CN113391332B - 一种基于gnss-r的海洋参数反演及远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于GNSS‑R的海洋参数反演及远程监测系统，包括：至少一个探测设备和远端服务器；利用各所述探测设备探测不同探测区域的海面信息；利用远端服务器显示与处理不同探测区域的海面信息；探测设备包括：数据接收模块、数据处理模块以及数据反演模块；本发明通过设置多个探测设备和一个远端服务器实现同时确定以及上传不同探测区域的海面信息相比于现有只能上传单一的海洋遥感数据的方法，不仅降低了检测复杂性和成本，还能提高检测效率。

Description

一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统

技术领域

本发明涉及遥感应用技术领域，特别是涉及一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统。

背景技术

GNSS-R(Global Navigation Satellite system-Reflectometry)技术自提出以来就得到了国内外导航和遥感领域的广泛关注，经过近30年的发展已成为GNSS技术的重要分支。其采用无源方式、不借助发射设备可实现全球覆盖，可用信号资源丰富；此外，GNSS-R接收机的体积小、重量轻、功耗小、成本低、实时性强、可全天候工作，GNSS-R技术已成为GNSS最具发展潜力的前沿技术之一，无论是在生产或生活领域都具有非常重要的意义。

目前的海洋遥感参数的获取主要通过浮标、散射计等途径，这些观测手段只能上传单一的海洋遥感数据，不同遥感参数需要通过不同的装置或传感器进行采集上传，因此存在检测单一的问题。如果上传多个遥感参数(即海面信息)，则存在检测复杂以及检测效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，以实现同时获得以及上传不同探测区域的海面信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，所述系统包括：至少一个探测设备和远端服务器；各所述探测设备分别与所述远端服务器连接；各所述探测设备用于探测不同探测区域的海面信息；所述远端服务器用于显示与处理不同探测区域的海面信息；

所述探测设备包括：

数据接收模块，分别设置在不同探测区域，用于获取直射信号和反射信号，并对所述直射信号和所述反射信号分别进行采样量化，获得2bit直射中频信号和2bit反射中频信号；

数据处理模块，与所述数据接收模块连接，用于根据2bit直射中频信号生成第一设定路数直射相关值，根据2bit反射中频信号生成第二设定路数反射相关值；

数据反演模块，与所述数据处理模块连接，用于根据第一设定路数直射相关值和第二设定路数反射相关值进行反演，获得不同探测区域的海面信息。

可选地，所述数据接收模块具体包括：

右旋天线，指向天顶设置，用于接收卫星发射的直射信号；

左旋天线，指向海面探测区域设置，用于接收由海面反射的反射信号；

射频前端，分别与所述右旋天线和所述左旋天线连接，用于对直射信号和反射信号分别进行采样量化，获得2bit直射中频信号和2bit反射中频信号。

可选地，所述远端服务器包括：

网络服务模块，与各所述探测设备连接，用于接收并处理不同探测区域的海面信息；

数据显示模块，与所述网络服务模块连接，用于实时读取与显示不同探测区域的海面信息；

数据服务模块，与所述网络服务模块连接，用于存储不同探测区域的海面信息以及处理后的结果。

可选地，所述探测设备还包括：

数据传输模块，分别与所述数据反演模块和所述网络服务模块连接，用于将不同探测区域的海面信息传输至所述网络服务模块。

可选地，所述数据处理模块包括：

FPGA和DSP；所述FPGA内部包括：

锁存模块，与所述射频前端连接，用于将2bit直射中频信号和2bit反射中频信号分别进行缓存与重编码，获得3bit直射中频信号和3bit反射中频信号；

至少一路直射通道，与所述锁存模块连接，用于采用直接数字频率合成方式生成两路本地载波；将两路本地载波分别与3bit直射中频信号进行混频得到直射I、Q两路信号，将三路本地PRN码分别与直射I、Q两路信号进行1ms的相关累加运算获得第一设定路数直射相关值，并将第一设定路数直射相关值输出到DSP；

至少一路反射通道，分别与所述锁存模块和所述直射通道连接，用于将所述直射通道发送的两路本地载波分别与3bit反射中频信号进行混频，得到反射I、Q两路信号；将不同时延PRN码分别与反射I、Q两路信号进行1ms的相关累加运算生成第二设定路数反射相关值；

DSP内部包括：

载波环和码环，用于依据第一设定路数直射相关值生成控制字，并发送至各所述直射通道，以使根据控制字对两路本地载波与三路本地PRN码进行调整，实现直射信号的捕获及跟踪定位。

可选地，所述FPGA内部还包括：

中断模块，用于生成1ms的积分清零信号，并将1ms的积分清零信号分别发送至所述直射通道和所述反射通道，以使所述直射通道和所述反射通道分别根据积分清零信号进行清零操作。

可选地，所述FPGA内部还包括：

码发生器，用于生成即时本地PRN码；

移位寄存器，与码发生器连接，用于对即时本地PRN码进行超前移位，获得超前本地PRN码；

延迟器，与码发生器连接，用于对即时本地PRN码进行滞后延迟，获得滞后本地PRN码。

可选地，所述FPGA内部还包括：

倍频器，用于生成码片延迟控制时钟，利用码片延迟控制时钟得到0.25码片间隔的不同时延PRN码。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，包括：至少一个探测设备和远端服务器；利用各所述探测设备探测不同探测区域的海面信息；利用远端服务器显示与处理不同探测区域的海面信息；探测设备包括：数据接收模块、数据处理模块以及数据反演模块；本发明通过设置多个探测设备和一个远端服务器实现同时确定以及上传不同探测区域的海面信息相比于现有只能上传单一的海洋遥感数据的方法，不仅降低了检测复杂性和成本，还能提高检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统结构框图；

图2为本发明数据处理模块结构图；

图3为本发明数据传输模块传输数据原理图；

图4为本发明PC用户读取远端服务器数据的流程图；

符号说明：1、探测设备，11、数据接收模块，12、数据处理模块，13、数据反演模块，14、数据传输模块，2、远端服务器，21、网络服务模块，22、数据显示模块，23、数据服务模块。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，以实现同时获得以及上传不同探测区域的海面信息。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明公开一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，所述系统包括：至少一个探测设备1和远端服务器2；各所述探测设备1分别与所述远端服务器2连接；各所述探测设备1用于探测不同探测区域的海面信息；所述远端服务器2用于显示与处理不同探测区域的海面信息。

所述探测设备1包括：数据接收模块11、数据处理模块12以及数据反演模块13；所述数据接收模块11分别设置在不同探测区域，所述数据处理模块12与所述数据接收模块11连接，所述数据反演模块13与所述数据处理模块12连接；所述数据接收模块11用于获取直射信号和反射信号，并对所述直射信号和所述反射信号分别进行采样量化，获得2bit直射中频信号和2bit反射中频信号；所述数据处理模块12用于根据2bit直射中频信号生成第一设定路数直射相关值，根据2bit反射中频信号生成第二设定路数反射相关值；所述数据反演模块13用于根据第一设定路数直射相关值和第二设定路数反射相关值进行反演，获得不同探测区域的海面信息。所述海面信息包括海面有效波高、海面风速、海面风向、海面溢油、海冰探测和航行的船舶；本实施例中接收的直射信号和反射信号分别为北斗和GPS双系统卫星的直射信号和反射信号。

作为一种可选的实施方式，本发明所述探测设备1还包括：数据传输模块14，分别与所述数据反演模块13和所述网络服务模块21连接，用于将不同探测区域的海面信息传输至所述网络服务模块21。

作为一种可选的实施方式，本发明所述远端服务器2包括：与各所述探测设备1连接的网络服务模块21、与所述网络服务模块21连接的数据显示模块22和与所述网络服务模块21连接的数据服务模块23；所述网络服务模块21用于接收并处理不同探测区域的海面信息；所述数据显示模块22用于实时读取与显示不同探测区域的海面信息；所述数据服务模块23用于存储不同探测区域的海面信息以及处理后的结果。所述网络服务模块21还用于将不同探测区域的海面信息进行分类处理，将分类结果传输至数据服务模块23，具体包括对不同应用领域、不同卫星号、不同站点的分类。

作为一种可选的实施方式，本发明所述数据接收模块11具体包括：指向天顶设置的右旋天线、指向海面探测区域设置的左旋天线和分别与所述右旋天线和所述左旋天线连接的射频前端；所述右旋天线用于接收卫星发射的直射信号；所述左旋天线用于接收由海面反射的反射信号；所述射频前端用于对所述直射信号和所述反射信号分别进行采样量化，获得2bit直射中频信号和2bit反射中频信号。本发明数据接收模块11分别设置在各探测设备1的顶端。

本发明公开的所述数据处理模块12采用DSP+FPGA混合架构对2bit直射中频信号进行处理，实现北斗/GPS直射信号的捕获、跟踪及定位，同时将反射I、Q两路信号与不同时延PRN码进行相关运算得到多路反射相关值。本实施例共配置30路直射通道和12路反射通道，并行处理北斗和GPS双系统卫星的直射信号和反射信号。FPGA在DSP信号控制下生成I、Q两路正交的本地载波以及三路本地PRN码，分别用于2bit直射中频信号的混频以及相关累加运算，获得第一设定路数直射相关值。处于稳定跟踪状态的卫星信号会进一步解算得到伪距以及导航电文，参与接收机定位、及反射通道控制。DSP将反射通道配置参数回传到FPGA中，码时延器在时延窗参数控制下为每路反射信号生成最优的延时PRN码并输入到反射通道中进行相关累加运算，获得第二设定路数反射相关值，具体过程如下：

所述数据处理模块12包括：FPGA和DSP；所述FPGA内部包括：与所述射频前端连接、与锁存模块分别连接的至少一路直射通道和至少一路反射通道。

所述锁存模块用于将2bit直射中频信号和2bit反射中频信号分别进行缓存与重编码，获得3bit直射中频信号和3bit反射中频信号；3bit中频信号为{-3、-1、+1、+3}，重编码后的直反信号分别输入到直射通道和反射通道进行后续的相关运算。

所述直射通道用于采用直接数字频率合成(Direct Digital FrequencySynthesizer,DDS)方式生成两路本地载波；将两路本地载波分别与3bit直射中频信号进行混频得到直射I、Q两路信号，将三路本地PRN码分别与直射I、Q两路信号进行1ms的相关累加运算获得第一设定路数直射相关值，并将第一设定路数直射相关值通过EMIF接口输出到DSP；本实施例中，所述两路本地载波的相位相差90°，I信号为同向信号，Q信号为正交信号。三路本地PRN码是分别通过码发生器、移位寄存器、延迟器生成间隔为0.5码片的即时P、超前E及滞后L三路本地PRN码。

所述反射通道用于将所述直射通道发送的两路本地载波分别与3bit反射中频信号进行混频，得到反射I、Q两路信号；将不同时延PRN码分别与反射I、Q两路信号进行1ms的相关累加运算生成第二设定路数反射相关值。本实施例中，反射通道对3bit反射中频信号进行载波剥离，产生1路时延PRN码；通过倍频器获得码片延迟控制时钟，利用码片延迟控制时钟得到0.25码片间隔的20路时延PRN码，范围为-2～3码片。与直射通道不同的是，反射通道中不含本地载波生成模块，而是通过动态分配的方式，直接引入与之对应的直射通道中生成的本地载波，实现信号的复用。由于本课题所设计的反演系统主要针对岸基应用，因此可忽略反射信号与直射信号间的多普勒频移。该延迟范围及分辨率足以满足反演需求。各支路的相关运算过程与直射通道相同，最终获得20路时延相关值，相关时间为1ms。

作为一种可选的实施方式，本发明所述FPGA内部还包括：

中断模块，用于生成1ms的积分清零信号和状态更新信号，并将1ms的积分清零信号分别发送至直射通道和反射通道，以使直射通道和反射通道分别根据积分清零信号进行清零操作，将状态更新信号通过GPIO接口发送至DPS中，激活DSP中断程序，执行通道状态更新运算。

DSP内部包括：载波环和码环，用于依据第一设定路数直射相关值生成控制字，并发送至各直射通道，以使根据控制字对两路本地载波与三路本地PRN码进行调整，实现直射信号的捕获及跟踪定位。

由于系统反演涉及卫星的状态信息，因此在定位成功后利用数据输出模块将DSP中计算出的卫星高度角、方位角通过EMIF接口传入到FPGA中，将卫星状态等信息连同反射通道生成的第二设定路数反射相关值进行整合打包，以通道为单位形成数据帧，供USB接口读取。

作为一种可选的实施方式，本发明所述数据反演模块13首先将第一设定路数直射相关值和第二设定路数反射相关值进行数据解析，然后将解析后的数据输入到海面信息反演模型进行反演，获得不同探测区域的海面信息。本实施例中，海面信息反演模型包括海风海浪遥感模型、反射率模型及伪码测高模型等。所述海风海浪遥感模型采用ICF模型，通过自相关时间计算获得海风海浪值。所述反射率模型通过计算反射率进一步反演成介电质常数，用于探测海冰有无与海上溢油有无。所述伪码测高模型通过对镜面反射点的几何关系计算，实现海面高度测量。

作为一种可选的实施方式，本发明所述数据传输模块14属于探测设备1的通信部分。如图3所示，如果没有可用网络时，则所述数据处理模块12就地保存反射I、Q两路信号、直射I、Q两路信号和海面信息。当有可用网络时，则通过可用网络将海面信息、反射I、Q两路信号和直射I、Q两路信号传输到远端服务器2。可用网络包括4G移动网络和短波通讯网络。

作为一种可选的实施方式，本发明远端服务器2属于可直接面向用户的组成部分，其中不仅包括对各类数据的存储读取，也包括了对现场采集到设备的本地处理。

作为一种可选的实施方式，本发明网络服务模块21可同时面向现场设备和用户。通过开设多种网络API，满足不同身份的需求。现场设备调用网络服务模块21实现上传数据，用户通过该模块实现下载与读取数据。最终实现对目标海域的海况监测。

作为一种可选的实施方式，本发明数据服务模块23本身没有对外网络服务，一定程度上增加了数据的安全性，仅通过局域网与网络服务模块21通信。数据服务模块23主要功能包括响应用户请求，并执行增删查改等数据库功能。

作为一种可选的实施方式，本发明数据显示模块22由网络服务模块21直接调用。PC客户端通过网络与远端服务器2连接后，根据请求内容，在数据显示模块22实时监测海面遥感参数数据。图4为PC终端读取远端服务器2数据的流程图。用户通过对已有的接口进行调用，发送请求命令，服务器接收到后执行请求指令，对数据库进行操作。

本发明的优点在于∶

一、本发明采用异源接收模式，利用全球共享的GNSS作为信号源，降低成本，节约空间，降低复杂度。

二、相比于传统探测装置，本发明的GNSS-R海面信息探测系统能够有效地提高探测多种遥感信息，从而提高了探测效率。

三、在工程应用时，该发明可远程实时监控目标区域内的海洋遥感参数(即海面信息)，对安全海上作业具有重要的意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，其特征在于，所述系统包括：至少一个探测设备和远端服务器；各所述探测设备分别与所述远端服务器连接；各所述探测设备用于探测不同探测区域的海面信息；所述远端服务器用于显示与处理不同探测区域的海面信息；

所述探测设备包括：

数据接收模块，分别设置在不同探测区域，用于获取直射信号和反射信号，并对所述直射信号和所述反射信号分别进行采样量化，获得2bit直射中频信号和2bit反射中频信号；

数据处理模块，与所述数据接收模块连接，用于根据2bit直射中频信号生成第一设定路数直射相关值，根据2bit反射中频信号生成第二设定路数反射相关值；

数据反演模块，与所述数据处理模块连接，用于根据第一设定路数直射相关值和第二设定路数反射相关值进行反演，获得不同探测区域的海面信息；所述数据反演模块首先将所述第一设定路数直射相关值和所述第二设定路数反射相关值进行数据解析，然后将解析后的数据输入到海面信息反演模型进行反演，获得不同探测区域的海面信息；所述海面信息反演模型包括海风海浪遥感模型、反射率模型及伪码测高模型；所述海风海浪遥感模型采用ICF模型，通过自相关时间计算获得海风海浪值；所述反射率模型通过计算反射率进一步反演成介电质常数，用于探测海冰有无与海上溢油有无；所述伪码测高模型通过对镜面反射点的几何关系计算，实现海面高度测量；

所述数据接收模块具体包括：

右旋天线，指向天顶设置，用于接收卫星发射的直射信号；

左旋天线，指向海面探测区域设置，用于接收由海面反射的反射信号；

射频前端，分别与所述右旋天线和所述左旋天线连接，用于对直射信号和反射信号分别进行采样量化，获得2bit直射中频信号和2bit反射中频信号；

所述远端服务器包括：

网络服务模块，与各所述探测设备连接，用于接收并处理不同探测区域的海面信息；

数据显示模块，与所述网络服务模块连接，用于实时读取与显示不同探测区域的海面信息；

数据服务模块，与所述网络服务模块连接，用于存储不同探测区域的海面信息以及处理后的结果；所述数据服务模块本身没有对外网络服务，增加了数据的安全性，仅通过局域网与所述网络服务模块通信；所述数据服务模块主要功能包括响应用户请求，并执行增删查改的数据库功能；

所述网络服务模块还用于将不同探测区域的海面信息进行分类处理，将分类结果传输至所述数据服务模块；

所述数据处理模块包括：

FPGA和DSP；所述FPGA内部包括：

锁存模块，与所述射频前端连接，用于将2bit直射中频信号和2bit反射中频信号分别进行缓存与重编码，获得3bit直射中频信号和3bit反射中频信号；

至少一路直射通道，与所述锁存模块连接，用于采用直接数字频率合成方式生成两路本地载波；将两路本地载波分别与3bit直射中频信号进行混频得到直射I、Q两路信号，将三路本地PRN码分别与直射I、Q两路信号进行1ms的相关累加运算获得第一设定路数直射相关值，并将第一设定路数直射相关值输出到DSP；

至少一路反射通道，分别与所述锁存模块和所述直射通道连接，用于将所述直射通道发送的两路本地载波分别与3bit反射中频信号进行混频，得到反射I、Q两路信号；将不同时延PRN码分别与反射I、Q两路信号进行1ms的相关累加运算生成第二设定路数反射相关值；

DSP内部包括：

载波环和码环，用于依据第一设定路数直射相关值生成控制字，并发送至各所述直射通道，以使根据控制字对两路本地载波与三路本地PRN码进行调整，实现直射信号的捕获及跟踪定位。

2.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，其特征在于，所述探测设备还包括：

数据传输模块，分别与所述数据反演模块和所述网络服务模块连接，用于将不同探测区域的海面信息传输至所述网络服务模块。

3.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，其特征在于，所述FPGA内部还包括：

中断模块，用于生成1ms的积分清零信号，并将1ms的积分清零信号分别发送至所述直射通道和所述反射通道，以使所述直射通道和所述反射通道分别根据积分清零信号进行清零操作。

4.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，其特征在于，所述FPGA内部还包括：

码发生器，用于生成即时本地PRN码；

移位寄存器，与码发生器连接，用于对即时本地PRN码进行超前移位，获得超前本地PRN码；

延迟器，与码发生器连接，用于对即时本地PRN码进行滞后延迟，获得滞后本地PRN码。

5.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，其特征在于，所述FPGA内部还包括：

倍频器，用于生成码片延迟控制时钟，利用码片延迟控制时钟得到0.25码片间隔的不同时延PRN码。

6.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的海洋参数反演及远程监测系统，其特征在于，所述分类处理具体包括对不同应用领域、不同卫星号、不同站点的分类。

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