CN109884668B - 一种基于分布式计算的gnss-r相关器装置及gnss-r综合探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式计算的GNSS‑R相关器装置及GNSS‑R综合探测装置，其多通道阵列信号处理模块用于接收导航卫星信号，并输出数字波束合成信号及导航卫星信号的原始数据；相关器模块包括主控单元和计算单元，完成导航卫星信号的波束角计算、理论镜面反射点计算、反射通道PRN选择、反射信号控制量计算、GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的采集、数据下传类型的选择；相关器遥控遥测模块用于采集遥测信息及发送遥控指令；固存模块用于存储和回发导航卫星信号的原始数据。本发明采用主控单元控制辅计算单元的控制模式，方便扩展计算单元，最大程度的节省了硬件资源；同时还有效解决了采集的GNSS‑R原始数据无法下传的问题。

Description

一种基于分布式计算的GNSS-R相关器装置及GNSS-R综合探测 装置

技术领域

本申请涉及相关器领域，尤其涉及一种基于分布式计算的GNSS-R相关器装置及GNSS-R综合探测装置。

背景技术

GNSS-R综合探测装置采用GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)双基雷达散射海洋遥感技术，是一项崭新的、有效的、低成本的微波遥感技术，通过相关器的分布式计算设计、载荷的多工作模式设计，实现相关器的集成化、轻量化，并且可根据载荷的应用探测需求来灵活的扩展相关器模块板卡以及数字通道数量，相应的就扩大了整个GNSS-R载荷的探测刈幅，可应用于中尺度海面平均高度、海面风场、有效波高、海冰等战场环境要素的探测。

目前，地基、机载、星载GNSS-R探测仪采用的都是单板设计的相关器，在扩展相关器的计算能力的时候，也是通过简单的单机数量扩展的方式来进行的，这样不利于主控单元对于辅计算单元的状态控制，而且会浪费若干资源。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于分布式计算的GNSS-R相关器装置及GNSS-R综合探测装置，GNSS-R相关器装置采用主控单元控制辅计算单元的设计方式以及板卡层叠式安装的结构设计方式，解决了传统相关器的功能可扩展性差的问题；通过采用遥控遥测与相关器板卡直接相连的设计方式，灵活切换相关器的工作模式，解决传统相关器的工作模式单一的问题。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，包括：多通道阵列信号处理模块、相关器模块、相关器遥控遥测模块、固存模块和二次电源，其中，所述多通道阵列信号处理模块用于接收GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号，并对所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行数字波束合成，输出最终形成的数字波束合成信号及所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；所述相关器模块包括主控单元和计算单元，所述主控单元和计算单元完成导航卫星信号的波束角计算、理论镜面反射点计算、反射通道PRN选择、反射信号控制量计算、GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的采集、数据下传类型的选择；所述相关器遥控遥测模块用于采集遥测信息及接收遥控指令，并将遥控指令发送给多通道阵列信号处理模块、相关器模块或固存模块；所述固存模块用于存储和回发所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；所述二次电源用于给所述多通道阵列信号处理模块、相关器模块、相关器遥控遥测模块和固存模块供电。

较佳地，所述相关器模块预留有所述计算单元的通信接口。

较佳地，所述主控单元设置有多功能接口，所述多功能接口可选择用作对所述固存模块的输出数据接口或对所述计算单元的DDM遥感数据接口。

较佳地，其工作模式包括校准模式、底噪模式、DDM数据计算及传输模式和原始数据采集及传输模式。

较佳地，在校准模式下，所述相关器模块控制校正源产生校准信号，校准信号辐射至阵面，同时，校准信号进入所述相关器模块，所述主控单元和计算单元分别计算不同通道的相对延迟时间，并进行存储；所述多通道阵列信号处理模块将所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，分别给所述主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；所述固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

较佳地，在底噪模式下，所述相关器模块产生射频组件的通道开关控制信号，传输给阵面遥控遥测模块；所述主控单元与计算单元切换至直-反信号互相关状态，分别生成相应通道的带有底噪信息的DDM信息，所述计算单元将相应通道的带有底噪信息的DDM信息回传给所述主控单元；所述多通道阵列信号处理模块将所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，分别给所述主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；所述固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

较佳地，在DDM数据计算及传输模式下，所述相关器模块产生导航卫星信号的波束角控制信号，传输给所述多通道阵列信号处理模块；所述计算单元将其计算的观测量、DDM信息回传给所述主控单元，所述主控单元将观测量、DDM信息打包输出；所述多通道阵列信号处理模块将所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，分别给所述主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；所述固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

较佳地，在数据采集及传输模式下，所述多通道阵列信号处理模块将GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号通过LVDS信号传输给所述固存模块；所述相关器模块产生对所述固存模块的控制信号，与所述固存模块进行读操作、写操作。

较佳地，所述相关器模块与所述固存模块进行读操作、写操作的方法如下：如果所述固存模块是满的，所述主控模块从固存模块进行数据回读下传；如果所述固存模块未满，所述固存模块进行数据采集。

较佳地，在所述数据回读下传过程中，如果所述固存模块的数据回传完毕，若当前工作模式没有发生切换，则继续进行新一轮的数据采集存储及回传；如果所述固存模块的数据未回传完毕时断电，则所述固存模块保存未回传的数据，或者对固存模块进行数据擦除。

本发明还公开了一种基于分布式计算的GNSS-R探测装置，包括上述实施例任一基于分布式计算的GNSS-R相关器装置。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

1、本发明实施例GNSS-R相关器装置采用主控单元控制辅计算单元的状态控制模式，方便扩展计算单元，最大程度的节省了硬件资源；

2、本发明实施例GNSS-R相关器装置采用固存模块与相关器模块交互的方式，有效解决了采集的GNSS-R原始数据无法下传的问题，同时主控单元设置有多功能接口，可通过使能控制用作对固存模块的输出数据接口或计算单元的DDM遥感数据接口，减少了GNSS-R探测装置对卫星平台的数据输出接口个数，节省了卫星平台的资源；

3、本发明实施例GNSS-R相关器装置根据遥控遥测信息，可工作在校准模式、底噪模式、DDM数据计算及传输模式、原始数据采集及传输模式共4种工作模式，可仅需在轨校正，记录阵面之间不同通道之间的相对延迟时间，对干涉式互相关功率谱的计算进行校正，同时可记录底噪模式下的DDM数据，下传仪器自身噪声数据，为进一步提高遥感数据的反演精度提供数据源；

4、本发明实施例采用的分布式相关计算原理，通过相关器主控单元FPGA1控制计算单元FPGA2的方式，计算导航卫星信号的干涉式GNSS-R互相关功率谱，并且预留了扩展计算单元的通信接口，可有效扩展载荷的波束个数、互相关通道数目。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为本发明实施例基于分布式计算的新型GNSS-R相关器装置的结构示意图；

图2为本发明实施例相关器模块的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的一种基于分布式计算的新型GNSS-R相关器装置及综合探测装置进行详细的描述，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，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

基于分布式计算的GNSS-R相关器装置应用于GNSS-R综合探测装置，GNSS-R相关器装置的相关器模块作为GNSS-R综合探测装置的主控模块。

实施例1

请参考图1，一种基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，包括：多通道阵列信号处理模块1、相关器模块2、相关器遥控遥测模块3、固存模块4和二次电源5，其中，

多通道阵列信号处理模块1与前级的天线系统电连接，与相关器模块2通过光纤接口连接并进行数据传输，还与固存模块4通过LVDS接口连接进行数据传输；相关器模块2与固存模块4通过RS422接口连接并进行数据传输，同时还与卫星平台和/或数传系统通过RS422接口并进行数据传输；相关器遥控遥测模块3分别与多通道阵列信号处理模块1、相关器模块2、固存模块4以及前级的天线系统通过RS422接口连接并进行数据传输，同时还与卫星平台和/或遥控遥测系统通过RS422接口连接并进行数据传输；

多通道阵列信号处理模块1用于接收导航卫星信号，包括GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号，并对GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行数字波束合成(Digital Beam Forming，DBF)，输出最终形成的数字波束合成信号及GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；

相关器模块2包括主控单元和若干计算单元，主控单元根据应用模式指令、选星指令控制计算单元完成导航卫星信号的波束角计算、理论镜面反射点计算、反射通道PRN选择、反射信号控制量计算、GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的采集、数据下传类型的选择等；

这里，计算单元可根据实际应用需要配置一个或多个，通过采用主控单元控制辅计算单元的状态控制模式，计算导航卫星信号的干涉式GNSS-R互相关功率谱，可有效扩展GNSS-R综合探测装置的波束个数、互相关通道数目；

本实施例中，应用模式包括控制模式、测量模式和导航模式，其中，控制模式包括遥控模式和自主模式，测量模式包括高度角排序模式、信噪比排序模式、高度角限定模式、方位角限定模式、大角度信号工作模式等工作模式，导航模式包括GPS系统单模工作、BD系统单模工作和GPS+BD双模工作。在实际应用过程中，可根据不同的环境和探测需要，进行多种应用模式的组合，提高了探测装置的实用性，使其适用于各种不同的环境。

相关器遥控遥测模块3用于采集遥测信息及接收卫星平台的遥控指令，并将遥控指令发送给多通道阵列信号处理模块1、相关器模块2或固存模块4；

固存模块4用于存储和回发GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；

二次电源5用于给多通道阵列信号处理模块1、相关器模块2、相关器遥控遥测模块3、固存模块4供电。

作为一种实施例，相关器模块2预留有多个计算单元通信接口，当需要扩展计算单元时，扩展计算单元可通过预留的计算单元通信接口进行安装，方便了扩展计算单元的安装，最大程度的节省了硬件资源。

作为一种实施例，主控单元设置有多功能接口，通过使能该接口的自动选路功能，可选择将该接口用作对固存模块的输出数据接口或对计算单元的DDM遥感数据接口。

作为一种实施例，GNSS-R相关器装置的工作模式包括校准模式、底噪模式、DDM(delay-Doppler map)数据计算及传输模式和原始数据采集及传输模式；

GNSS-R综合探测装置开机后，GNSS-R相关器装置的相关器模块判断是否从相关器遥控遥测模块接收到的遥控指令，并相应设置GNSS-R综合探测装置的应用模式：

如果GNSS-R综合探测装置进入自主模式，则按照GNSS-R综合探测装置默认的配置参数进行自动化工作，即，上电默认自动进入导航卫星的捕获跟踪模式，然后，在DDM数据计算及传输模式和底噪模式两种工作模式之间切换，在每种工作模式下的工作时长可设置，默认设置为5s；相应地，GNSS-R综合相关器装置与GNSS-R综合探测装置的工作模式保持一致；

如果GNSS-R综合探测装置进入遥控模式，则根据遥控指令配置GNSS-R综合探测装置的工作模式，GNSS-R综合探测装置每切换至一种工作模式，相关器遥控遥测模块分别给多通道阵列信号处理模块、相关器模块和固存模块发送工作模式控制指令信息，多通道阵列信号处理模块、相关器模块和固存模块切换至相应的工作模式；

作为一种实施例，GNSS-R综合探测装置切换至校准模式时，多通道阵列信号处理模块、相关器模块和固存模块相应切换至校准模式，在校准模式下，

相关器模块产生控制信号对时钟及参考单元的校正源进行校正控制，校正源产生校准信号，校准信号通过校准天线辐射至阵面，同时，校准信号通过环形器进入相关器模块；主控单元切换至直-反信号互相关状态，主控单元和计算单元之间的遥感数据接口关闭，主控单元和计算单元分别计算不同通道的相对延迟时间，并进行存储；

多通道阵列信号处理模块切换至遥感数据输出模式，将上视波束和下视波束的GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，并通过光纤接口给主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；

固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

作为一种实施例，GNSS-R综合探测装置切换至底噪模式时，多通道阵列信号处理模块、相关器模块和固存模块切换至底噪模式，在底噪模式下，

相关器模块产生射频组件的通道开关控制信号，传输给阵面遥控遥测模块；相关器模块控制射频组件的开关信号切换至匹配负载，相关器模块的主控单元与计算单元切换至直-反信号互相关状态，分别生成相应通道的带有底噪信息的DDM信息，使能主控单元的多功能接口用于供计算单元回传遥感数据，计算单元将相应通道的带有底噪信息的DDM信息通过多功能接口回传给主控单元；

多通道阵列信号处理模块切换至遥感数据输出模式，将上视波束和下视波束的GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，并通过光纤接口给主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；

固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

作为一种实施例，GNSS-R综合探测装置切换至DDM数据计算及传输模式，多通道阵列信号处理模块、相关器模块和固存模块切换至DDM数据计算及传输模式，在DDM数据计算及传输模式下，

相关器模块产生导航卫星信号的波束角控制信号，传输给多通道阵列信号处理模块；使能主控单元的多功能接口用于供计算单元回传遥感数据，计算单元将其计算的观测量、DDM信息通过多功能接口回传给主控单元，主控单元将观测量、DDM信息打包输出；

多通道阵列信号处理模块切换至遥感数据输出模式，将上视波束和下视波束的GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，并通过光纤接口给主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；

固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

作为一种实施例，GNSS-R综合探测装置切换至原始数据采集及传输模式，多通道阵列信号处理模块、相关器模块和固存模块切换至数据采集及传输模式，在数据采集及传输模式下，

相关器模块产生对固存模块的控制信号，与固存模块进行读操作、写操作；相关器模块的计算单元停止工作，同时，使能主控单元的多功能接口用于供固存模块回读GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；

多通道阵列信号处理模块将上视波束和下视波束的GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号通过LVDS信号传输给固存模块；

如果固存模块是满的，则进入读模式，主控模块从固存模块进行数据回读下传，并回告相关器遥控遥测模块其存储容量、已采集的数据时长等工作信息；

如果固存模块未满，则进入写模式，固存模块进行数据采集，并回告相关器遥控遥测模块其存储容量、已采集的数据时长等工作信息，同时记录此次采集的时长，直至固存模块写满，回告相关器遥控遥测模块相应的固存模块状态信息；

在数据回读下传过程中，如果固存模块的数据回传完毕，若当前工作模式没有发生切换，则继续进行新一轮的数据采集存储及回传，其中，采集数据的时长可通过相关器遥控遥测模块给多通道阵列信号处理模块发送遥控指令进行修改，采集数据的时长与据存储时帧的大小对应，默认设置采集数据的时长为3s；

在数据回传过程中，如果固存模块的数据未回传完毕，综合探测装置断电，则固存模块保存未回传的数据，或者也可通过相关器遥控遥测模块对固存模块进行数据擦除。

实施例2

基于实施例1，本实施例进一步提供相关器模块的结构，请参考图2，

相关器模块采用4AD+2FPGA+1DSP的硬件架构，采用分布式计算原理，通过相关器主控单元FPGA1控制计算单元FPGA2的方式，计算导航卫星信号的干涉式GNSS-R互相关功率谱。同时相关器模块还预留了扩展计算单元的通信接口，可有效扩展载荷的波束个数、互相关通道数目。

其中，4AD均采用AD9288模数转换器(analog to digital converter，ADC)，DSP采用DSP6678数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)。

实施例3

基于上述实施例，本实施例还提供了一种基于分布式计算的GNSS-R综合探测装置，包括上述实施例的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置。

以上发明实施例的基于分布式计算的新型GNSS-R相关器装置，可同时计算多个波束的GNSS直射-反射互相关功率谱，覆盖多个镜面反射区域，相对于传统的窄刈幅星载雷达高度计，成倍的扩大了GNSS-R探测装置的探测幅宽，在一定的时空分辨率下提高了对地、对海的表面参数探测精度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，包括：多通道阵列信号处理模块、相关器模块、相关器遥控遥测模块、固存模块和二次电源，其中，

所述多通道阵列信号处理模块用于接收GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号，并对所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行数字波束合成，输出最终形成的数字波束合成信号及所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；

所述相关器模块包括主控单元和计算单元，所述主控单元和计算单元完成导航卫星信号的波束角计算、理论镜面反射点计算、反射通道PRN选择、反射信号控制量计算、GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的采集、数据下传类型的选择；

所述相关器遥控遥测模块用于采集遥测信息及接收遥控指令，并将遥控指令发送给多通道阵列信号处理模块、相关器模块或固存模块；

所述固存模块用于存储和回发所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号的原始数据；

所述二次电源用于给所述多通道阵列信号处理模块、相关器模块、相关器遥控遥测模块和固存模块供电。

2.根据权利要求1所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，所述相关器模块预留有所述计算单元的通信接口。

3.根据权利要求1所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，所述主控单元设置有多功能接口，所述多功能接口可选择用作对所述固存模块的输出数据接口或对所述计算单元的DDM遥感数据接口。

4.根据权利要求1所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，其工作模式包括校准模式、底噪模式、DDM数据计算及传输模式和原始数据采集及传输模式。

5.根据权利要求4所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，在校准模式下，

所述相关器模块控制校正源产生校准信号，校准信号辐射至阵面，同时，校准信号进入所述相关器模块，所述主控单元和计算单元分别计算不同通道的相对延迟时间，并进行存储；

所述多通道阵列信号处理模块将所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，分别给所述主控单元和计算单元输出相应波束编号的波束信号；

所述固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

6.根据权利要求4所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，在底噪模式下，

所述相关器模块产生射频组件的通道开关控制信号，传输给阵面遥控遥测模块；所述主控单元与计算单元切换至直-反信号互相关状态，分别生成相应通道的带有底噪信息的DDM信息，所述计算单元将相应通道的带有底噪信息的DDM信息回传给所述主控单元；

所述多通道阵列信号处理模块将所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，分别给所述主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；

所述固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

7.根据权利要求4所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，在DDM数据计算及传输模式下，

所述相关器模块产生导航卫星信号的波束角控制信号，传输给所述多通道阵列信号处理模块；所述计算单元将其计算的观测量、DDM信息回传给所述主控单元，所述主控单元将观测量、DDM信息打包输出；

所述多通道阵列信号处理模块将所述GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号进行分组，分别给所述主控单元和计算单元分别输出相应波束编号的波束信号；

所述固存模块停止工作，不进行任何读写工作。

8.根据权利要求4所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，在数据采集及传输模式下，

所述多通道阵列信号处理模块将GNSS直射数字中频信号和GNSS反射数字中频信号通过LVDS信号传输给所述固存模块；

所述相关器模块产生对所述固存模块的控制信号，与所述固存模块进行读操作、写操作。

9.根据权利要求8所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，所述相关器模块与所述固存模块进行读操作、写操作的方法如下：

如果所述固存模块是满的，所述主控单元从固存模块进行数据回读下传；

如果所述固存模块未满，所述固存模块进行数据采集。

10.根据权利要求9所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置，其特征在于，在所述数据回读下传过程中，如果所述固存模块的数据回传完毕，若当前工作模式没有发生切换，则继续进行新一轮的数据采集存储及回传；

如果所述固存模块的数据未回传完毕时断电，则所述固存模块保存未回传的数据，或者对固存模块进行数据擦除。

11.一种基于分布式计算的GNSS-R综合探测装置，其特征在于，包括如权利要求1~10任一所述的基于分布式计算的GNSS-R相关器装置。

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