CN111580080A - 一种基于船载gnss-r的有效波高反演方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于船载GNSS‑R的有效波高反演方法及系统，其中方法包括如下步骤：获取北斗导航卫星和GPS导航卫星的直射信号和反射信号；将获取的直射信号和反射信号进行变频、混频、A/D转换以及DSP处理从而生成导航卫星反射信号的时延多普勒DDM图谱以及反射信号的干涉复数场ICF图谱；通过对北斗和GPS导航卫星的反射信号处理分析建立基于ICF的有效波高反演模型，根据反射信号的干涉复数场ICF模型计算有效波高数据；对有效波高反演模型和基于信噪比SNR的反演模型的反演数据赋予不同的权值从而构建参数自适应混合模型，并完成模型参数的自适应变化调整，从而确定有效波高反演模型。

Description

一种基于船载GNSS-R的有效波高反演方法及系统
技术领域
本发明涉及海面有效波技术领域，尤其涉及一种基于船载GNSS-R的有效波高反演方法及系统。
背景技术
GNSS-R的基本技术特点是利用反射的导航卫星伪随机测距码信号或者载波信号，提取目标反射面特征，其工作模式为收发分置的多基雷达模式，与传统的遥感技术比较，其优势集中体现为：无需发射机、大量信号源、扩频通信技术、应用面宽。海面有效波高对于海洋环境监测与远洋航运的安全可持续发展意义重大，传统监测海面有效波高的主要方式是通过海洋观测站以及航海波浪观测仪，上述监测方式获取数据量非常小、代表性弱而且维护费用高。同时传统的基于GNSS-R的有效波高反演模型主要是基于干涉复数场ICF以及相关函数的导数DCF，计算量复杂同时反演精度低，容易受到监测设备安装位置的影响从而影响模型参数和反演精度。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于船载GNSS-R的有效波高反演方法，包括如下步骤：
获取北斗导航卫星和GPS导航卫星的直射信号和反射信号；
将获取的北斗导航卫星和GPS导航卫星的直射信号和反射信号进行变频、混频、A/D转换以及DSP处理从而生成导航卫星反射信号的时延多普勒DDM图谱以及反射信号的干涉复数场ICF图谱；
通过对北斗和GPS导航卫星的反射信号处理分析建立基于ICF的有效波高反演模型，根据反射信号的干涉复数场ICF模型计算有效波高数据；
通过对北斗和GPS导航卫星的反射信号DDM图谱的相关功率分布曲线计算反射信号的信噪比，建立基于信噪比SNR的反演模型并计算有效波高数据；
对有效波高反演模型和基于信噪比SNR的反演模型的反演数据赋予不同的权值从而构建参数自适应混合模型，同时以航海雷达观测仪观测数据为依据通过机器学习对参数自适应混合模型计算出的数据进行学习验证、完成模型参数的自适应变化调整，从而确定有效波高反演模型。
进一步的，所述基于ICF的有效波高反演模型采用如下方式表示：
Figure BDA0002516509930000021
其中τF为反射信号的干涉复数场ICF的相关时间，其中，a、b、c是待定系数，根据GNSS-R接收机具体的测试地点进行设置输入；
通过对导航卫星反射信号的相关功率和信噪比进行分析，获取反射信号的时延多普勒DDM图谱，由时延多普勒DDM图谱建立基于信噪比SNR的反演模型为：
Figure BDA0002516509930000022
其中，A、B为拟合系数，根据对反射信号的信噪比拟合出的参数决定。
进一步的，所述参数自适应混合模型为
SWH＝1/2(mSWH1+nSWH2) (3)
其中，权值m、n根据对观测数据的训练学习不断调整数值，通过采用机器学习技术对权值进行改变与航海雷达观测仪观测数据进行训练学习完成。
一种海面有效波高反演系统，包括：
上视天线，即左旋圆极化天线，用于接收导航卫星发出的直射信号、对卫星信号进行捕获和跟踪，从而对GNSS-R硬件接收机进行定位、测速；另外还对导航卫星进行定位、测速和测距；所述上视天线根据GNSS-R几何关系估计导航卫星的直射信号与反射信号之间的延迟、反射信号的多普勒频移。
该上视天线为四阵列高增益天线，通过单馈点结构实现天线阵列单元的组阵，并通过连续旋转馈电结构，降低各天线单元之间的互偶系数。
下视天线即右旋圆极化天线，接收海面反射的卫星信号、同时利用本地产生的载波和伪随机码计算多普勒延迟二维相关功率；由于卫星信号经过反射面反射后已经十分微弱，所以下视天线的信号增益12dBi要高于上视天线的增益3dBi才能保证接收机可以成功采集到反射信号。
多普勒延迟映射接收机：接收上视天线以和下视天线传送的射频信号并转换成中频信号、将量化后的信息分别传送至FPGA中的直射通道和反射通道，其中直射通道配合DSP基带数字信号处理进行卫星的捕获跟踪以及导航定位和卫星状态信息的解算，并通过直射信号处理的结算信息配置反射通道，控制时间延迟、进而得到不同时延下的卫星反射信号的相关值和相关功率值。
由于采用了上述技术方案，本发明公开的一种基于船载GNSS-R的有效波高反演方法，其中方法采集GNSS导航卫星信号源丰富，覆盖面积大，而且无需信号发射机，相比于传的海面有效波高监测方式维护费用低，测量范围广阔，而且本方法中提出的模型计算出有效波高数据的精度更高，为海洋环境状态监测提供技术支撑；基于船载GNSS-R的有效波高反演系统可以充分的拓展GNSS-R的应用领域，而且本专利中提出的GNSS-R有效波高反演系统同时兼顾了软件和硬件两部分，硬件设备通过FPGA+DSP相结合的方式降低研发成本，同时具备较高的信号处理能力，软件部分实现了反射信号的显示和分析功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本发明ICF模型构建流程图
图2为本发明SNR模型构建流程图
图3为本发明参数自适应混合模型流程图
图4为本发明船载GNSS-R有效波高反演示意图
图5为本发明GNSS-R系统构建框图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种基于船载GNSS-R的有效波高反演方法，具体包括如下步骤：
船载GNSS-R硬件接收机通过上视天线、下视天线分别获取导航卫星的直射信号和遇到反射界面反射后的反射信号，经过不同的串口和传输波特率将原始数据传送至多普勒延迟映射接收机DDMR进行后续处理。
进一步的，在多普勒延迟映射接收机DDMR内将获取的直射信号和反射信号进行变频、混频、A/D转换以及DSP模块处理改变成数字中频信号，从而生成导航卫星反射信号的时延多普勒DDM图谱以及反射信号的干涉复数场ICF图谱。
进一步的，通过软件干涉式处理算法对导航卫星的反射信号进行处理分析从而建立基于ICF的有效波高反演模型，干涉式处理算法利用全码互相关原理，将导航卫星上面调制的CA码、P码、M码全部进行混合相关，即直接把反射信号和直射信号进行互相关操作得到全码互相关曲线，最后根据反射信号的干涉复数场ICF模型输出有效波高数据SWH1，具体流程如图1所示。
进一步的，通过软件系统中的Clean replica算法对反射信号进行分析从而生成反射信号的DDM图谱，Clean replica算法将接收到的反射信号和本地生成的CA码进行相干积分和非相干累加，即通过伪随机码的自相关和互相关构建反射信号的DDM图谱，在DDM图谱的基础上对反射信号的一维时延相关函数曲线和时延多普勒相关功率分布曲线分析计算反射信号的信噪比，基于信噪比数据建立基于信噪比SNR的反演模型并计算有效波高数据SWH2具体流程如图2所示。
进一步的对干涉复数场ICF反演模型和基于相关功率信噪比SNR的反演模型的反演数据赋予不同的权值从而构建最终的参数自适应混合模型，同时以航海雷达观测仪观测数据为依据并通过机器学习对参数自适应混合模型计算出的数据进行学习验证、完成从而完成模型权值参数的自适应变化调整，继而确定有效波高反演模型，具体流程如图3和图所示。
所述基于ICF的有效波高反演模型采用如下经验公式表示：
Figure BDA0002516509930000041
其中τF为反射信号的干涉复数场ICF的相关时间，其中，a、b、c是待定系数，根据GNSS-R接收机具体的测试地点进行设置。
通过对导航卫星反射信号的相关功率和信噪比进行分析，获取反射信号的时延多普勒DDM图谱，由时延多普勒DDM图谱建立基于信噪比SNR的反演模型为：
Figure BDA0002516509930000042
其中，A、B为拟合系数，根据对反射信号的信噪比拟合出的参数决定。
所述参数自适应混合模型为
SWH＝1/2(mSWH1+nSWH2) (3)
其中，权值m、n根据对观测数据的训练学习不断调整数值，通过采用机器学习技术对权值进行改变与航海雷达观测仪观测数据进行训练学习完成。
如图5所示，一种海面有效波高反演系统，包括：
上视天线，即左旋圆极化天线，用于接收导航卫星发出的直射信号、对卫星信号进行捕获和跟踪，从而对GNSS-R硬件接收机进行定位、测速；另外还对导航卫星进行定位、测速和测距；所述上视天线根据GNSS-R几何关系估计导航卫星的直射信号与反射信号之间的延迟、反射信号的多普勒频移。
该上视天线为四阵列高增益天线，通过单馈点结构实现天线阵列单元的组阵，并通过连续旋转馈电结构，降低各天线单元之间的互偶系数，为了实现对导航卫星反射信号的放大接收，上视天线增益3dBi。
下视天线即右旋圆极化天线，接收海面反射的卫星信号、同时利用本地产生的载波和伪随机码计算多普勒延迟二维相关功率；由于卫星信号经过反射面反射后已经十分微弱，所以下视天线的信号增益12dBi要高于上视天线的增益3dBi才能保证接收机可以成功采集到反射信号。
多普勒延迟映射接收机：接收上视天线以和下视天线传送的射频信号并转换成中频信号、将量化后的信息分别传送至FPGA中的直射通道和反射通道，其中直射通道配合DSP基带数字信号处理进行卫星的捕获跟踪以及导航定位和卫星状态信息的解算，并通过直射信号处理的结算信息配置反射通道，控制时间延迟、进而得到不同时延下的卫星反射信号的相关值和相关功率值。
进一步的，多普勒延迟映射接收机主芯片FPGA型号选择Xilinx公司的Kintex系列FPGA芯片XC7K410-2FFG900I，主芯片DSP型号TI公司的TMS3206748bzwt。原始数据的输出接口为USB3.0接口，多普勒延迟映射接收机处理数据的输出接口是RS232串口，其中串口1传输直射信号的状态信息，数据传输速率115200bps，串口2传输GPS反射通道的DDM曲线，数据传输速率256000bps，串口3传输北斗导航卫星的反射通道的DDM曲线，数据传输速率2456000bps，串口4传输GPS反射通道的ICF曲线，数据传输速率256000bps，以上信息均可以存储在PC机中。
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于船载GNSS-R的有效波高反演方法，其特征在于包括：
分别获取北斗导航卫星和GPS导航卫星的直射信号和反射信号；
将获取的直射信号和反射信号进行变频、混频、A/D转换以及DSP处理从而生成对应导航卫星反射信号的时延多普勒DDM图谱以及反射信号的干涉复数场ICF图谱；
通过对北斗和GPS卫星的反射信号分析处理建立基于ICF的有效波高反演模型，根据反射信号的干涉复数场ICF模型计算有效波高数据SWH1；
计算北斗导航卫星和GPS卫星的反射信号时延多普勒DDM图谱的相关功率分布曲线和反射信号的信噪比，对信噪比进行处理并建立基于信噪比SNR的反演模型从而计算有效波高数据SWH2；
对上述干涉复数场ICF模型和基于信噪比SNR的反演模型的反演数据赋予不同的权值从而构建参数自适应混合模型，同时以航海雷达观测仪观测数据为依据通过机器学习对参数自适应混合模型计算出的数据进行学习验证、完成模型参数的自适应变化调整，从而确定有效波高反演模型进行有效波高的反演计算。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：所述基于ICF的有效波高反演模型采用如下方式表示：
Figure FDA0002516509920000011
其中τF为反射信号的干涉复数场ICF的相关时间，其中，a、b、c是待定系数，根据GNSS-R硬件接收机具体的测试地点进行输入设置；
通过对北斗和GPS导航卫星反射信号的相关功率和信噪比进行分析，获取反射信号的时延多普勒DDM图谱，由时延多普勒DDM图谱建立基于信噪比SNR的反演模型为：
Figure FDA0002516509920000012
其中，A、B为拟合系数，根据对反射信号的信噪比拟合出的参数决定。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于：所述参数自适应混合模型为
SWH＝1/2(mSWH1+nSWH2) (3)
其中，权值m、n根据对观测数据的训练学习不断调整数值，采用机器学习技术对航海雷达观测仪的观测数据进行训练学习从而完成对模型权值的自适应更新。
4.一种海面有效波高反演系统，其特征在于包括：
上视天线(左旋圆极化天线)，接收北斗导航卫星和GPS导航卫星发出的直射信号，对卫星信号进行捕获和跟踪，从而对GNSS-R硬件接收机进行定位和测速；所述上视天线还对导航卫星进行定位、测速和测距、根据GNSS-R几何关系估计导航卫星的直射信号与反射信号之间的延迟以及反射信号的多普勒频移；
下视天线(右旋圆极化天线)，接收海面反射的北斗导航卫星和GPS卫星的反射信号、同时在多普勒延迟映射接收机DDMR内利用本地产生的载波和伪随机码计算多普勒延迟二维相关功率，根据相关功率数据计算反射信号的DDM图谱和ICF图谱。
多普勒延迟映射接收机：接收上视天线以和下视天线传送的射频信号并转换成中频信号、将量化后的信息分别传送至FPGA中的直射通道和反射通道，其中直射通道配合DSP基带数字信号处理进行卫星的捕获跟踪以及导航定位和卫星状态信息的解算，并通过直射信号处理的结算信息配置反射通道，控制时间延迟、进而得到不同时延下的卫星反射信号的相关值和相关功率值。
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