CN110988942B - 一种星载gnss-r镜面反射点位置精确计算方法 - Google Patents

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CN110988942B CN201911204308.7A CN201911204308A CN110988942B CN 110988942 B CN110988942 B CN 110988942B CN 201911204308 A CN201911204308 A CN 201911204308A CN 110988942 B CN110988942 B CN 110988942B
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Abstract

本发明公开了一种星载GNSS‑R镜面反射点位置精确计算方法，包括：步骤S1，根据GNSS卫星的位置点T和接收机卫星的位置点R，计算得到成镜面反射点的初始位置点S；步骤S2，计算得到初始入射角αt和初始反射角αr；步骤S3，根据初始入射角αt和初始反射角αr的角度大小关系，单向调整向量
Figure DDA0002296601950000011
方向；步骤S4，计算得到一次修正入射角αt1和一次修正反射角αr1；步骤S5，重复上述步骤S3～S4，直至入射角和反射角的角度大小关系发生翻转；步骤S6，在向量
Figure DDA0002296601950000012
和向量
Figure DDA0002296601950000013
之间使用角度二分法，重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal。本发明能够快速、精确地提取镜面反射点。

Description

一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法
技术领域
本发明属于导航信号与信号处理技术领域，尤其涉及一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法。
背景技术
利用全球导航卫星系统反射信号(Global navigation satellite systemreflectometry，GNSS-R)开展地球遥感的技术是一种新型的卫星遥感技术，可用于海面高度、海面风场(包括海面风速和风向)、土壤湿度等应用领域。
镜面反射点，定义为从发射机经地表反射到达接收机的所有可能路径中最短路径的反射位置。对镜面反射点的精确估算是GNSS-R遥感中的关键问题，主要体现在：(1)在GNSS反射信号前向散射模型中，镜面反射点位置的精确计算是消除路径损失误差、提高GNSS-R遥感反演精度的重要环节；(2)镜面反射点是GNSS反射信号搜索和捕获时确定估计多普勒频移和近似码相位偏移的参考中心，是GNSS-R遥感信号处理的基础；(3)镜面反射点的精确计算是保障星载高信噪比、窄波束天线动态指向精度的关键；(4)镜面反射点是GNSS-R遥感直接测量的地表位置信息，对位置的精确描述是遥感观测的前提；(5)镜面反射点位置的精确估计是某些海洋应用，例如海洋测高等应用的核心问题。因此，开展镜面反射点位置的精确定位研究，对GNSS-R遥感有重要意义。
现有镜面反射点估算算法主要有三类：S.C.Wu算法、C.Wagner算法和Gleason算法。后续在上述算法基础上先后出现各种改进方法，但核心思想仍包含在上述三种基本方法中。其主要存在的问题在于：现有镜面反射点估算算法均假设WGS 84参考椭球上的任意一点的法向和径向重合，并通过该假设判断是否满足菲涅尔反射定理的收敛条件。实际上，WGS 84参考椭球模型有两个显著特征，分别是：(1)除赤道外，WGS 84参考椭球面各点与相邻点的半径不同；(2)由于WGS 84参考椭球偏心率的影响，除赤道和两极外，WGS 84参考椭球面各点的法向和径向不重合。因此，采用WGS 84参考椭球模型、但假设球面上各点法向与径向重合，进而在判断收敛条件时采用径向代替法向的镜面反射点估算方法，对精确计算镜面反射点的位置会产生明显偏差。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，可快速提取镜面反射点的精确位置。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，包括：
步骤S1，根据GNSS卫星的位置点T和接收机卫星的位置点R，计算得到成镜面反射点的初始位置点S；
步骤S2，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr；
步骤S3，根据初始入射角αt和初始反射角αr的角度大小关系，单向调整向量
Figure BDA0002296601930000021
方向，调整后的向量记作向量
Figure BDA0002296601930000022
其中，点S1为向量
Figure BDA0002296601930000023
与WGS 84参考椭球面的交点，点O为地心；
步骤S4，计算得到点S1对应的一次修正入射角αt1和一次修正反射角αr1；
步骤S5，重复上述步骤S3～S4，直至点Si对应的i次修正入射角αti和i次修正反射角αri的角度大小关系与点Si-1对应的i-1次修正入射角αti-1和i-1次修正反射角αri-1的角度大小关系发生翻转，完成一次迭代；
步骤S6，在向量
Figure BDA0002296601930000024
和向量
Figure BDA0002296601930000025
之间使用角度二分法，重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，根据GNSS卫星的位置点T和接收机卫星的位置点R，计算得到成镜面反射点的初始位置点S，包括：
根据点R相对向量
Figure BDA0002296601930000026
的对称点U，以及点M相对向量
Figure BDA0002296601930000027
的对称点C，通过平行四边形法则，计算得到点M；其中，初始位置点S为点M的星下点；
计算点M对应的WGS 84参考椭球半径，并根据星下点关系，计算得到初始位置点S。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr，包括：
基于WGS 84参考椭球方程，计算得到初始位置点S的法向量；
根据初始位置点S的法向量，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，基于WGS 84参考椭球方程，计算得到初始位置点S的法向量，包括：
确定WGS 84参考椭球方程：
Figure BDA0002296601930000031
其中，点(x,y,z)为WGS 84参考椭球上的任意点，a为WGS 84参考椭球的长半轴，b为WGS 84参考椭球的短半轴；
对WGS 84参考椭球方程进行一阶求导，得到切平面上过点(x,y,z)的法向量参量
Figure BDA0002296601930000032
Figure BDA0002296601930000033
将初始位置点S代入法向量参量
Figure BDA0002296601930000034
得到初始位置点S的法向量。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，根据初始位置点S的法向量，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr，包括：
计算点T和点R到初始位置点S的单位向量；
根据初始位置点S的法向量、T和点R到初始位置点S的单位向量，通过余弦定理和向量内积原理，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，根据初始入射角αt和初始反射角αr的角度大小关系，单向调整向量
Figure BDA0002296601930000035
方向，调整后的向量记作向量
Figure BDA0002296601930000041
包括：
若ar>at，则向量
Figure BDA0002296601930000042
向GNSS卫星方向调整；反之，向量
Figure BDA0002296601930000043
向接收机卫星方向调整。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，点Si对应的i次修正入射角αti和i次修正反射角αri的角度大小关系与点Si-1对应的i-1次修正入射角αti-1和i-1次修正反射角αri-1的角度大小关系发生翻转，包括：
αti＞αri时，αti-1＜αri-1；或，αti＜αri时，αti-1＞αri-1。
在上述星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法中，在向量
Figure BDA0002296601930000044
和向量
Figure BDA0002296601930000045
之间使用角度二分法，重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal，包括：
利用角度二分法对向量
Figure BDA0002296601930000046
和向量
Figure BDA0002296601930000047
进行角度二分解算，得到二次迭代过程的初始向量
Figure BDA0002296601930000048
并确定二次迭代过程的初始向量
Figure BDA0002296601930000049
与WGS 84参考椭球面的交点S′；重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，克服了传统镜面反射点估算中，在计算满足菲涅尔反射定理的收敛条件时以WGS 84参考椭球法向与径向重合为假设计算入射角和反射角，从而导致计算出的镜面反射点不精确的问题，能够快速、精确地提取镜面反射点，同时给出一种利用地心向量微调镜面反射点计算方法。
附图说明
图1是本发明实施例中一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例中一种GNSS-R镜面反射测量几何关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1，在本发明实施例中，该星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，包括：
步骤S1，根据GNSS卫星的位置点T和接收机卫星的位置点R，计算得到成镜面反射点的初始位置点S。
在本实施例中，初始位置点S可以通过如下几何关系解算得到：
a)根据点R相对向量
Figure BDA0002296601930000051
的对称点U，以及点M相对向量
Figure BDA0002296601930000052
的对称点C，通过平行四边形法则，计算得到点M。
如图2，根据平行四边形法则可知：
Figure BDA0002296601930000053
则有：
Figure BDA0002296601930000054
其中，Hr表示点R与点R′之间的距离，Ht表示点T与点T′之间的距离；初始位置点S为点M的星下点，点R′为点R的星下点，点T′为点T的星下点。
进而计算得到点M：
Figure BDA0002296601930000055
b)计算点M对应的WGS 84参考椭球半径，并根据星下点关系，计算得到初始位置点S。
点M对应的WGS 84参考椭球半径rM为：
Figure BDA0002296601930000056
其中，a为WGS 84参考椭球的长半轴，a＝6378137；Mz表示点M在Z轴上的位置分量；e表示WGS 84参考椭球的偏心率，
Figure BDA0002296601930000057
f表示WGS 84参考椭球的扁率，f＝1/298.257223563。
最后，根据星下点关系，计算得到初始位置点S：
Figure BDA0002296601930000061
步骤S2，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr。
在本实施例中，首先，基于WGS 84参考椭球方程，计算得到初始位置点S的法向量；然后，根据初始位置点S的法向量，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr。
优选的，初始位置点S的法向量的计算过程如下：
a)确定WGS 84参考椭球方程：
Figure BDA0002296601930000062
其中，点(x,y,z)为WGS 84参考椭球上的任意点，a为WGS 84参考椭球的长半轴，b为WGS 84参考椭球的短半轴；a＝6378137，b＝a(1-f)。
b)对WGS 84参考椭球方程进行一阶求导，得到切平面上过点(x,y,z)的法向量参量
Figure BDA0002296601930000063
Figure BDA0002296601930000064
c)将初始位置点S代入法向量参量
Figure BDA0002296601930000065
得到初始位置点S的法向量。
优选的，初始入射角αt和初始反射角αr的计算过程如下：
a)计算点T和点R到初始位置点S的单位向量。
b)根据初始位置点S的法向量、T和点R到初始位置点S的单位向量，通过余弦定理和向量内积原理，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr。
步骤S3，根据初始入射角αt和初始反射角αr的角度大小关系，单向调整向量
Figure BDA0002296601930000066
方向，调整后的向量记作向量
Figure BDA0002296601930000067
其中，点S1为向量
Figure BDA0002296601930000068
与WGS 84参考椭球面的交点，点O为地心。
在本实施例中，通过调整向量方向对镜面反射点位置单向微调：若ar>at，则向量
Figure BDA0002296601930000069
向GNSS卫星方向(点T′方向)调整；反之，向量
Figure BDA00022966019300000610
向接收机卫星方向(点R′方向)调整。
以ar>at为例，调整方法为：
分别计算向量
Figure BDA0002296601930000071
的单位向量
Figure BDA0002296601930000072
和向量
Figure BDA0002296601930000073
的单位向量
Figure BDA0002296601930000074
Figure BDA0002296601930000075
根据向量关系计算调整后的向量
Figure BDA0002296601930000076
Figure BDA0002296601930000077
其中，k为向量调整因子，k值的大小与调整幅度呈反比，即当k取较大值时，向量
Figure BDA0002296601930000078
以较小的调整幅度向点T'方向偏移。
步骤S4，计算得到点S1对应的一次修正入射角αt1和一次修正反射角αr1。
在本实施例中，点S1对应的一次修正入射角αt1和一次修正反射角αr1的计算过程与计算初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr的流程类似，先计算点S1的法向量，再根据点S1的法向量计算得到点S1对应的一次修正入射角αt1和一次修正反射角αr1。
优选的，点S1的计算流程可以如下：
a)计算向量
Figure BDA0002296601930000079
的单位向量：
Figure BDA00022966019300000710
设参数式方程为：
Figure BDA00022966019300000711
其中，
Figure BDA00022966019300000712
(x0,y0,z0)为WGS 84参考椭球的中心坐标，t为中间参量。
因此，可得参数式方程为：
Figure BDA0002296601930000081
带入WGS 84参考椭球方程，得到中间参量t：
Figure BDA0002296601930000082
其中，
Figure BDA0002296601930000083
为向量
Figure BDA0002296601930000084
的三轴分量。
确定点S1：
Figure BDA0002296601930000085
步骤S5，重复上述步骤S3～S4，直至点Si对应的i次修正入射角αti和i次修正反射角αri的角度大小关系与点Si-1对应的i-1次修正入射角αti-1和i-1次修正反射角αri-1的角度大小关系发生翻转，完成一次迭代。
在本实施例中，度大小关系发生翻转具体是指：αti＞αri时，αti-1＜αri-1；或，αti＜αri时，αti-1＞αri-1。
步骤S6，在向量
Figure BDA0002296601930000086
和向量
Figure BDA0002296601930000087
之间使用角度二分法，重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal。
在本实施例中，向量
Figure BDA0002296601930000088
和向量
Figure BDA0002296601930000089
为两个临界向量，入射角和反射角大小关系翻转，表明镜面反射点位置在[Si-1，Si]范围内。利用角度二分法对向量
Figure BDA00022966019300000810
和向量
Figure BDA00022966019300000811
进行角度二分解算，得到二次迭代过程的初始向量
Figure BDA00022966019300000812
并确定二次迭代过程的初始向量
Figure BDA00022966019300000813
与WGS 84参考椭球面的交点S′；重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，其特征在于，包括：
步骤S1，根据GNSS卫星的位置点T和接收机卫星的位置点R，计算得到成镜面反射点的初始位置点S；
步骤S2，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr；包括：基于WGS 84参考椭球方程，计算得到初始位置点S的法向量；根据初始位置点S的法向量，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr；
步骤S3，根据初始入射角αt和初始反射角αr的角度大小关系，单向调整向量
Figure FDA0003300429980000011
方向，调整后的向量记作向量
Figure FDA0003300429980000012
其中，点S1为向量
Figure FDA0003300429980000013
与WGS 84参考椭球面的交点，点O为地心；
步骤S4，计算得到点S1对应的一次修正入射角αt1和一次修正反射角αr1；
步骤S5，重复上述步骤S3～S4，直至点Si对应的i次修正入射角αti和i次修正反射角αri的角度大小关系与点Si-1对应的i-1次修正入射角αti-1和i-1次修正反射角αri-1的角度大小关系发生翻转，完成一次迭代；其中，αti＞αri时，αti-1＜αri-1；或，αti＜αri时，αti-1＞αri-1；
步骤S6，在向量
Figure FDA0003300429980000014
和向量
Figure FDA0003300429980000015
之间使用角度二分法，重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal；
其中：
基于WGS 84参考椭球方程，计算得到初始位置点S的法向量，包括：
确定WGS 84参考椭球方程：
Figure FDA0003300429980000016
其中，点(x,y,z)为WGS 84参考椭球上的任意点，a为WGS 84参考椭球的长半轴，b为WGS84参考椭球的短半轴；
对WGS 84参考椭球方程进行一阶求导，得到切平面上过点(x,y,z)的法向量参量
Figure FDA0003300429980000021
Figure FDA0003300429980000022
将初始位置点S代入法向量参量
Figure FDA0003300429980000023
得到初始位置点S的法向量。
2.根据权利要求1所述的星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，其特征在于，根据GNSS卫星的位置点T和接收机卫星的位置点R，计算得到成镜面反射点的初始位置点S，包括：
根据点R相对向量
Figure FDA0003300429980000024
的对称点U，以及点M相对向量
Figure FDA0003300429980000025
的对称点C，通过平行四边形法则，计算得到点M；其中，初始位置点S为点M的星下点；
计算点M对应的WGS 84参考椭球半径，并根据星下点关系，计算得到初始位置点S。
3.根据权利要求1所述的星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，其特征在于，根据初始位置点S的法向量，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr，包括：
计算点T和点R到初始位置点S的单位向量；
根据初始位置点S的法向量、T和点R到初始位置点S的单位向量，通过余弦定理和向量内积原理，计算得到初始位置点S对应的初始入射角αt和初始反射角αr。
4.根据权利要求1所述的星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，其特征在于，根据初始入射角αt和初始反射角αr的角度大小关系，单向调整向量
Figure FDA0003300429980000026
方向，调整后的向量记作向量
Figure FDA0003300429980000027
包括：
若ar>at，则向量
Figure FDA0003300429980000028
向GNSS卫星方向调整；反之，向量
Figure FDA0003300429980000029
向接收机卫星方向调整。
5.根据权利要求1所述的星载GNSS-R镜面反射点位置精确计算方法，其特征在于，在向量
Figure FDA00033004299800000210
和向量
Figure FDA00033004299800000211
之间使用角度二分法，重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal，包括：
利用角度二分法对向量
Figure FDA00033004299800000212
和向量
Figure FDA00033004299800000213
进行角度二分解算，得到二次迭代过程的初始向量
Figure FDA0003300429980000031
并确定二次迭代过程的初始向量
Figure FDA0003300429980000032
与WGS 84参考椭球面的交点S′；重复角度二分进行多次迭代，直至满足菲涅尔反射条件，得到镜面反射点的精确位置Sfinal。
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