CN105301622B - 一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置，涉及风速探测技术领域，用于解决现有的风速仪不能准确高效地测算出海域定点风速的问题。所述基于导航卫星反射信号的风速探测装置包括风速仪、直射导航卫星信号接收端、反射导航卫星信号接收端和导航卫星反射信号处理机，其中，导航卫星反射信号处理机包括射频处理模块、基带处理模块、风速仪控制模块、反演处理模块、风速显示模块和电源模块，初始输入为导航卫星直射信号、经海面反射的导航卫星反射信号和风速仪测得的风速数据，经由反演处理模块在线完成风速反演模型的建立和修正，实现对海域的风速探测。本发明适用性广、输出的风速数据具有更高的可靠性和准确性。

Description

一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置

技术领域

本发明涉及风速探测技术领域，具体涉及一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置。

背景技术

目前，常见的风速探测仪主要有两种，一种为浮标式风速探测仪，其根据波浪来推算风速，存在成本高的问题，且经波浪反推得出的风速存在较大的误差，同时受到潮汐、海床等影响；另一种为假设风速仪，其通常受到地形影响较大，使其推算的风速与海面的风速存在较大的偏差。因此，在对海域的风速探测中均不能准确高效地测算出定点的风速。

而随着科技的发展，自20世纪九十年代初，人们偶然接收到经海面反射的卫星导航信号起，国外开启了对导航卫星反射信号(GNSS-R)特性的研究，随着对该项技术研究的深入，人们开始将其逐步与遥感领域联系起来。1993年，欧空局Martin-Neria首次提出了利用卫星反射信号进行海面测高的应用，随后，国外对该项技术的应用研究逐渐扩展到海洋遥感、海冰特性研究、土壤湿度探测等领域。GNSS-R技术优势明显，其无需发射源，对信号功率具有较低的要求，同时，随着全球卫星导航系统的发展，地球在轨卫星的增多，为GNSS-R技术的推广提供了丰富的信号源，使其具有良好的覆盖性。

GNSS-R海洋遥感主要有两种方式：一种为实时处理探测装置，其主要通过接收机对探测区域进行卫星信号采集(直射/反射信号两路)，并完成实时处理，最后经控制软件完成对海洋信息的反演。另一种方式为数据采集和软件接收机后处理模式并用，该方式首先通过采集器完成对海洋直射/反射信号的采集，最后通过软件接收机对原始数据进行处理，最后反演出海洋物理参数。上述两种方式可应用于岸基及机载的情况。但其对探测区域有所要求，为完成探测装置中反演模块的建模操作，需要求探测区域有同比的数据支持，例如浮标、气象站、海洋站等，这无疑给野外探测造成了较大的局限性。因此，GNSS-R在海域风速探测的应用中还存在一定的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置，用于解决现有的风速仪不能准确高效地测算出海域定点风速的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置，包括风速仪、直射导航卫星信号接收端、反射导航卫星信号接收端和导航卫星反射信号处理机，所述直射导航卫星信号接收端和所述反射导航卫星信号接收端分别通过线缆与所述导航卫星反射信号处理机进行信号传输，所述风速仪与所述导航卫星反射信号处理机之间为无线信号传输；其中，所述导航卫星反射信号处理机包括：

射频处理模块，包含双射频处理通道，分别为直射射频处理通道和反射射频处理通道，所述直射射频处理通道负责对所接收的直射导航卫星信号进行放大、滤波、下变频、A/D采样和量化处理后输出直射数字中频信号，所述反射射频处理通道负责对所接收的反射导航卫星信号进行放大、滤波、下变频、A/D采样和量化处理后输出反射数字中频信号；

基带处理模块，对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和运算，对反射数字中频信号进行处理，最终输出相关值到反演处理模块中；

风速仪控制模块，对风速仪实现无线控制并接收风速仪所发送的风速数据，最终输出风速数据到反演处理模块中；

反演处理模块，根据接收的基带处理模块输出的相关值以及风速仪控制模块输出的风速数据完成风速建模与修正；

风速显示模块，实时显示由反演处理模块输出的风速信息；

电源模块，为所述导航卫星反射信号处理机、直射导航卫星信号接收端和反射导航卫星信号接收端供电。

相比于现有技术，本发明所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置具有以下优势：本发明采用单一直射、单一反射及风速仪组合的方式，初始输入为导航卫星直射信号、经海面反射的导航卫星反射信号和风速仪测得的风速数据，经由导航卫星反射信号处理机实时对所获得的信号及数据进行处理和分析，在线完成风速反演模型的建立，实现对海域的风速探测。同时根据后续风速仪的风速数据，对所建立的风速反演模型进行校正，最终完成风速的精确反演，因此本发明在对风速的探测中可靠性高，通过风速仪的风速数据能更快地建立风速反演模型，且由风速反演模型计算输出的风速数据具有更高的准确性。此外，本发明中的导航卫星反射信号处理机在建模输出风速的过程中还能实现对风速仪的远程智能控制，灵活控制风速仪对基于导航卫星反射信号的风速探测装置的辅助功能。本发明装置通过兼顾风速仪的功能，同时实时对海面的风速进行探测，最终有效地提供可靠的风速数据，因此具有更好的使用效果和更强的市场竞争力。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1示出了本发明基于导航卫星反射信号的风速探测装置的结构框图；

图2示出了图1中反演处理模块的运行流程图；

以及，

图3示出了图1中风速控制指令模块控制风速仪的运行流程图。

附图标记：

1-风速仪， 2-直射导航卫星信号接收端，

3-反射导航卫星信号接收端， 4-导航卫星反射信号处理机，

41-射频处理模块， 42-基带处理模块，

43-风速仪控制模块， 431-控制指令模块，

432-ZigBee路由模块， 433-数据缓存模块，

44-反演处理模块， 441-风速反演模块，

442-风速模型修正模块， 45-风速显示模块，

46-电源模块， 5-线缆。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明提供一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置，包括风速仪1、直射导航卫星信号接收端2、反射导航卫星信号接收端3和导航卫星反射信号处理机4(GNSS-R处理机)。

其中，风速仪1的方向对准探测海域，负责测算平台处的风速，并将风速经由无线信号传输至导航卫星反射信号处理机4中。直射导航卫星信号接收端2接收卫星直射信号，反射导航卫星信号接收端3接收经海面反射的导航卫星反射信号，直射导航卫星信号接收端2和反射导航卫星信号接收端3分别通过线缆5与导航卫星反射信号处理机4相连，则由其接收的直射信号和反射信号通过线缆5输入到导航卫星反射信号处理机4中。本发明采用直射导航卫星信号接收端2和反射导航卫星信号接收端3通过单一直射、单一反射及风速仪1组合的方式，在导航卫星反射信号处理机4中整体快速完成对海面风速反演模型的建立和校正，使得能从导航卫星反射信号处理机4中实时输出经反演后的风速。本发明具有较强的海域实用性和较高的可靠性。

继续参阅图1，导航卫星反射信号处理机4包括射频处理模块41、基带处理模块42、风速仪控制模块43、反演处理模块44、风速显示模块45和电源模块46，它们之间的连接及信号处理过程如下。

射频处理模块41包含双射频处理通道，分别为直射射频处理通道和反射射频处理通道，直射导航卫星信号接收端2和反射导航卫星信号接收端3接收到的直射信号和反射信号首先输入射频处理模块41中，分别经直射射频处理通道和反射射频处理通道进行放大、滤波、下变频、A/D采样和量化处理，并输出直射数字中频信号和反射数字中频信号。本实施例中的射频处理模块41采用max2769集成芯片，采样速率为16.369MHz，射频处理模块41上还预留了通道接口，用于后期的扩展。

基带处理模块42对射频处理模块41输出的直射数字中频信号和反射数字中频信号进行捕获，并经由跟踪、运算等处理，最终得到相关值并输出。其中，直射信号为天顶方向的直射导航卫星信号，一般不会有变化，但由于风场不同，海面的情况也不同，所以反射信号实时随海面的情况而变化，即在不同的风场作用下，反射信号有不同的特性，因此基带处理模块42捕获的反射数字中频信号也在不断变化过程中，相关值随海面情况即根据反射信号不同的特性而变化，因此，此相关值与海面情况相关。计算处理得到的相关值输入到反演处理模块44中。

风速仪控制模块43接收风速仪1测得的风速数据且对风速数据进行缓存，并将缓存的风速数据输出到反演处理模块44中，风速仪控制模块43还可对风速仪1实现无线控制。

反演处理模块44根据输入的相关值和风速数据完成风速的建模和对风速测算模型的修正，最终输出经由反演处理模块44得到的风速数据。

风速显示模块45实时接收从反演处理模块44中输出的风速信息并进行显示。

电源模块46用于为导航卫星反射信号处理机4、直射导航卫星信号接收端2和反射导航卫星信号接收端3供电。

上述各模块整体封装在导航卫星反射信号处理机4中，处理机的外部采用隔热、防震、抗腐蚀的材料保护，有利于将该装置应用于恶劣的环境中进行风速探测。

值得说明的是，上述射频处理模块、基带处理模块、风速显示模块及电源模块均为现有技术中或本领域中惯常使用的模块方式。

请参阅图1和图2，反演处理模块44包括风速反演模块441和风速模型修正模块442，风速反演模块441接收从基带处理模块42中输出的相关值和从风速仪控制模块43中输出的风速数据值，提取出对风速敏感的相关值。根据反射信号风场遥感理论研究，结合岸基探测的实际地理环境，风速模型采用幂函数的形式，并通过最小二乘法对提取的风速及相关值进行拟合计算，确定风速模型中的未知系数，最终建立以相关值为参数的风速反演模型。模型完成后，通过实时提取相关值中的相关时间，并将其输入到风速反演模型中，在风速反演模型中运算，从而使模型输出数字化的风速数值。

风速模型修正模块442接收从风速反演模块441中输出的风速数值以及从风速仪控制模块43输出的风速数值，对建立的风速反演模型进行试验运行，通过分别计算并比较上述两种风速数值的均方根差来判定此反演处理模块44的准确性。若所计算得到的均方根值较小，则表明此风速反演模型误差较小，准确性高，可直接使用来获取较为准确的风速值，实时输出风速即可；若所计算得到的均方根值较大，则表明此风速反演模型误差较大，准确性低，需对此风速反演模型进行修正，修正的过程需重新根据新的相关值及风速数值进行风速建模，并重复上述动态修正过程至模型的准确性较高。对风速反演模型误差的判断和修正可设定时间定期执行。

这样，不仅能够在风速建模时提高反演模型的正确性，在使用过程中，由于不断的动态修正风速反演模型，避免了因风速反演模型的误差，而影响风速探测的正确性。另外，在开启导航卫星反射信号处理机4时，反演处理模块44需判断其是否为首次使用，若是首次使用，则需按照上述过程建模，若其不是首次使用，则在反演处理模块44中已经存在建好的风速反演模型，可跳过建模的过程直接进行试验运行即进行修正。在反演处理模块44的整体运行过程中，通过建模及对模型的修正，使得导航卫星反射信号处理机4能有效输出准确性高的风速数据，完成对风速的精确反演过程。

请参阅图1和图3，风速仪控制模块43还能灵活控制风速仪1对基于导航卫星反射信号的风速探测装置的辅助功能，实现对风速仪1实现远程开关控制。风速仪控制模块43包括ZigBee路由模块432、数据缓存模块433和控制指令模块431。控制指令模块431向ZigBee路由模块432发送控制指令，ZigBee路由模块432读取从控制指令模块431中发出的指令，若为下行指令，则ZigBee路由模块432实现对风速仪1的开关控制，在风速仪1开启的状态下，风速仪1实时测得的风速经由风速仪控制模块43传输到反演处理模块44中；若不是下行指令，即为上行指令，则ZigBee路由模块432对风速仪1中的数据进行控制，实现风速仪1中风速数据的上传、清除等操作，待风速仪1中的风速数据上传到数据缓存模块433后，由数据缓存模块433再传递给反演处理模块44。

控制指令模块431与反演处理模块44协同工作，如在风速建模(图2中的风速建模)和判定风速建模的正确性(图2中的风速差别比较)时，发出下行指令，开启风速仪1,在风速数据的上传到数据缓存模块433之后，发出上行指令，将风速数据上传到反演处理模块44。这样，风速仪1只在需要提供风速数据时启动，而在利用导航卫星反射信号，反演风速时，风速仪1处于停止状态，避免了风速仪1的无谓启动。

值得一提的是，本实施例中所述的直射导航卫星信号接收端2采用的是右旋圆极化天线(RHCP)，并使其朝向天顶方向设置，用于接收GPS/BDS L1/B1频段的直射导航卫星信号；所述的反射导航卫星信号接收端3采用的是左旋圆极化天线(LHCPS)，并使其朝向天底方向设置，与风速仪1的方位一致，用于接收由海面反射的GPS/BDS L1/B1频段的导航卫星信号。在一个优选实施例中，右旋圆极化天线支持GPS L1频段以及BDS B1频段，供电电压为3.3V，由导航卫星反射信号处理机4馈电，为有效增加接收的卫星数量，选用宽波束低增益天线；左旋圆极化天线支持GPS L1频段以及BDS B1频段，供电电压为3.3V，由导航卫星反射信号处理机4馈电，为有效接收海面微弱反射信号，选用宽波束高增益天线。

另外，本实施例中采用的风速仪1为通用型风速仪1，风速探测范围为0.5m/s～45m/s，供电电压为9V，内部集成6块电池，可连续待机60小时，内部集成ZigBee路由节点，可实时将风速数据传递至导航卫星反射信号处理机4中的风速控制指令模块431中。本发明耗能少、成本低、准确性高，具有更好的市场竞争力及市场推广价值。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

Claims (7)

1.一种基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，包括风速仪(1)、直射导航卫星信号接收端(2)、反射导航卫星信号接收端(3)和导航卫星反射信号处理机(4)，所述直射导航卫星信号接收端(2)和所述反射导航卫星信号接收端(3)分别通过线缆(5)与所述导航卫星反射信号处理机(4)进行信号传输，所述风速仪(1)与所述导航卫星反射信号处理机(4)之间为无线信号传输；其中，所述导航卫星反射信号处理机(4)包括：

射频处理模块(41)，包含双射频处理通道，分别为直射射频处理通道和反射射频处理通道，所述直射射频处理通道负责对所接收的直射导航卫星信号进行放大、滤波、下变频、A/D采样和量化处理后输出直射数字中频信号，所述反射射频处理通道负责对所接收的反射导航卫星信号进行放大、滤波、下变频、A/D采样和量化处理后输出反射数字中频信号；

基带处理模块(42)，对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和运算，对反射数字中频信号进行处理，最终输出相关值到反演处理模块(44)中；

风速仪控制模块(43)，对风速仪(1)实现无线控制并接收风速仪(1)所发送的风速数据，最终输出风速数据到反演处理模块(44)中；

反演处理模块(44)，根据接收的基带处理模块(42)输出的相关值以及风速仪控制模块(43)输出的风速数据完成风速建模与修正，所述反演处理模块(44)包括：

风速反演模块(441)，通过接收相关值和风速仪(1)输出的风速值，提取出对风速敏感的相关值，利用最小二乘算法，建立以相关值为参数的风速反演模型，模型完成后，通过实时提取相关值中的相关时间，并将其输送至反演模型中，最终输出数字化的风速数值；

风速模型修正模块(442)，主要接收风速仪(1)输出的风速数值及反演模型输出的风速数值，通过分别计算并比较风速仪(1)及反演模型输出的风速数值的均方根值，来判定是否需要重新建模；

风速显示模块(45)，实时显示由反演处理模块(44)输出的风速信息；

电源模块(46)，为所述导航卫星反射信号处理机(4)、直射导航卫星信号接收端(2)和反射导航卫星信号接收端(3)供电。

2.根据权利要求1所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，所述风速仪控制模块(43)包括：

控制指令模块(431)，用于向ZigBee路由模块(432)发送控制指令，实现对风速仪(1)的远程开关控制及对风速仪(1)中风速数据的缓存、清除和发送控制；

ZigBee路由模块(432)，用于接收控制指令模块(431)的控制指令，实现对风速仪(1)的远程开关控制及在风速仪(1)开启状态下将风速仪(1)中的风速数据传递给数据缓存模块(433)；

数据缓存模块(433)，用于缓存风速仪(1)输出的风速数据并将获取的风速数据传递给反演处理模块(44)。

3.根据权利要求1所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，所述直射导航卫星信号接收端(2)采用右旋圆极化天线，所述右旋圆极化天线朝向天顶方向设置，用于接收GPS/BDS L1/B1频段的直射导航卫星信号。

4.根据权利要求3所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，所述右旋圆极化天线采用宽波束低增益天线。

5.根据权利要求1所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，所述反射导航卫星信号接收端(3)采用左旋圆极化天线，所述左旋圆极化天线朝向天底方向设置，用于接收由海面反射的GPS/BDS L1/B1频段的导航卫星信号。

6.根据权利要求5所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，所述左旋圆极化天线采用窄波束高增益天线。

7.根据权利要求1所述的基于导航卫星反射信号的风速探测装置，其特征在于，所述风速仪(1)的方向对准探测海域，用于测算平台处的风速。