，通过位拼接运算实现；编译器(j)将符号判决模块(h)和幅度判决模块(i)的输出编译为有符号数，

累加器(k)将1ms的乘法结果进行累加，得到最后的相关运算结果。