CN109521445A - 一种基于gnss-r设备的有效波高处理方法及系统 - Google Patents

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李峰
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Abstract

本发明涉及一种基于GNSS‑R设备的有效波高处理方法及系统,其中,方法包括以下步骤:获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;对导航卫星直射信号和导航卫星反射信号进行预处理;对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;根据预设阈值对反射信号相关值数据进行筛选;获取目标区域内波浪仪测量的浪高数据;根据浪高数据与反射信号相关值有效数据进行建模;根据有效波高模型参数输出有效波高数据。在本发明的技术方案中,利用波浪仪输出的浪高数据与GNSS反射信号数据进行在线匹配与建模,实现了GNSS反射信号实时测量有效波高的目标。

Description

一种基于GNSS-R设备的有效波高处理方法及系统
技术领域
本发明涉及遥感探测领域,尤其涉及一种基于GNSS-R设备的有效波高处理方法和一种基于GNSS-R设备的有效波高处理系统。
背景技术
有效波高是海洋状态的重要特征之一,目前常用的观测技术包括浮标观测,超声波检测以及光学遥感技术等。目前精度最高的浮标探测手段虽然取得了良好的结果,但其易受海洋复杂气候的影响,如位置偏离、设备损坏等,同时该观测手段作为一种接触式设备,需要长时间的投放于海洋中,因此对设备的维护需要较大的人力和物力。因此,为降低观测成本,提升观测分辨率,近年来一些新的非接触式的观测技术逐渐流行起来,如上述提到的超声波探测等,根据当前的研究现状,该手段对观测位置的选择具有一定的局限性。而GNSS-R测量技术是近年出现的一种新型海洋遥感技术手段,其通过接收处理导航卫星经海洋面反射的信号,完成对有效波高的遥感探测。该技术具有成本低、结构简单,系统无源、时空分辨率高等优点。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此,本发明的一个目的在于提供一种基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,其能够实现对浪高的实时观测,同时对于测量精度的提升具有积极的作用。
本发明的另一个目的在于提供一种基于GNSS-R设备的有效波高处理系统,利用波浪仪输出的浪高数据与GNSS反射信号数据进行在线匹配与建模,实现了GNSS反射信号实时测量有效波高的目标。
为实现上述目的,本发明第一方面的技术方案提供了一种基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,包括以下步骤:获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;对导航卫星直射信号和导航卫星反射信号进行预处理,得到直射数字中频信号和反射数字中频信号;对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;根据预设阈值对反射信号相关值数据进行筛选,得到不低于预设阈值的反射信号相关值有效数据;获取目标区域内波浪仪测量的浪高数据;根据浪高数据与反射信号相关值有效数据进行建模,得到有效波高模型参数;根据有效波高模型参数输出有效波高数据。
在该技术方案中,通过接收来自波浪仪测量的浪高数据与GNSS-R设备接收的全球导航卫星直射信号及经海面反射的导航信号进行在线匹配与建模,得到有效波高数据,从而实现GNSS反射信号实时测量有效波高的目标;与此同时,在计算有效波高的过程中,增加了对反射信号相关值数据进行质量控制步骤,既降低了非目标介质反射的影响,又剔除掉埋没于噪声的信号,这一环节对提高GNSS-R的有效波高探测精度具有积极的作用。
在上述技术方案中,优选地,有效波高模型参数的表达式为:
其中,SWH为有效波高数据,a,b,c为可设定参数,τF′为反射信号相关值有效数据。
在上述任一技术方案中,优选地,预处理包括滤波、放大、混频、量化、编码。
在上述任一技术方案中,优选地,预设阈值为1-3dB。
本发明第二方面的技术方案提供了一种基于GNSS-R设备的有效波高处理系统,包括:第一获取模块,被设置为用于获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;预处理模块,被设置为用于对导航卫星直射信号和导航卫星反射信号进行预处理,得到直射数字中频信号和反射数字中频信号;相关值计算模块,被设置为用于对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;质量控制模块,被设置为用于根据预设阈值对反射信号相关值数据进行筛选,得到不低于预设阈值的反射信号相关值有效数据;第二获取模块,被设置为用于获取目标区域内波浪仪测量的浪高数据;有效波高计算模块,被设置为用于根据浪高数据与反射信号相关值有效数据进行建模,得到有效波高模型参数;输出模块,被设置为用于根据有效波高模型参数输出有效波高数据。
在该技术方案中,通过接收来自波浪仪测量的浪高数据与GNSS-R设备接收的全球导航卫星直射信号及经海面反射的导航信号进行在线匹配与建模,得到有效波高数据,从而实现GNSS反射信号实时测量有效波高的目标;与此同时,在计算有效波高的过程中,增加了对反射信号相关值数据进行质量控制步骤,既降低了非目标介质反射的影响,又剔除掉埋没于噪声的信号,这一环节对提高GNSS-R的有效波高探测精度具有积极的作用。
在上述技术方案中,优选地,有效波高模型参数的表达式为:
其中,SWH为有效波高数据,a,b,c为可设定参数,τF′为反射信号相关值有效数据。
在上述任一技术方案中,优选地,预设阈值为1-3dB。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1示出了本发明实施例所涉及有效波高处理方法的流程框图;
图2示出了本发明实施例所涉及有效波高处理系统的结构框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1和图2描述根据本发明一些实施例的基于GNSS-R设备的有效波高处理方法和系统。
如图1所示,按照本发明一个实施例的基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,包括以下步骤:
S100,获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;
S200,对导航卫星直射信号和导航卫星反射信号进行滤波、放大、混频、量化、编码,得到直射数字中频信号和反射数字中频信号;
S300,对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;
S400,根据预设阈值对反射信号相关值数据进行筛选,得到不低于预设阈值的反射信号相关值有效数据;
S500,获取目标区域内波浪仪测量的浪高数据;
S600,根据浪高数据与反射信号相关值有效数据进行建模,得到有效波高模型参数;
S700,根据有效波高模型参数输出有效波高数据。
在该技术方案中,通过接收来自波浪仪测量的浪高数据与GNSS-R设备接收的全球导航卫星直射信号及经海面反射的导航信号进行在线匹配与建模,得到有效波高数据,从而实现GNSS反射信号实时测量有效波高的目标;与此同时,在计算有效波高的过程中,增加了对反射信号相关值数据进行质量控制步骤,既降低了非目标介质反射的影响,又剔除掉埋没于噪声的信号,这一环节对提高GNSS-R的有效波高探测精度具有积极的作用。
具体地,有效波高模型参数的表达式为:
其中,SWH为有效波高数据,a,b,c为可设定参数,τF′为反射信号相关值有效数据。
在上述任一实施例中,优选地,预设阈值为1-3dB,优选为2dB。
在本实施例中,反射信号相关值数据的相关运算,主要目的是将埋没于噪声中的信号提取出来;其主要计算过程为:将接收信号与本地伪码信号进行相乘积分来实现。该运算过程在导航领域是非常基础通用的计算过程,因此,本发明不再赘述。
如图2所示,按照本发明另一个实施例的基于GNSS-R设备的有效波高处理系统1000,包括:
第一获取模块100,被设置为用于获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;
预处理模块200,被设置为用于对导航卫星直射信号和导航卫星反射信号进行预处理,得到直射数字中频信号和反射数字中频信号;
相关值计算模块300,被设置为用于对直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;
质量控制模块400,被设置为用于根据预设阈值对反射信号相关值数据进行筛选,得到不低于预设阈值的反射信号相关值有效数据;
第二获取模块500,被设置为用于获取目标区域内波浪仪测量的浪高数据;
有效波高计算模块600,被设置为用于根据浪高数据与反射信号相关值有效数据进行建模,得到有效波高模型参数;
输出模块700,被设置为用于根据有效波高模型参数输出有效波高数据。
具体地,有效波高模型参数的表达式为:
其中,SWH为有效波高数据,a,b,c为可设定参数,τF′为反射信号相关值有效数据。
在上述任一实施例中,优选地,预设阈值为1-3dB,优选为2dB。
在本实施例中,反射信号相关值数据的相关运算,主要目的是将埋没于噪声中的信号提取出来;其主要计算过程为:将接收信号与本地伪码信号进行相乘积分来实现。该运算过程在导航领域是非常基础通用的计算过程,因此,本发明不再赘述。
本发明另一方面对基于GNSS-R设备的有效波高处理方法及系统额信号走向作具体说明:GNSS-R设备上的直射天线和反射天线,分别采集全球导航卫星直射信号及经海面反射的导航信号;两路导航信号分别输送至GNSS-R设备的预处理模块进行直射信号的处理和反射信号的处理。预处理模块内对信号进行滤波、放大、混频、量化、编码等处理,最终将输出的直射数字中频信号和反射数字中频信号通过CPCI总线传送至相关值计算模块。相关值计算模块主要将直射中频信号进行捕获、跟踪和定位;对反射信号进行相关运算,最终输出反射信号相关值数据。数据进入质量控制模块,根据设定的信噪比阈值,对满足要求的数据进行存储,并剔除掉低于阈值的数据。完成数据质量控制后,数据进入有效波高计算模块。在本模块中,反射信号相关值有效数据与波浪仪输出的浪高数据进行时间匹配,并进行在线建模,确定有效波高模型参数,完成有效波高的在线建模,最终实时输出有效波高结果。
在本发明中,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;术语“多个”则指两个或两个以上,除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解,例如,“连接”可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;“相连”可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作,因此,不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且,描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;
对所述导航卫星直射信号和所述导航卫星反射信号进行预处理,得到直射数字中频信号和反射数字中频信号;
对所述直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据所述导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;
根据预设阈值对所述反射信号相关值数据进行筛选,得到不低于所述预设阈值的反射信号相关值有效数据;
获取所述目标区域内波浪仪测量的浪高数据;
根据所述浪高数据与所述反射信号相关值有效数据进行建模,得到有效波高模型参数;
根据所述有效波高模型参数输出有效波高数据。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,其特征在于:所述有效波高模型参数的表达式为:
其中,SWH为所述有效波高数据,a,b,c为可设定参数,τF′为所述反射信号相关值有效数据。
3.根据权利要求1或2所述的基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,其特征在于:所述预处理包括滤波、放大、混频、量化、编码。
4.根据权利要求1或2所述的基于GNSS-R设备的有效波高处理方法,其特征在于:所述预设阈值为1-3dB。
5.一种基于GNSS-R设备的有效波高处理系统,其特征在于,包括:
第一获取模块,被设置为用于获取目标区域内导航卫星直射信号及经海面反射的导航卫星反射信号;
预处理模块,被设置为用于对所述导航卫星直射信号和所述导航卫星反射信号进行预处理,得到直射数字中频信号和反射数字中频信号;
相关值计算模块,被设置为用于对所述直射数字中频信号进行捕获、跟踪和定位,并根据所述导航卫星反射信号计算得到反射信号相关值数据;
质量控制模块,被设置为用于根据预设阈值对所述反射信号相关值数据进行筛选,得到不低于所述预设阈值的反射信号相关值有效数据;
第二获取模块,被设置为用于获取所述目标区域内波浪仪测量的浪高数据;
有效波高计算模块,被设置为用于根据所述浪高数据与所述反射信号相关值有效数据进行建模,得到有效波高模型参数;
输出模块,被设置为用于根据所述有效波高模型参数输出有效波高数据。
6.根据权利要求5所述的基于GNSS-R设备的有效波高处理系统,其特征在于:所述有效波高模型参数的表达式为:
其中,SWH为所述有效波高数据,a,b,c为可设定参数,τF′为所述反射信号相关值有效数据。
7.根据权利要求5或6所述的基于GNSS-R设备的有效波高处理系统,其特征在于:所述预设阈值为1-3dB。
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