CN107561562A - 一种gnss‑r遥感中镜面反射点快速确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS‐R镜面反射点的快速确定方法。它可以应用于GNSS‐R信号接收时，计算反射信号的镜面反射点位置。首先，根据GNSS‐R的几何特征粗略确定镜面反射点的位置，减少了后续迭代搜索时间；然后根据镜面反射点的路径最短的特征，获取在角平分线上的校正方向，以角平分线长作为校正步长，通过迭代搜索实现镜面反射点的精确位置确定；最后通过检验入射角与反射角是否相等，确定镜面反射点位置。

Description

一种GNSS‐R遥感中镜面反射点快速确定方法

技术领域

本发明属于全球卫星导航系统反射信号遥感及监测应用领域，具体提出了全球卫星导航系统反射信号接收机测量中GNSS‐R镜面反射点的快速确定方法。

背景技术

全球导航卫星系统已广泛应用于世界各个国家和地区的定位、导航和定时服务。近年来，人们认识到卫星导航的反射和散射信号可以作为遥感信号源，这种新技术被称为全球卫星导航反射信号(Global Navigation SatelliteSystem Reflectometry,GNSS‐R)。该技术具有以下优点：无需架设发射器、信号源丰富、覆盖面宽、成本较低、时间空间分辨率高等。GNSS‐R可应用于海面高度、海面风速、海水盐度、海冰、土壤湿度、移动目标探测等遥感测量。

当卫星导航信号与海面或地球表面相遇时，会发生两种情况：在光滑反射面发生的镜面反射和在粗糙反射面产生的散射。镜面反射点位于地球表面，在所有可能的反射路径(发射机——地球表面上的点——接收机)中，发射机——镜面反射点——接收机是最短路径。镜面反射点被用作测量和建模应用的主要参考点，特别是在海洋监测中。当搜索和捕获GNSS‐R信号时，镜面反射点是估算多普勒频移和码相位延迟的参考点：以镜面反射点为参考中心点，映射码延迟和多普勒频移。镜面反射点是海洋感测模型的基本参考框架，镜面反射点的精确快速确定对空间反射信号接收机的快速采集弱信号有显着影响，同时影响着之后的建模精度，从而影响最终的测量精度。镜面反射点位置确定主要有两种方法：一是基于几何关系，通过迭代修正角度获得镜面反射点的位置；另一种是基于向量共线的思想，在搜索方向上不断迭代搜索，直到镜面反射点向量和搜索方向向量共线。基于几何关系的方法迭代次数少，运算时间短，但因为采用的是地球圆模型，获得的镜面反射点位置精度不高，之后还需进一步修正；基于向量共线的方法精度高，但迭代次数过多，运算时间长，收敛速度慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种GNSS‐R镜面反射点的快速确定方法。它可以应用于GNSS‐R信号接收时，计算反射信号的镜面反射点位置。首先，根据GNSS‐R的几何特征粗略确定镜面反射点的位置；然后根据镜面反射点的路径最短的特征，获取在角平分线上的校正方向，以角平分线长作为校正步长，通过迭代搜索实现镜面反射点的精确位置确定；最后通过检验入射角与反射角是否相等，确定镜面反射点位置。本发明GNSS‐R镜面反射点的快速确定方法包括以下步骤：

步骤一：粗略确定镜面反射点的位置

在WGS84坐标系中，获取的接收机位置R、卫星位置T、接收机高度H_r，卫星的高度H_t，根据卫星导航反射信号的几何关系，粗略估计镜面反射点S的位置，采用如下计算公式：

其中

其中，根据WGS84模型，地球的半径计算如下：

其中

其中a_WGS84＝6378137米和e_WGS84＝0.08181919084264分别是WGS84地球大地水准面的长半径和偏心率。

步骤二：迭代搜索镜面反射点的精确位置

根据镜面反射点的特性，其反射路径是最小路径，对进行偏导可得将的单位向量作为校正方向，校正方向计算公式如下：

其中

以角平分线长度|SM_temp|作为校正步长K，计算公式如下：

通过迭代搜索镜面反射点的位置，计算公式如下：

其中

的初始值为式(1)获取的粗略位置，通过若干次迭代，当的新旧值之间的差值低于规定的误差时，即 和是共线的。此时位于角平分线上。可认定为镜面反射点。

步骤三：检验

根据镜面反射点的特征，发生反射时入射角需等于反射角。根据步骤二所得的镜面反射点的位置，计算反射角和入射角公式如下：

若α_r＝α_t，则步骤二所得的是镜面反射点的位置；如果两者不相等，说明从接收机获得的位置信息有错误，则重新从接收机采集新数据，返回步骤一。

与现有技术相比，本发明提出的GNSS‐R镜面反射点的确定方法，因先进行了镜面发射点位置的粗略确定和变步长搜索，其运算速度快，迭代次数少，收敛速度快；同时，因采用了WGS84地球模型和迭代搜索的方法，计算精度高，本发明可以快速并准确的确定镜面反射点位置。

附图说明

图1本发明的流程框图

图2 GNSS‐R的几何关系

图3镜面反射点的精确迭代搜索图

图4精确搜索收敛条件图

图5反射路径长度的曲线

图6入射角和反射角的差的绝对值的曲线

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1所示为本发明的实施流程，具体步骤如下：

步骤一：数据采集

从卫星导航接收机中获取接收机位置R、卫星位置T、接收机高度H_r、卫星的高度H_t；

步骤二：粗略确定镜面反射点S的初始位

图2为卫星导航反射信号的几何关系，O为地心，接收机位置R、卫星位置T、接收机高度H_r、卫星的高度H_t，S为镜面反射点位置，M为与RT的交点。根据几何关系，粗略估计M的位置：M的星下点为粗略确定的镜面反射点位置其中r为地球半径其中a_WGS84＝6378137米和e_WGS84＝0.08181919084264；

步骤三：计算校正方向

S为镜面反射点的搜索初始位置，以∠RST的角平分线方向作为搜索方向，将的单位矢量作为校正方向；

步骤四：计算校正步长

步骤五：搜索镜面反射点的新位置

如图3所示，S为镜面反射点的搜索初始位置，O为地心，接收机位置R，卫星位置T，通过校正方向和校正步长获得M的新位置镜面反射点的新位置为的星下点：

步骤六：如图4所示，O为地心，接收机位置R，卫星位置T，S为镜面反射点的搜索初始位置，S_temp为步骤四中获得的镜面反射点新位置，若S与S_temp重合，即继续步骤七，否则令返回步骤三；

步骤七：若入射角等于反射角，即α_r＝α_t，则S是镜面反射点，否则返回步骤一。

如图5所示，给出卫星T的位置为(‐552045.566766320，‐24394338.2428014，‐9202350.03056046)。接收机设置为低轨道卫星，接收机R的位置为(‐1661961.30795881，‐6519694.00520228，‐2119054.19695323)时，本发明迭代计算镜面反射点位置而获取的反射路径长度曲线。

如图6所示，给出卫星T的位置为(‐552045.566766320，‐24394338.2428014，‐9202350.03056046)。接收机设置为低轨道卫星，接收机R的位置为(‐1661961.30795881，‐6519694.00520228，‐2119054.19695323)时，本发明迭代计算镜面反射点位置而获取的入射角和反射角的差的绝对值曲线。

Claims (1)

1.一种GNSS‐R镜面反射点的快速确定方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：估计镜面反射点的位置

在WGS84坐标系中，获取的接收机位置R、卫星位置T、接收机高度H_r，卫星的高度H_t，根据卫星导航反射信号的几何关系，估计镜面反射点S的位置，采用如下计算公式：

其中

其中，根据WGS84模型，地球的半径计算如下：

其中

其中，a_WGS84＝6378137米和e_WGS84＝0.08181919084264分别是WGS84地球大地水准面的长半径和偏心率。

步骤二：迭代搜索镜面反射点的精确位置

根据镜面反射点的特性，其反射路径是最小路径，对进行偏导可得将的单位向量作为校正方向，校正方向计算公式如下：

其中

以角平分线长度|SM_temp|作为校正步长K，计算公式如下：

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mo>|</mo> <mi>T</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>R</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>T</mi> <mi>R</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>.</mo> <mo>|</mo> <mi>T</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>R</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mo>|</mo> <mi>T</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mi>R</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> </msqrt> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>:</mo> </mrow>

通过迭代搜索镜面反射点的位置，计算公式如下：

其中

的初始值为式(1)获取的粗略位置，通过若干次迭代，当的新旧值之间的差值低于规定的误差时，即 和是共线的；此时位于角平分线上，可认定为镜面反射点。

步骤三：检验

根据镜面反射点的特征，发生反射时入射角需等于反射角；根据步骤二所得的镜面反射点的位置，计算反射角和入射角公式如下：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>R</mi> <mi>S</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mi>O</mi> <mi>S</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <mi>O</mi> <mi>R</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>R</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>O</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <mi>T</mi> <mi>S</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <mi>O</mi> <mi>S</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>|</mo> <mi>O</mi> <mi>T</mi> <msup> <mo>|</mo> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>T</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>O</mi> <mi>S</mi> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

若α_r＝α_t，则步骤二所得的是镜面反射点的位置；如果两者不相等，说明从接收机获得的位置信息有错误，则重新从接收机采集新数据，返回步骤一。