CN112363185B - 一种星载iGNSS-R测高精度评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载iGNSS‑R测高精度评估方法，包括：获取下视、上视天线综合增益天线方向图；根据获取的下视、上天线综合增益天线方向图，构建iGNSS‑R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型；根据构建得到的iGNSS‑R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，对iGNSS‑R测高卫星的测高精度进行评估。本发明以提高iGNSS‑R海面测高表现估计精度为目标，首次建立了适用于星载iGNSS‑R海面测高场景下方向性系数扫描损失误差模型，获得上、下视数字多波束相控阵天线在不同卫星高度角下的方向性系数扫描损失，进而应用该模型通过更准确估计信噪比提高iGNSS‑R测高精度。
Description
技术领域
本发明属于卫星测高学技术领域，尤其涉及一种星载iGNSS-R测高精度评估方法。
背景技术
GNSS-R(Global Navigation Satellite System Reflectometry)海面测高作为卫星导航与遥感有机融合的新型对地观测技术，能够明显改善中尺度海洋高度模型。自从Martin-Neira在1993年首次提出PARIS(PAssive Reflectometry and InterferometricSystem)概念以来，GNSS-R海面测高技术的可行性已在岸基、机载、星载等观测平台得到验证，进一步改善测高精度是推动其应用的关键。高精度GNSS-R海面测高数据能够有效改善海洋物理模型的反演精度，对于精细化研究海洋运动具有重要意义。
目前已实现的星载GNSS-R散射任务均采用cGNSS-R技术(conventional GNSS-R)，如UK-DMC(UK Disaster Monitoring Constellation，发射于2003年9月27日)、TDS-1(TechDemoSat-1，发射于2014年7月8日)、3Cat-2(发射于2016年8月15日)、CYGNSS(CycloneGlobal Navigation Satellite System，发射于2016年12月15日)以及Catching WindNo.1 Constellation(发射于2019年6月5日)。然而，由于上述卫星任务均不是针对海面测高设计，其中使用TDS-1以及CYGNSS测量海面高度的误差在2.5m(1Hz)以上，难以满足精细化研究海洋运动对海面高度的高精度要求。上述星载GNSS-R任务均采用了低增益(方向性系数小于15dBi)的定向天线，导致接收信号的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)较低，同时C/A码的带宽(2.046MHz)比较窄，这两种因素限制了cGNSS-R的测高表现。
为了克服带宽限制，Martin-Neira等先后提出了iGNSS-R概念及相关模型。相比于cGNSS-R技术，iGNSS-R技术能够提取GNSS发射信号中所有的频谱分量，提高自相关函数的清晰度，从而提高测高精度。影响iGNSS-R测高表现的另一个重要因素就是接收信号的信噪比SNR。由于直射信号与反射信号进行相关以及信号带宽增加会带来更高的热噪声，因此需要使用方向性系数更高的直射/反射信号接收天线提高信噪比SNR。此外，iGNSS-R无法根据码结构区分GNSS卫星，需要天线合成多个指向可变的波束同时对多个GNSS反射信号进行捕获和跟踪，工作原理如图1所示。因此，高增益(方向性系数大于20dBi)的数字多波束相控阵天线是星载iGNSS-R技术实现高精度海面测高的关键载荷。
目前尚未有发射运行的GNSS-R测高卫星，但是欧盟已发布的GNSS-R测高计划均采用了数字多波束相控阵天线，如PARIS IoD(PARIS In-orbit Demonstrator，2011年提出)、GEROS-ISS(GNSS reflectometry,radio occultation,and scatterometry onboard theInternational Space Station，2011年提出)；Cookie星座(2016年提出)；G-TERN(GNSSTranspolar Earth Reflectometry exploriNg system，2018年提出)。因此，根据天线参数进行GNSS-R测高表现的评估对于星载iGNSS-R测高卫星的设计至关重要。当数字多波束相控阵天线接收GNSS直射信号与反射信号时，会通过功分器和移相器将扫描波束增益的峰值方向指向发射机和镜面反射点，进而提高接收信号的信噪比。
影响iGNSS-R测高表现的数字多波束相控阵参数主要包括方向性系数、扫描角度(波束指向)以及波束数量。其中，数字多波束相控阵天线在实现波束的电子扫描控制过程中，由于阵元方向图的下降趋势会造成天线方向性系数损失，甚至可达10dB以上。因此，不同扫描角下的天线方向性系数并不相同，进而导致接收信号的信噪比变化，影响iGNSS-R测高精度。目前已有相关学者研究天线方向性系数对iGNSS-R测高表现影响时考虑了方向性系数扫描损失误差。2014年，Camps A等提出了优化iGNSS-R测高卫星配置的方法，并将其应用于PARIS IOD任务估计了方向性系数在15～25dBi时的信噪比，其中将扫描损失值分别设置为2.8dB和1.6dB；2017年，Camps A等评估了GREOS-ISS海面测高的表现时，提出GAB(GEROS antenna beamformer)包含扫描损失时的噪声系数不高于3.5dB，并考虑该因素分析了测高误差对天线方向性系数的敏感性。然而，目前尚未建立适用于星载iGNSS-R海面测高场景下的天线方向性系数扫描损失误差模型分析扫描损失对测高表现估计的影响。
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iGNSS-R测高精度评估方法，提高iGNSS-R海面测高表现估计精度为目标，首次建立了适用于星载iGNSS-R海面测高场景下方向性系数扫描损失误差模型，获得上、下视数字多波束相控阵天线在不同卫星高度角下的方向性系数扫描损失，进而应用该模型通过更准确估计信噪比提高iGNSS-R测高精度。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种星载iGNSS-R测高精度评估方法，包括：
获取下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图；
根据获取的下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图，构建iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型；
根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，对iGNSS-R测高卫星的测高精度进行评估。
在上述星载iGNSS-R测高精度评估方法中，
下视天线综合增益天线方向图为：
上视天线综合增益天线方向图为：
其中，ξR表示下视天线接收机相对于镜面点的高度角的补角，表示下视天线接收机相对于镜面点的方位角，/>表示下视天线每个阵元的复电压计，/>表示下视天线扫描波束的高度角，/>表示下视天线扫描波束的方位角，/>表示由下视天线口径决定的方向性系数最大值；ξD表示上视天线接收机相对于镜面点的高度角的补角，/>表示上视天线接收机相对于镜面点的方位角，/>表示上视天线每个阵元的复电压计，/>表示上视天线扫描波束的高度角，/>表示上视天线扫描波束的方位角,/>表示由下视天线口径决定的方向性系数最大值；EF表示阵元因子，M和N表示相控阵中x和y方向上的阵元数量，/>和/>表示下视天线阵元在相控阵平面坐标系中的位置，/>和/>表示上视天线阵元在相控阵平面坐标系中的位置，λ表示信号波长；/>
ΔxR和ΔyR表示下视天线相控阵中x和y方向上的阵元间隔，ΔxD和ΔyD表示上视天线相控阵中x和y方向上的阵元间隔，i＝1,…,N，η＝1,…,M；
其中：
在上述星载iGNSS-R测高精度评估方法中，根据获取的下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图，构建iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，包括：
令则由公式(1.1)和(2.1)可得：
令则由公式(1.2)和(2.2)可得：
根据iGNSS-R测高卫星几何关系，确定ξR和ξD与镜面反射点处的卫星高度角θS之间的关系：
其中，RE表示地球半径；HT和HR分别表示发射机和接收机的轨道高度；
通过三角几何关系确定GNSS卫星到镜面点的距离RT和GNSS卫星到接收机的距离RD：
将公式(5)和(6)代入公式(3)和(4)，得到镜面反射点处的上视天线由于波束扫描造成的方向性系数损失和镜面反射点处的下视天线由于波束扫描造成的方向性系数损失/>
将公式(7)和公式(8)作为构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型。
在上述星载iGNSS-R测高精度评估方法中，根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，对iGNSS-R测高卫星的测高精度进行评估，包括：
根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比和不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比/>
根据和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>
在上述星载iGNSS-R测高精度评估方法中，根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比和不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比/>包括：
确定iGNSS-R测高卫星信噪比SNRiR(τ)：
其中，<|YS(τ)|2>和<|YN(τ)|2>分别表示信号功率和噪声功率；<|YNd(τ)|2>、<|YNr(τ)|2>和<|YNdr(τ)|2>分别表示直射通道噪声功率、反射通道噪声功率和直/反噪声相关功率；Tcoh表示互相关积分时间；Bmin表示GNSS信号和接收机的带宽最小值；SNRR,in(τ)表示反射信号信噪比，SNRD,in(τ)表示直射信号信噪比；
根据公式(7)～(9)，得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比
根据公式(9)，得到不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比
在上述星载iGNSS-R测高精度评估方法中，根据和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>包括：
确定方向性系数扫描损失误差对iGNSS-R测高卫星精度估计的影响
其中，Nincoh表示样本的非相干系数均值，ψSSH表示测高灵敏度；
根据公式(10)，结合和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种星载iGNSS-R测高精度评估方法，通过建立新型方向性系数扫描损失误差模型，系统分析了扫描损失对iGNSS-R测高表现估计的影响：
(1)相比于下视相控阵天线，iGNSS-R测高卫星上视相控阵天线的方向性系数扫描损失更加明显，这由iGNSS-R几何关系所决定。
(2)方向性系数扫描损失对iGNSS-R信噪比估计的影响在卫星高度角较低区域的影响更加明显，增加上视/下视天线方向性系数，能够降低方向性系数扫描损失对iGNSS-R信噪比估计的影响。
(3)方向性系数的提高同时可以降低扫描损失对测高精度的影响，不同高度角下方向性系数扫描损失对测高精度的影响差别也较大，相比于高度角为75°时，高度角为55°时该影响增加10倍。
(4)方向性扫描损失误差导致iGNSS-R海面测高精度估计产生0.195m的偏差，该误差在未来厘米级星载iGNSS-R测高任务设计中不可忽略。
附图说明
图1是本发明实施例中一种iGNSS-R测高卫星的工作原理图；
图2是本发明实施例中一种星载iGNSS-R测高精度评估方法的步骤流程图；
图3是本发明实施例中一种二维相控阵天线的示意图；
图4是本发明实施例中一种iGNSS-R测高卫星的几何关系示意图；
图5是本发明实施例中一种不同扫描角下的方向性系数扫描损失示意图；
图6是本发明实施例中一种不同高度角下的方向性系数扫描损失示意图；
图7是本发明实施例中一种考虑以及不考虑扫描损失时的iGNSS-R信噪比及偏差示意图；其中，图7(a)为高度角为55°时；图7(b)为高度角为75°时；
图8是本发明实施例中一种考虑以及不考虑扫描损失时的cGNSS-R与iGNSS-R信噪比差值示意图；其中，图8(a)为高度角为55°时；图8(b)为高度角为75°时；
图9是本发明实施例中一种考虑以及不考虑扫描损失时的iGNSS-R测高精度及偏差；其中，图9(a)为高度角为55°时；图9(b)为高度角为75°时；
图10是本发明实施例中一种24h内TDS-1镜面反射点高度角分布统计示意图；
图11是本发明实施例中一种对应位置的TDS-1镜面反射点的iGNSS-R测高精度及偏差(24小时)示意图；其中，图11(a)为顾及扫描损失时的iGNSS-R测高精度结果图11(b)为不考虑扫描损失时的iGNSS-R测高精度结果/>图11(c)为两种精度之间的偏差/>
图12是本发明实施例中一种对应于高度角的TDS-1镜面反射点的iGNSS-R测高精度及偏差(24小时)示意图。
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。
iGNSS-R(interferometric Global Navigation Satellite SystemReflectometry)测高卫星通过数字多波束相控阵天线接收直射与反射信号时，由于馈源锥削会造成方向性系数扫描损失，若忽略该因素进行iGNSS-R测高精度评估将会产生偏差，进而对载荷设计造成错误性参考。
方向性系数是影响iGNSS-R测高精度估计的重要参数，方向性系数扫描损失误差模型能够更加准确估计iGNSS-R高度计的上/下视天线在不同位置下的方向性系数，进而更加准确地估计iGNSS-R测高精度。方向性系数扫描损失误差模型是本研究的理论基础，该方向性系数扫描损失误差模型获取的研究结果为iGNSS-R测高表现分析提供数据基础。
如图2，在本实施例中，该星载iGNSS-R测高精度评估方法，包括：
步骤101，获取下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图。
在本实施例中，当iGNSS-R测高使用多波束相控阵扫描天线时，天线将会通过每个阵元后方的移相器或者时间延迟器合成扫描波束。如图3，以二维方形相控阵为例：
下视天线综合增益天线方向图可表示为：
上视天线综合增益天线方向图可表示为：
其中，ξR表示下视天线接收机相对于镜面点的高度角的补角，表示下视天线接收机相对于镜面点的方位角，/>表示下视天线每个阵元的复电压计，/>表示下视天线扫描波束的高度角，/>表示下视天线扫描波束的方位角，/>表示由下视天线口径决定的方向性系数最大值；ξD表示上视天线接收机相对于镜面点的高度角的补角，/>表示上视天线接收机相对于镜面点的方位角，/>表示上视天线每个阵元的复电压计，/>表示上视天线扫描波束的高度角，/>表示上视天线扫描波束的方位角,/>表示由下视天线口径决定的方向性系数最大值；EF表示阵元因子(其值取决于辐射源设计)，M和N表示相控阵中x和y方向上的阵元数量，/>和/>表示下视天线阵元在相控阵平面坐标系中的位置，/>和/>表示上视天线阵元在相控阵平面坐标系中的位置，λ表示信号波长。
进一步的：
其中，ΔxR和ΔyR表示下视天线相控阵中x和y方向上的阵元间隔，ΔxD和ΔyD表示上视天线相控阵中x和y方向上的阵元间隔，i＝1,…,N，η＝1,…,M。
优选的，和/>可以表示为：
通常在研究相控阵天线在iGNSS-R测高表现时直接使用和/>但是在相控阵天线工作中，/>和/>会随着扫描角度的不同而变化。
步骤102，根据获取的下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图，构建iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型。
在不考虑波束指向误差的情况下，扫描波束的增益峰值(方向性系数)方向会指向镜面反射点位置。
令由式(1.1)和(2.1)可知，此时下视天线扫描波束的方向性系数DR(ξR)可以表示为与扫描方向高度角有关的函数：
令由公式(1.2)和(2.2)，此时上视天线扫描波束的方向性系数DD(ξD)可以表示为与扫描方向高度角有关的函数：
进一步的，如图4，根据iGNSS-R测高卫星几何关系，当计算镜面反射点处的信噪比时，可将ξR和ξD通过镜面反射点处的卫星高度角θS进行表达：
其中，RE表示地球半径；HT和HR分别表示发射机和接收机的轨道高度。
GNSS卫星到镜面点的距离RT和GNSS卫星到接收机的距离RD可通过三角几何关系确定：
最后，将公式(5)和(6)分别代入公式(3)和(4)，即可得到镜面反射点处的上视天线由于波束扫描造成的方向性系数损失和镜面反射点处的下视天线由于波束扫描造成的方向性系数损失/>
在本实施例中，公式(7)和公式(8)即为iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型。通过该模型可以获得不同卫星高度角下的方向性系数扫描损失，为本发明研究扫描损失误差对iGNSS-R海面测高表现估计的影响提供了技术基础。
步骤103，根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，对iGNSS-R测高卫星的测高精度进行评估。
在本实施例中，可以根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比和不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比/>然后，根据/>和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>具体的：
确定iGNSS-R测高卫星信噪比SNRiR(τ)：
其中，<|YS(τ)|2>和<|YN(τ)2>分别表示信号功率和噪声功率；<|YNd(τ)|2>、<|YNr(τ)|2>和<|YNdr(τ)|2>分别表示直射通道噪声功率、反射通道噪声功率和直/反噪声相关功率；Tcoh表示互相关积分时间；Bmin表示GNSS信号和接收机的带宽最小值；SNRR,in(τ)表示反射信号信噪比，SNRD,in(τ)表示直射信号信噪比。
根据公式(7)～(9)，得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比根据公式(9)，得到不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比/>
确定方向性系数扫描损失误差对iGNSS-R测高卫星精度估计的影响
其中，Nincoh表示样本的非相干系数均值，ψSSH表示测高灵敏度。在星载场景下可认为ψSSH取决于信号的自相关特性，定义为 和/>表示镜面反射点(即τ＝0)处平均功率的幅值及功率波形的前沿导数(leading-edge derivative，DER)，c表示真空中光速。
根据公式(10)，结合和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>
在本实施例中，对步骤102得到的方向性系数扫描损失误差模型进行了验证：
本实施例使用WILTRON37269A网络分析仪对实际二维平面多波束相控阵天线的方向性系数扫描损失进行测试，进而验证方向性系数扫描损失误差模型。根据公式(3)获得了估计值的结果，如图5所示。其中阵元因子EF设置为1.5。据图5可知，测量值与估计值具有较好的一致性，本发明提出的上、下视多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型基于公式(3)和(4)通过几何关系转换获得，因此可证明该方向性系数扫描损失误差模型能够较好地表达实际方向性系数扫描损失误差。测量值与估计值的平均偏差为0.07dBi，是由于相邻阵元之间存在信号的耦合，即阵中的一个单元的能量会进入相邻单元，进而激起相邻阵元的二次辐射，该二次辐射的信号与当前信号叠加，共同形成相控阵天线的方向图，这种叠加要综合考虑各单元的幅度和相位特性。
结果与讨论：
方向性系数扫描损失误差会导致估计iGNSS-R直射信号与反射信号相关功率时出现偏差，直接影响信噪比的估计。信噪比是影响iGNSS-R海面测高精度的关键因素，因此，方向性系数扫描损失误差最终导致了iGNSS-R海面测高精度估计出现偏差。本发明根据新型方向性系数扫描损失误差模型获得了不同高度角的方向性系数扫描损失，然后分析了方向性系数扫描损失误差对iGNSS-R信噪比及精度估计的影响。
方向性系数扫描损失误差：
据公式(7)和(8)可知，当多波束相控阵天线应用于iGNSS-R测高时，影响方向性系数扫描损失的主要因素是测高卫星轨道高度和镜面点高度角。本实施例以TDS-1卫星的轨道高度635km为例，计算了高度角在45～90°时的方向性系数扫描损失，结果如图6所示。据图5可知，方向性系数扫描损失随着高度角的增大逐渐降低。其中，相比于天底天线，接收直射信号的天顶天线的方向性系数扫描损失更加明显，这由iGNSS-R几何关系所决定。
信噪比：
方向性系数扫描损失误差对iGNSS-R信噪比估计具有直接影响。iGNSS-R测高技术将反射信号与直射信号进行互相关获取时延，因此计算信噪比时还需要额外考虑上行通道热噪声以及上下通道噪声相关产生的噪声。iGNSS-R测高卫星的信噪比可采用上述公式(9)进行表示。
本实施例采用了TDS-1卫星观测场景进行了iGNSS-R测高表现评估，因此将iGNSS-R测高卫星的系统参数尽量与TDS-1一致。与cGNSS-R只使用L1 C/A码信号不同，本研究使用了GPS L1复合波形(C/A码、P码、M码和互调分量)。结合公式(7)～(9)，分别计算了顾及扫描损失时的iGNSS-R信噪比结果不考虑扫描损失时的iGNSS-R信噪比结果/>以及两者之间的偏差/>结果如图7所示。
据图7可知，随着上视/下视天线方向性系数的增加，能够降低方向性系数扫描损失对iGNSS-R信噪比估计的影响。此外，方向性系数扫描损失对iGNSS-R信噪比估计的影响在卫星高度角较低区域的影响更加明显，这是由于随着卫星高度角的降低，上视和下视天线的扫描角度随之变大，导致扫描波束的方向性系数损失更大。
如图8所示，为了对比分析cGNSS-R与iGNSS-R信噪比，本实施例计算了SNRiR与SNRcR的差值SNRcR-iR＝SNRcR-SNRiR。据图8可知，相比于高度角为75°时，高度角为55°时方向性系数扫描损失对SNRcR-iR的影响更加明显。SNRcR-iR随着上视天线方向性系数的增加而逐渐较小，其中，当上视天线方向性系数小于20dBi时，SNRcR-iR呈线性下降趋势，当上视天线方向性系数大于20dBi时，SNRcR-iR下降趋势逐渐减弱。由此可见，通过提高上视天线方向性系数可以降低由于信号干涉处理带来的信噪比损失，但是需要根据实际需求对天线尺寸进行合理设计。
测高精度：
iGNSS-R测高精度的估计对于数字多波束相控阵天线的合理设计和尺寸确定至关重要。由于信噪比是决定iGNSS-R测高精度的主要参数，因此方向性系数扫描损失误差同样会影响iGNSS-R测高精度的估计。基于精度模型分析方向性系数扫描损失误差对iGNSS-R精度估计的影响如上述公式(10)所示。
不同方向系数的测高估计精度：
为了研究方向性系数扫描损失对精度的影响，根据公式(10)以及获取的信噪比结果，分别计算了顾及扫描损失时的iGNSS-R测高精度结果不考虑扫描损失时的iGNSS-R测高精度结果/>以及两者之间的偏差/>其中非相干累加时间设置为1s，结果如图9所示。
据图9可知，通过提高上视/下视天线方向性系数能够显著改善iGNSS-R测高精度，由此可见iGNSS-R测高精度对信噪比的依赖性。方向性系数的提高同时可以降低扫描损失对测高精度的影响。此外，不同高度角下方向性系数扫描损失对测高精度的影响差别也较大，相比于高度角为75°时，高度角为55°时该影响增加10倍。因此，iGNSS-R测高卫星信号接收通道有必要面向4种GNSS系统进行设计。
TDS-1卫星测高估计精度提升：
在卫星高度角较高(大于75o)区域方向性系数扫描损失对测高精度估计的影响较小。但是在实际观测中，在该区域发生的反射事件相对较少。本发明通过TDS-1镜面反射点观测数据对方向性系数扫描损失对测高精度影响进行更客观的评价。
TDS-1卫星由英国成功发射于2014年7月8日，位于高度为635km的太阳同步轨道。英国萨里卫星科技公司采用近似球形地球逼近法进行了镜面反射点位置及高度角计算(1Hz)，并将相关结果发布在TDS-1L1b文件中。本发明使用了TDS-1L1b级产品中2018-03-01-20:00:00～2018-03-02-20:00:00共计24小时内169482个镜面反射点信息。图10展示了镜面反射点高度角统计结果。据图可知24h内86.01％的反射事件发生在高度角45～75°的区域内。
本发明基于上述镜面反射点高度角信息，将上视和下视天线方向性系数均设置为23dBi，采用GPS L1信号，根据公式(10)计算了所有镜面点的测高精度，结果如图11所示。图11右侧的精度统计曲线是对每100个精度结果取平均后获得。由于iGNSS-R需要接收直射信号，因此θD需大于0°，当接收机和发射机轨道高度分别为635km和20200时，镜面反射点处卫星高度角最小为15.31°，而TDS-1数据中的高度角最低为45.51°，因此图11中展示的镜面点均满足此要求。
据图11可知，相比不考虑扫描损失，顾及扫描损失时的iGNSS-R测高精度降低，其中在两极地区更加明显，这是由于两极地区的GNSS卫星几何覆盖较差，导致接收反射信号的高度角较低。由于TDS-1卫星只使用了GPS信号，预计使用更多GNSS，扫描损失导致的测高精度偏差将会减小。
图12给出了对应于高度角的iGNSS-R测高精度估计结果。据图12可知，在高度角45～65°的区域内，由于天线方向性系数扫描损失导致的精度估计偏差达到10cm以上，而据图10可知，该区域的镜面点分布较为密集。为了综合评价方向性系数扫描损失对iGNSS-R测高精度的影响，本发明首先计算了每个镜面点的测高精度偏差，然后将高度角(45°～90°)每隔5°共分成9部分，统计计算了每部分的平均测高精度偏差、镜面点所占比例。
最后对结果进行加权平均：
其中，Δσcpx表示测高精度综合偏差，q表示不同的高度角区间。根据公式(11)可得，应用方向性系数扫描损失误差模型可将测高估计精度整体提高0.197m。因此，在进行未来星载iGNSS-R测高卫星任务设计时，需要考虑波束扫描导致的天线方向性系数变化。
综上所述，本发明通过建立新型方向性系数扫描损失误差模型，系统分析了扫描损失对iGNSS-R测高表现估计的影响。
(1)相比于下视相控阵天线，iGNSS-R测高卫星上视相控阵天线的方向性系数扫描损失更加明显，这由iGNSS-R几何关系所决定。
(2)方向性系数扫描损失对iGNSS-R信噪比估计的影响在卫星高度角较低区域的影响更加明显，增加上视/下视天线方向性系数，能够降低方向性系数扫描损失对iGNSS-R信噪比估计的影响。
(3)方向性系数的提高同时可以降低扫描损失对测高精度的影响，不同高度角下方向性系数扫描损失对测高精度的影响差别也较大，相比于高度角为75°时，高度角为55°时该影响增加10倍。
(4)方向性扫描损失误差导致iGNSS-R海面测高精度估计产生0.195m的偏差，该误差在未来厘米级星载iGNSS-R测高任务设计中不可忽略。
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iGNSS-R测高精度评估方法，其特征在于，包括：
获取下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图；
根据获取的下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图，构建iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型；
根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，对iGNSS-R测高卫星的测高精度进行评估；
下视天线综合增益天线方向图为：
上视天线综合增益天线方向图为：
其中，ξR表示下视天线接收机相对于镜面点的高度角的补角，表示下视天线接收机相对于镜面点的方位角，/>表示下视天线每个阵元的复电压计，/>表示下视天线扫描波束的高度角，/>表示下视天线扫描波束的方位角，/>表示由下视天线口径决定的方向性系数最大值；ξD表示上视天线接收机相对于镜面点的高度角的补角，/>表示上视天线接收机相对于镜面点的方位角，/>表示上视天线每个阵元的复电压计，/>表示上视天线扫描波束的高度角，/>表示上视天线扫描波束的方位角,/>表示由下视天线口径决定的方向性系数最大值；EF表示阵元因子，M和N表示相控阵中x和y方向上的阵元数量，/>和/>表示下视天线阵元在相控阵平面坐标系中的位置，/>和/>表示上视天线阵元在相控阵平面坐标系中的位置，λ表示信号波长；/>
ΔxR和ΔyR表示下视天线相控阵中x和y方向上的阵元间隔，ΔxD和ΔyD表示上视天线相控阵中x和y方向上的阵元间隔，i＝1,…,N，η＝1,…,M。
2.根据权利要求1所述的星载iGNSS-R测高精度评估方法，其特征在于，根据获取的下视天线综合增益天线方向图和上视天线综合增益天线方向图，构建iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，包括：
令则由公式(1.1)和(2.1)可得：
令则由公式(1.2)和(2.2)可得：
根据iGNSS-R测高卫星几何关系，确定ξR和ξD与镜面反射点处的卫星高度角θS之间的关系：
其中，RE表示地球半径；HT和HR分别表示发射机和接收机的轨道高度；
通过三角几何关系确定GNSS卫星到镜面点的距离RT和GNSS卫星到接收机的距离RD：
将公式(5)和(6)代入公式(3)和(4)，得到镜面反射点处的上视天线由于波束扫描造成的方向性系数损失和镜面反射点处的下视天线由于波束扫描造成的方向性系数损失/>
将公式(7)和公式(8)作为构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型。
3.根据权利要求2所述的星载iGNSS-R测高精度评估方法，其特征在于，根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，对iGNSS-R测高卫星的测高精度进行评估，包括：
根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比和不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比/>
根据和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>
4.根据权利要求3所述的星载iGNSS-R测高精度评估方法，其特征在于，根据构建得到的iGNSS-R测高卫星上视和下视数字多波束相控阵天线方向性系数扫描损失误差模型，计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比和不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比/>包括：
确定iGNSS-R测高卫星信噪比SNRiR(τ)：
其中，<|YS(τ)|2>和<|YN(τ)|2>分别表示信号功率和噪声功率；<|YNd(τ)|2>、<|YNr(τ)|2>和<|YNdr(τ)|2>分别表示直射通道噪声功率、反射通道噪声功率和直/反噪声相关功率；Tcoh表示互相关积分时间；Bmin表示GNSS信号和接收机的带宽最小值；SNRR,in(τ)表示反射信号信噪比，SNRD,in(τ)表示直射信号信噪比；
根据公式(7)～(9)，得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比
根据公式(9)，得到不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星信噪比
5.根据权利要求4所述的星载iGNSS-R测高精度评估方法，其特征在于，根据和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果包括：
确定方向性系数扫描损失误差对iGNSS-R测高卫星精度估计的影响
其中，Nincoh表示样本的非相干系数均值，ψSSH表示测高灵敏度；
根据公式(10)，结合和/>计算得到考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>以及不考虑方向性系数扫描损失误差时的iGNSS-R测高卫星的测高精度结果/>
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