CN111458732A - 星载gnss-r对地遥感与大气降水一体化探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了星载GNSS‑R对地遥感与大气降水一体化探测装置及探测方法，包括第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线、下视双线极化天线、极化信号合成模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块、相关器模块、固存模块和电源及时钟模块。本发明采用全极化天线对导航卫星直射信号、掩星信号、反射信号进行全方位接收，圆极化、线极化遥感观测量数据，可应用于海面高度、海面风场、海冰/极地冰、掩星大气(电离层扰动、大气温湿度廓线、高空降雨量等)、有效波高、陆地水资源探测(土壤湿度、河流等)等要素的探测。

Description

星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及探测装置领域，特别涉及星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置及探测方法。

背景技术

星载GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)对地遥感与大气降水一体化探测装置采用双基雷达探测原理，是一项先进的、低成本的、隐蔽性高的微波遥感技术，通过对掩星信号中的线极化分量进行提取，可应用于大气降水量、大气温湿度、电离层电力密度等探测方面，通过对反射信号中的线极化分量、圆极化分量提取，可应用在土壤湿度、极地冰层、海面平均高度、海面风场等大气海洋环境要素探测方面。

目前，地基、机载、星载GNSS-R探测仪采集的信号都局限于圆极化信号，应用方面也多数是海面风场、海面高度、有效波高等，也有GNSS载荷的应用方向是面向电离层电子密度探测、大气温湿度廓线探测等，但并没有一种GNSS-R载荷是可以进行大气降水探测的，本专利提出的一种星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置采用的是多副线极化天线对掩星信号、反射信号进行接收，在数字中频部分进行信号的部分合成，形成右旋圆极化信号、左旋圆极化信号供相关通道进行多普勒延迟映射用，其中线极化信号中包含的信息更多，使得载荷可应用于大气降水量、大气温湿度、电离层电力密度等以及土壤湿度、极地冰层、海面平均高度、海面风场等大气海洋环境要素探测方面。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置及探测方法，通过对全极化信号的接收，数字中频合成信息的形式最大化的保留的遥感数据的原始形态，接收线极化信号使得载荷由应用在大气降水探测方面的可行性，将线极化信号数字化合成为圆极化信号使得载荷的应用能力得到了最大化扩展，同时也是一个可应用于大气海洋全方位环境要素探测的载荷。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明公开了星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，包括第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线、下视双线极化天线、极化信号合成模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块、相关器模块、固存模块和电源及时钟模块，其中：

所述第一上视POD天线与所述捕获跟踪模块通过射频电缆相连，用于接收高通带的导航卫星直射信号；

所述第二上视POD天线与所述捕获跟踪模块通过射频电缆相连，用于接收低通带的导航卫星直射信号；

所述前视双线极化天线与所述极化信号合成模块通过射频电缆相连，用于接收前视方向的导航卫星掩星信号；

所述后视双线极化天线与所述极化信号合成模块通过射频电缆相连，用于接收后视方向的导航卫星掩星信号；

所述下视双线极化天线与所述DBF合成模块通过射频电缆相连，用于接收对地方向的导航卫星反星信号；

所述极化信号合成模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于将线极化信号数字合成为圆极化信号；

所述捕获跟踪模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于对导航卫星直射信号的捕获和跟踪；

所述DBF合成模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于将下视高增益线极化信号的数字信号合成为圆极化信号；

所述相关器模块与所述DBF合成模块、极化信号合成模块、捕获跟踪模块和固存模块通过低频电缆相连，用于完成GNSS掩星信号、反射信号的互相关计算；

所述固存模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，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遥感数据；

所述电源及时钟模块与所述相关器模块、固存模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块和极化信号合成模块相连，用于给所述相关器模块、固存模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块和极化信号合成模块供电以及提供参考时钟。

进一步的，所述DBF合成模块采用将信号采集与信号加权合成的一体化设计。

进一步的，所述捕获跟踪模块采用采集数据预先存储再利用频域自适应FFT的捕获判决方式对直射信号进行码相位和多普勒的捕获，用于提高了捕获效率和捕获精度。

进一步的，所述相关器模块的工作模式包括校准模式、底噪模式、掩星/对地探测模式、原始数据采集及传输模式共4种工作模式。

进一步的，所述相关器模块根据工作模式指令完成导航卫星信号的波束角计算、镜面反射点计算、反射信号控制量计算、掩星信号控制量计算、原始数据的采集、数据下传类型的选择。

进一步的，所述相关器模块的掩星通道采用线极化信号，即输出遥感数据信息需包含垂直极化和水平极化的信息。

进一步的，所述相关器模块的反射通道采用线极化信号以及左旋圆极化信息，即输出遥感数据信息需包含垂直极化、水平极化、左旋圆极化信息。

本发明另外公开了星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置的探测方法，使用上述星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置进行探测，探测装置开机后，由相关处理器模块判断装置的工作方式，具体包括以下步骤：

步骤S1：如果装置进入自主工作模式，则按照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，然后在掩星/对地探测模式和底噪模式之间切换工作，即底噪模式5s，掩星/对地探测模式55s；

步骤S2：如果装置进入遥控工作模式，则由相关器模块接收外部遥控指令；

步骤S3：如果装置进入原始数据采集及传输模式，工作流程如下：

步骤S31：相关处理器将采集第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线和下视双线极化天线5个天线的数字中频信号，并传输至固存模块；

步骤S32：固存模块先回告的存储容量，已采集的数据时长等工作信息，如果固存是满的，则不进入写模式，进入读模式，并回告给相关处理器固存的存储容量，已采集的数据时长等工作信息；

步骤S33：如果固存并不满，进入写模式，并记录此次采集的时长，直至固存写满，回告给相关器相应的预警信息；

步骤S4：如果装置进入掩星/对地探测模式，工作流程如下：

步骤S41：相关器处理器切换至数据捕获定位、相关的工作状态，捕获跟踪模块采用采集数据预先存储，再利用频域自适应FFT的捕获判决方式对直射信号进行码相位和多普勒的捕获；

步骤S42：相关器处理器选择合适的卫星PRN作为反射通道以及掩星通道，并将选定的PRN对应的卫星的控制量传输至相应的多普勒延迟映射通道；

步骤S43：下视双线极化天线的波束控制信息由相关处理器计算，波束角信息有效时，波控器进行响应，完成对应波束编号的波束信号的接收；

步骤S44：在反射通道完成反射信号的功率谱在多普勒延迟维的映射，在掩星通道完成掩星信号的幅度相位在多普勒延迟维的映射；

步骤S45：固存模块停止工作，不进行任何读写工作；

步骤S5：如果装置进入校准模式，相关处理器控制校正源开启，反射通道、掩星通道正常映射，利用校正信号校正通道固定延迟差，固存模块不工作；

步骤S6：如果装置进入底噪模式，相关处理器控制低噪放开关切换，射频组件的开关信号切换至匹配负载，反射通道、掩星通道正常映射，输出底噪对应的映射信息，固存模块不工作。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明实施例星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，采用前视、后视线极化天线对掩星信号进行接收，线极化信号中包含的相位差信息为大气降水的探测提供了可行性；

2、本发明实施例星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，采用DBF数字波束合成技术来接收下视的反射信号，可对多个地球表面的镜面反射区域进行覆盖，成倍的扩大了探测幅宽，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；

3、本发明实施例星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，可输出GNSS掩星信号在不同多普勒频率、不同延迟时间的幅度、相位信息，此外，也可输出GNSS反射信号在不同多普勒频率、不同延迟时间的功率谱信息；

4、本发明实施例星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，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；

5、本发明实施例星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，根据遥控遥测信息，可工作在校准模式、底噪模式、掩星/对地探测模式、原始数据采集及传输模式共4种工作模式，利用采集的遥感信息可对仪器噪声、链路增益、通道间固定的延迟差等误差影响因素进行校正，为进一步提高遥感数据的反演精度提供数据源；

6、本发明实施例采用自适应捕获跟踪算法，预先存储一段中频数据，动态调整捕获门限，捕获效率更高，捕获精度更高。

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是本发明实施例星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例相关处理器模块的工作流程示意图。

【主要符号说明】

1-第一上视POD天线；

2-第二上视POD天线；

3-前视双线极化天线；

4-后视双线极化天线；

5-下视双线极化天线；

6-极化信号合成模块；

7-捕获跟踪模块；

8-DBF合成模块；

9-相关器模块；

10-固存模块；

11-电源及时钟模块。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的一种星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化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。

星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置应用于大气降水量、大气温湿度、电离层电力密度等以及土壤湿度、极地冰层、海面平均高度、海面风场等大气海洋环境要素探测方面。

实施例一

如图1所示，本发明公开了星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，包括第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线、下视双线极化天线、极化信号合成模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块、相关器模块、固存模块和电源及时钟模块，其中：

所述第一上视POD天线与所述捕获跟踪模块通过射频电缆相连，用于接收高通带的导航卫星直射信号；

所述第二上视POD天线与所述捕获跟踪模块通过射频电缆相连，用于接收低通带的导航卫星直射信号；

所述前视双线极化天线与所述极化信号合成模块通过射频电缆相连，用于接收前视方向的导航卫星掩星信号；

所述后视双线极化天线与所述极化信号合成模块通过射频电缆相连，用于接收后视方向的导航卫星掩星信号；

所述下视双线极化天线与所述DBF合成模块通过射频电缆相连，用于接收对地方向的导航卫星反星信号；

所述极化信号合成模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于将线极化信号数字合成为圆极化信号；

所述捕获跟踪模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于对导航卫星直射信号的捕获和跟踪；

所述DBF合成模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于将下视高增益线极化信号的数字信号合成为圆极化信号；

所述相关器模块与所述DBF合成模块、极化信号合成模块、捕获跟踪模块和固存模块通过低频电缆相连，用于完成GNSS掩星信号、反射信号的互相关计算；

所述固存模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，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遥感数据；

所述电源及时钟模块与所述相关器模块、固存模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块和极化信号合成模块相连，用于给所述相关器模块、固存模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块和极化信号合成模块供电以及提供参考时钟。

本实施例中，所述DBF合成模块采用将信号采集与信号加权合成的一体化设计。

此外，所述捕获跟踪模块采用采集数据预先存储再利用频域自适应FFT的捕获判决方式对直射信号进行码相位和多普勒的捕获，用于提高了捕获效率和捕获精度。

本实施例中，所述相关器模块的工作模式包括校准模式、底噪模式、掩星/对地探测模式、原始数据采集及传输模式共4种工作模式。

进一步的，所述相关器模块根据工作模式指令完成导航卫星信号的波束角计算、镜面反射点计算、反射信号控制量计算、掩星信号控制量计算、原始数据的采集、数据下传类型的选择。

一实施例中，所述相关器模块的掩星通道采用线极化信号，即输出遥感数据信息需包含垂直极化和水平极化的信息。相应的，所述相关器模块的反射通道采用线极化信号以及左旋圆极化信息，即输出遥感数据信息需包含垂直极化、水平极化、左旋圆极化信息。

本实施例中，所述星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置的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。本实施例中，所述星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置的工作方式包括工作模式、控制模式、测量模式、导航模式中的一种或多种。

实施例二

如图2所示，本发明另外公开了星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置的探测方法，使用上述星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置进行探测，探测装置开机后，由相关处理器模块判断装置的工作方式，具体包括以下步骤：

步骤S1：如果装置进入自主工作模式，则按照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，然后在掩星/对地探测模式和底噪模式之间切换工作，即底噪模式5s，掩星/对地探测模式55s；

步骤S2：如果装置进入遥控工作模式，则由相关器模块接收外部遥控指令；

步骤S3：如果装置进入原始数据采集及传输模式，工作流程如下：

步骤S31：相关处理器将采集第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线和下视双线极化天线5个天线的数字中频信号，并传输至固存模块；

步骤S32：固存模块先回告的存储容量，已采集的数据时长等工作信息，如果固存是满的，则不进入写模式，进入读模式，并回告给相关处理器固存的存储容量，已采集的数据时长等工作信息；

步骤S33：如果固存并不满，进入写模式，并记录此次采集的时长，直至固存写满，回告给相关器相应的预警信息；

步骤S4：如果装置进入掩星/对地探测模式，工作流程如下：

步骤S41：相关器处理器切换至数据捕获定位、相关的工作状态，捕获跟踪模块采用采集数据预先存储，再利用频域自适应FFT的捕获判决方式对直射信号进行码相位和多普勒的捕获；

步骤S42：相关器处理器选择合适的卫星PRN作为反射通道以及掩星通道，并将选定的PRN对应的卫星的控制量传输至相应的多普勒延迟映射通道；

步骤S43：下视双线极化天线的波束控制信息由相关处理器计算，波束角信息有效时，波控器进行响应，完成对应波束编号的波束信号的接收；

步骤S44：在反射通道完成反射信号的功率谱在多普勒延迟维的映射，在掩星通道完成掩星信号的幅度相位在多普勒延迟维的映射；

步骤S45：固存模块停止工作，不进行任何读写工作；

步骤S5：如果装置进入校准模式，相关处理器控制校正源开启，反射通道、掩星通道正常映射，利用校正信号校正通道固定延迟差，固存模块不工作；

步骤S6：如果装置进入底噪模式，相关处理器控制低噪放开关切换，射频组件的开关信号切换至匹配负载，反射通道、掩星通道正常映射，输出底噪对应的映射信息，固存模块不工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，包括第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线、下视双线极化天线、极化信号合成模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块、相关器模块、固存模块和电源及时钟模块，其中：

所述第一上视POD天线与所述捕获跟踪模块通过射频电缆相连，用于接收高通带的导航卫星直射信号；

所述第二上视POD天线与所述捕获跟踪模块通过射频电缆相连，用于接收低通带的导航卫星直射信号；

所述前视双线极化天线与所述极化信号合成模块通过射频电缆相连，用于接收前视方向的导航卫星掩星信号；

所述后视双线极化天线与所述极化信号合成模块通过射频电缆相连，用于接收后视方向的导航卫星掩星信号；

所述下视双线极化天线与所述DBF合成模块通过射频电缆相连，用于接收对地方向的导航卫星反星信号；

所述极化信号合成模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于将线极化信号数字合成为圆极化信号；

所述捕获跟踪模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于对导航卫星直射信号的捕获和跟踪；

所述DBF合成模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，用于将下视高增益线极化信号的数字信号合成为圆极化信号；

所述相关器模块与所述DBF合成模块、极化信号合成模块、捕获跟踪模块和固存模块通过低频电缆相连，用于完成GNSS掩星信号、反射信号的互相关计算；

所述固存模块与所述相关器模块通过低频电缆相连，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遥感数据；

所述电源及时钟模块与所述相关器模块、固存模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块和极化信号合成模块相连，用于给所述相关器模块、固存模块、捕获跟踪模块、DBF合成模块和极化信号合成模块供电以及提供参考时钟。

2.根据权利要求1所述的星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，所述DBF合成模块采用将信号采集与信号加权合成的一体化设计。

3.根据权利要求1所述的星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，所述捕获跟踪模块采用采集数据预先存储再利用频域自适应FFT的捕获判决方式对直射信号进行码相位和多普勒的捕获，用于提高了捕获效率和捕获精度。

4.根据权利要求1所述的星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，所述相关器模块的工作模式包括校准模式、底噪模式、掩星/对地探测模式、原始数据采集及传输模式共4种工作模式。

5.根据权利要求1所述的星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，所述相关器模块根据工作模式指令完成导航卫星信号的波束角计算、镜面反射点计算、反射信号控制量计算、掩星信号控制量计算、原始数据的采集、数据下传类型的选择。

6.根据权利要求1所述的星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，所述相关器模块的掩星通道采用线极化信号，即输出遥感数据信息需包含垂直极化和水平极化的信息。

7.根据权利要求1所述的星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置，其特征在于，所述相关器模块的反射通道采用线极化信号以及左旋圆极化信息，即输出遥感数据信息需包含垂直极化、水平极化、左旋圆极化信息。

8.星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置的探测方法，其特征在于，使用上述权利要求1-7中任意一项所述星载GNSS-R对地遥感与大气降水一体化探测装置进行探测，探测装置开机后，由相关处理器模块判断装置的工作方式，具体包括以下步骤：

步骤S1：如果装置进入自主工作模式，则按照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，然后在掩星/对地探测模式和底噪模式之间切换工作，即底噪模式5s，掩星/对地探测模式55s；

步骤S2：如果装置进入遥控工作模式，则由相关器模块接收外部遥控指令；

步骤S3：如果装置进入原始数据采集及传输模式，工作流程如下：

步骤s31：相关处理器将采集第一上视POD天线、第二上视POD天线、前视双线极化天线、后视双线极化天线和下视双线极化天线5个天线的数字中频信号，并传输至固存模块；

步骤S32：固存模块先回告的存储容量，已采集的数据时长等工作信息，如果固存是满的，则不进入写模式，进入读模式，并回告给相关处理器固存的存储容量，已采集的数据时长等工作信息；

步骤S33：如果固存并不满，进入写模式，并记录此次采集的时长，直至固存写满，回告给相关器相应的预警信息；

步骤S4：如果装置进入掩星/对地探测模式，工作流程如下：

步骤S41：相关器处理器切换至数据捕获定位、相关的工作状态，捕获跟踪模块采用采集数据预先存储，再利用频域自适应FFT的捕获判决方式对直射信号进行码相位和多普勒的捕获；

步骤S42：相关器处理器选择合适的卫星PRN作为反射通道以及掩星通道，并将选定的PRN对应的卫星的控制量传输至相应的多普勒延迟映射通道；

步骤S43：下视双线极化天线的波束控制信息由相关处理器计算，波束角信息有效时，波控器进行响应，完成对应波束编号的波束信号的接收；

步骤S44：在反射通道完成反射信号的功率谱在多普勒延迟维的映射，在掩星通道完成掩星信号的幅度相位在多普勒延迟维的映射；

步骤S45：固存模块停止工作，不进行任何读写工作；

步骤S5：如果装置进入校准模式，相关处理器控制校正源开启，反射通道、掩星通道正常映射，利用校正信号校正通道固定延迟差，固存模块不工作；

步骤S6：如果装置进入底噪模式，相关处理器控制低噪放开关切换，射频组件的开关信号切换至匹配负载，反射通道、掩星通道正常映射，输出底噪对应的映射信息，固存模块不工作。

Images