CN114035205A - Gnss-r海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统 - Google Patents

Gnss-r海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统 Download PDF

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CN114035205A CN202111271990.9A CN202111271990A CN114035205A CN 114035205 A CN114035205 A CN 114035205A CN 202111271990 A CN202111271990 A CN 202111271990A CN 114035205 A CN114035205 A CN 114035205A
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Abstract

本发明公开了一种GNSS‑R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统，该方法包括：对原始数据进行处理，得到复杂波形；对复杂波形进行处理，得到功率波形，并解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；对镜面点时延进行改正，反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，并解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，实现GNSS‑R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。本发明从测高精确度和准确度两个角度综合分析了机载iGNSS‑R测高精度与沿轨空间分辨率的关系，为未来星载iGNSS‑R测高任务相关参数的平衡考虑提供参考。

Description

GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统
技术领域
本发明属于卫星测高学、海洋测绘学等交叉技术领域，尤其涉及一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统。
背景技术
全球导航卫星系统反射计(GNSS-R技术)能够利用GNSS反射信号测量地球表面一系列的物理参数，包括海面风速、海面高度以及土壤湿度等。其中，GNSS-R海面测高作为新型双基地雷达遥感技术，通过测量直接信号和反射信号之间的路径延迟能够获得地球反射面相对于参考椭球面的高度。自从Martin-Neira等在1993年首次提出GNSS-R海面测高概念，该技术已经在地基、机载、卫星等多种平台得到了验证。与传统的雷达高度计相比，GNSS-R海面测高具有成本低、多方位同时观测以及高时空地球覆盖等优势。
根据获取路径时延的信号处理方式，目前GNSS-R海面测高主要采用cGNSS-R(conventional GNSS-R)测高和iGNSS-R(interferometric GNSS-R)测高。cGNSS-R技术将本地产生的发射信号的复制码经过时延和多普勒频率补偿后与接收到的反射信号进行一定时间(通常为1ms)的交叉相关获得路径时延。目前GNSS信号码结构公开的只有C/A码。但是C/A码带宽(2.046MHz)较低限制了cGNSS-R的测高精度和沿轨空间分辨率。为了克服带宽限制，2011年ESA提出了PARIS IoD任务，旨在实现提出的星载信号干涉处理，即iGNSS-R测高技术。iGNSS-R技术将反射信号与直射信号进行复杂的互相关，这将可以充分使用GNSS发射信号的全功率谱，提高自相关函数的清晰度，从而最大限度地提高测高精度和沿轨空间分辨率。
测高精度和沿轨空间分辨率是表征iGNSS-R测高性能的关键指标。其中，测高精度可分为测高精确度和测高准确度。测高精确度主要受零均值随机误差影响；测高准确度则主要由附加的随机和确定性误差影响的总绝对测量误差决定。沿轨空间分辨率则表征iGNSS-R测高计沿轨空间采样的能力，可表示为：Ra_t＝vSP·Tcoh·Nincoh(vSP表示镜面点沿轨速度；Tcoh表示信号相干积分时间；Tincoh表示信号非相干累计次数)。通过降低信号积分时间可以提高沿轨空间分辨率，但是由于独立波形采样的数量降低会增加散斑噪声的影响，导致信噪比降低，进而提高镜面点时延的不确定性，最终降低测高精确度和准确度。目前尚未有在轨运行的iGNSS-R测高卫星，但是ESA近些年相继发布了多个iGNSS-R测高任务计划，如PARIS IoD(PARIS In-orbit Demonstrator，2011年提出)、GEROS-ISS(GNSSreflectometry,radio occultation,and scatterometry onboard the InternationalSpace Station，2011年提出)；Cookie星座(2016年提出)；G-TERN(GNSS Transpolar EarthReflectometry exploriNg system，2018年提出)。如图1所示，机载iGNSS-R测高作为星载iGNSS-R测高技术的预研技术，目前已实施了一些中空飞行实验，其中比较典型的是加泰罗尼亚空间科学研究院(IEEC)先后在波罗的海海域实施高度约为3km的两次iGNSS-R飞行任务，分别称为PIRA和SPIR。基于该数据相关学者展开了一系列关于iGNSS-R测高精度和沿轨空间分辨率的研究。2014年，Cardellach等利用PIRA任务数据着重分析了不同信号处理时间下cGNSS-R和iGNSS-R测高精确度的表现，并对未来低轨iGNSS-R测高表现进行了模拟分析，结果表明增加信号处理时间会明显改善测高精确度。2017年，Ribo等首次公开了SPIR在多GNSS不同频段下波形的信噪比结果。同年，Li等研究了SPIR数据信号处理时间在1s、10s和100s下的测高精确度表现。2019年，Fabra等分析了SPIR数据在信号处理时间为10s时的测高准确度，结果表明，根据不同的信号源及卫星高度角信息，测高准确度范围分布在0.09-0.66m。然而，目前尚未有针对机载iGNSS-R综合分析测高精确度和准确度与沿轨空间分辨率的综合分析。
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GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统，通过设置不同的信号处理时间，获得对应的测高精度，然后通过信号处理时间与沿轨空间分辨率的关系，从测高精确度和准确度两个角度综合分析了机载iGNSS-R测高精度与沿轨空间分辨率的关系，为未来星载iGNSS-R测高任务相关参数的平衡考虑提供参考。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，包括：
步骤1，获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据；
步骤2，对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形；
步骤3，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；
步骤4，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；
步骤5，根据重复步骤1～步骤4，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；
步骤6，根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。
在上述GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，波束成形和直、反信号互相关处理得到的复杂波形数量为：6×105个，各复杂波形的相干积分时间为1ms。
在上述GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形，包括：
按照如下公式(1)和公式(2)，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形：
Figure BDA0003329051840000031
W(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)＝|w(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)|2···(2)
其中，w(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)表示经相干积分与非相干累加平均处理后的波形，T0表示相干积分与非相干累加平均处理的开始时间，Nincoh表示非相干累加次数，Tcoh表示相干积分时间，c(nTcoh,τ)表示复杂波形，t表示时刻，τ表示时延，W(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)表示功率波形。
在上述GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，还包括：在对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理之前，对复杂波形进行对齐；其中，Tcoh＝1s、2s、5s、10s，Nincoh＝1000。
在上述GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，包括：
采用DER算法，估算得到镜面点时延τspec：
Figure BDA0003329051840000041
其中，
Figure BDA0003329051840000042
表示从实测波形中计算的导数最大值点对应的时延，
Figure BDA0003329051840000043
表示仿真波形的镜面点时延，
Figure BDA0003329051840000044
表示从仿真波形中计算的导数最大值点对应的时延；
根据镜面点卫星高度角θ，估算得到对流层延迟τtrop：
Figure BDA0003329051840000045
其中，HR表示iGNSS-R接收机高度，Htrop表示观测位置的对流层高度；
基于公式(3)和(4)反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSHspir：
Figure BDA0003329051840000046
其中，τantenna表示天线基线时延误差。
在上述GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度，包括：
解算得到功率波形的波形信噪比SNRwf：
Figure BDA0003329051840000051
其中，Anoise表示功率波形的平均噪声振幅，σnoise表示Anoise的标准差；
根据SNRwf，解算得到测高精确度σp：
Figure BDA0003329051840000052
其中，c表示真空中光速，θS表示镜面点处的卫星高度角，W(0)表示镜面点处的信号功率；
基于公式(7)，依次解算得到各个镜面点的测高精确度：
Figure BDA0003329051840000053
Figure BDA0003329051840000054
则，N个镜面点对应的平均测高精确度
Figure BDA0003329051840000055
为：
Figure BDA0003329051840000056
在上述GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度，包括：
根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSHspir，通过公式(9)解算得到测高准确度σa：
σa＝SSHspir-SSHref···(9)
其中，SSHref表示参考模型的海面高度；
基于公式(9)，依次解算得到各个镜面点的测高准确度：
Figure BDA0003329051840000057
Figure BDA0003329051840000058
则，N个镜面点对应的平均测高准确度
Figure BDA0003329051840000059
为：
Figure BDA0003329051840000061
相应的，本发明还公开了一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构系统，包括：
获取模块，用于获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据；
处理模块，用于对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形；
第一解算模块，用于对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；
第二解算模块，用于根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；
第三解算模块，用于重复上述获取模块～第二解算模块的执行过程，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；
重构模块，用于根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统，通过设置不同的信号处理时间，获得对应的测高精度，然后通过信号处理时间与沿轨空间分辨率的关系，从测高精确度和准确度两个角度综合分析了机载iGNSS-R测高精度与沿轨空间分辨率的关系，为未来星载iGNSS-R测高任务相关参数的平衡考虑提供参考。
(2)本发明以机载iGNSS-R实测数据为例，分别从精确度和准确度两个角度研究分析了测高精度与沿轨空间分辨率的关系，结果表明，沿轨空间分辨率的降低会提高测高精度，其中精确度变化范围为0.16-1.13m，准确度变化范围为0.28-0.73m，但是这种变化并不是线性的，测高精度提升的幅度会随着沿轨道空间分辨率数值的增加而降低。本发明所得结果能为未来星载iGNSS-R测高任务的参数合理配置提供技术参考。
附图说明
图1是一种现有的机载iGNSS-R测高工作原理图；
图2是本发明实施例中一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法的步骤流程图；
图3是本发明实施例中使用的SPIR实验数据采集飞行路线示意图；
图4是本发明实施例中一种iGNSS-R功率波形(不同信号处理时间)示意图；
图5是本发明实施例中一种iGNSS-R测高精确度(不同信号处理时间)示意图；
图6是本发明实施例中一种SPIR测高精确度与沿轨空间分辨率的关系示意图；
图7是本发明实施例中一种iGNSS-R测高准确度(不同信号处理时间)示意图；
图8是本发明实施例中一种SPIR测高准确度与沿轨空间分辨率的关系示意图。
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。
精度和沿轨空间分辨率是表征iGNSS-R(Interferometric Global NavigationSatellite Systems Reflectometry)海面测高性能的关键参数，两者通过信号处理时间紧密相关。若在观测区域内获得更高的测高精度需要更长的信号处理时间，进而会损失部分的沿轨空间分辨率。相反，获得较高的沿轨空间分辨率需要更密集的时间采样，最终导致测高精度不理想。本发明以机载iGNSS-R实测数据为例，分别从精确度和准确度两个角度研究分析了测高精度与沿轨空间分辨率的关系，结果表明，沿轨空间分辨率的降低会提高测高精度，其中精确度变化范围为0.16-1.13m，准确度变化范围为0.28-0.73m，但是这种变化并不是线性的，测高精度提升的幅度会随着沿轨道空间分辨率数值的增加而降低。本发明结果能为未来星载iGNSS-R测高任务的参数合理配置提供技术参考。
如图2，在本实施例中，该GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，包括：
步骤101，获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据。
步骤102，对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形。
在本实施例中，通过SPIR上下天线接收到原始数据后，需要进一步处理获得功率波形。本发明采用原始数据处理方法，通过波束成形和直、反信号互相关获得干积分时间为1ms的复杂波形c(t,τ)共计波形6×105个。其中，t表示不同时刻，τ表示时延。
步骤103，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度。
在本实施例中，为了降低热噪声和散斑噪声的影响，提高功率波形的信噪比，需要对干积分时间为1ms的复杂波形c(t,τ)进行相干积分以及Nincoh次非相干累加平均，得到功率波形。
优选的，功率波形的具体解算过程可以如下：
按照如下公式(1)和公式(2)，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形：
Figure BDA0003329051840000081
W(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)＝|w(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)|2···(2)
其中，w(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)表示经相干积分与非相干累加平均处理后的波形，T0表示相干积分与非相干累加平均处理的开始时间，Nincoh表示非相干累加次数，Tcoh表示相干积分时间，c(nTcoh,τ)表示复杂波形，t表示时刻，τ表示时延，W(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)表示功率波形。
优选的，在对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理之前，还需对复杂波形进行对齐。其中，Tcoh＝1s、2s、5s、10s，Nincoh＝1000。
优选的，镜面点对应的平均测高精确度的具体解算过程可以如下：
测高精确度与iGNSS-R波形的信噪比紧密相关，本发明将波形信噪比SNRwf定义为：
Figure BDA0003329051840000091
其中，Anoise表示功率波形的平均噪声振幅，σnoise表示Anoise的标准差。
根据SNRwf，解算得到测高精确度σp：
Figure BDA0003329051840000092
其中，c表示真空中光速，θS表示镜面点处的卫星高度角，W(0)表示镜面点处的信号功率。
基于公式(7)，依次解算得到各个镜面点的测高精确度：
Figure BDA0003329051840000093
Figure BDA0003329051840000094
则，N个镜面点对应的平均测高精确度
Figure BDA0003329051840000095
为：
Figure BDA0003329051840000096
步骤104，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度。
在本实施例中，准确估计镜面点时延是保证iGNSS-R测高精度的关键。反射信号相对于直射信号的延迟可基于iGNSS-R波形通过重跟踪获得。此外，还需要进行对流层、天线基线的时延偏差改正。其中，波形重跟踪是将实测波形与模拟波形进行比较。本发明每个实测波形对应的模拟波形均通过开源软件“wavpy”提供的Z-V模型获得。目前常用的波形跟踪算法主要有DER、MAX和HALF，本发明采用DER算法估计镜面点时延。
接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离的具体反演流程如下：
采用DER算法，估算得到镜面点时延τspec：
Figure BDA0003329051840000101
其中，
Figure BDA0003329051840000102
表示从实测波形(图3)中计算的导数最大值点对应的时延，
Figure BDA0003329051840000103
表示仿真波形的镜面点时延，
Figure BDA0003329051840000104
表示从仿真波形中计算的导数最大值点对应的时延。
对流层主要分布在地面到15km的空间中。由于海面湿度较大，且直射和反射信号在中空经历了不同的传输路径，因此对流层对机载iGNSS-R时延估计引起的偏差不可忽略。本发明根据镜面点卫星高度角θ，估算得到对流层延迟τtrop：
Figure BDA0003329051840000105
其中，HR表示iGNSS-R接收机高度，Htrop表示观测位置的对流层高度；Htrop可取8621m。
对镜面点时延误差修正后，结合机载iGNSS-R几何关系，即可反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSHspir：
Figure BDA0003329051840000106
其中，τantenna表示天线基线时延误差，在已知机载位置与姿态信息下，通过上视天线与下视天线相对于镜面点的路径差来求取得到。
优选的，平均测高准确度的具体解算过程可以如下：
本发明将实测的SSH与模型给出的SSH之间的差值定义为准确度，即根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSHspir，通过公式(9)解算得到测高准确度σa：
σa＝SSHspir-SSHref···(9)
其中，SSHref表示参考模型的海面高度。
基于公式(9)，依次解算得到各个镜面点的测高准确度：
Figure BDA0003329051840000111
Figure BDA0003329051840000112
则，N个镜面点对应的平均测高准确度
Figure BDA0003329051840000113
为：
Figure BDA0003329051840000114
步骤105，根据重复步骤101～步骤104，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度。
步骤106，根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。
在上述实施例的基础上，下面对本发明方案使用到的数据，以及最终的结果与讨论等进行详细说明。
数据
本发明主要使用了SPIR(software PARIS interferometric receiver)机载飞行数据、DTU15全球平均海面模型以及DTU全球海潮模型。其中SPIR机载飞行数据用于反演海面高度，DTU15全球平均海面模型和DTU10全球海潮模型用于构建SSH验证模型。
SPIR数据
SPIR机载飞行任务是IEEC在2015年12月3日实行的机载GNSS-R测高计划，任务地点在靠近芬兰赫尔辛基的波罗的海海域(如图4所示)。本次飞行任务的关键之处在于首次采用了IEEC研发的SPIR接收机。与以往GNSS-R接收机(如GOLD-RTR、PIRA)不同的是，SPIR能够以80MHz采样率从16个前端收集原始复杂的GNSS反射信号，工作频段包含了所有常用的GNSS L1、L2和L5波段。在Aalto’s Skyvan飞机的顶部和腹部位置各安装了八阵元天线，用来采集来自上方的GNSS直射信号和来自海面的GNSS反射信号。本发明采用了40001-40600(GPS SOD)共计10分钟的GPS PRN01星在L1波段的观测数据。
SSH验证数据
在进行机载iGNSS-R海面高度反演时，需要与实测海面数据进行对比验证，确定星载海面高度反演精度。由于缺乏实测数据，故应用验证模型来验证海面高度反演精度。
DTU15全球平均海面模型(MSS)是由丹麦技术大学(DTU)于2015年12月发布的全球高分辨率平均海面。DTU15相比于之前版本最大的改进是使用了改进的Cryosat-2LRM、SAR以及SAR-In数据，相比于DTU10MSS和DTU13MSS降低了ICESat数据在北冰洋区域使用的权重。其格网分辨率为2′×2′。
DTU10全球海潮模型同样由DTU发布，DTU10考虑了全日和半日分潮的波长和水深影响，使用基于深度的动态差值法将改正值内插到FES2004的格网之中，负荷潮使用的是FES2004的计算结果。其格网分辨率为7.5′×7.5′。
本发明将DTU15全球平均海面模型与DTU10全球海潮模型组成SSH验证模型：SSHref＝DTU15MSS+DTU10Tide。
结果与讨论
功率波形
iGNSS-R功率波形是获得测高精度的数据基础。其中，测高精确度与波形的信噪比直接相关，测高准确度的获得需要首先根据功率波形重跟踪计算镜面点的时延。本研究将相干积分时间分别设置为1ms、2ms、5ms和10ms，非相干累加平均次数均为1000次，则信号处理时间分别为1s、2s、5s和10s。本发明共使用了SPIR共计10min数据，则对应的功率波形数量分别为600、300、120和60。
图4给出了不同信号处理时间下的iGNSS-R功率波形结果。由图4可以看出，信号处理时间的增加虽然会提高波形噪声的幅值，但是对波形功率幅值的提升更加明显，根据公式(6)，1s、2s、5s和10s功率波形对应的信噪比分别为8.69dB、11.09dB、14.82dB和17.04dB。
测高精确度与沿轨空间分辨率关系
如图5所示，基于信号处理获得的SPIR波形数据，根据公式(7)计算了每个镜面点对应的测高精确度。由图5可知，iGNSS-R测高精确度随着信号处理时间的不同出现了明显的“断层式”分布，由此可见信噪比对测高精确度影响较大。根据公式(8)，本发明计算了不同沿轨空间分辨率下的平均测高精确度，并在图6给出了平均测高精确度与沿轨空间分辨率的关系。
由图6可知，iGNSS-R测高精确度随着沿轨空间分辨率的降低而逐渐增加。然而，这种依赖关系并不是线性的，沿轨空间分辨率在50-150m范围内变化时测高精确度变化相对明显，然后随着沿轨空间分辨率数值的不断变大，测高精确度的波动相对变弱。该变化类似于测高精确度与信噪比之间关系。根据公式(7)可知，
Figure BDA0003329051840000131
会随着SNRwf的增加变大，但是这种趋势会逐渐变弱。此外，信号处理时间的增加虽然会提高W(0)，但是更加陡峭的波形前沿同样会导致W(0)'变大，这种情况下W(0)/W(0)'变化并不明显。SNRwf与沿轨空间分辨率通过信号处理时间为正相关关系，因此沿轨空间分辨率的增加，测高精确度提高的幅度逐渐变弱。
测高准确度与沿轨空间分辨率关系
根据SPIR波形数据和DER重跟踪算法，结合公式(5)和(9)计算了镜面点对应的SSH以及测高准确度，如图7所示
据图7可知，由SPIR数据反演获得的SSH与模型值存在较好的一致性。随着相干积分时间的增加，SSHspir与SSHref之间的偏差逐渐降低，且离散度变小。存在偏差主要原因如下：
(1)本次机载测高反演中只考虑了对流层误差、天线基线时延误差的影响，其他的误差项如飞机定位误差、海面潮汐等因素未加入模型计算。
(2)本次信号处理时间范围在1-10s，虽然获得的反射信号信噪比有一定的提升，但是信号中仍存在一定的闪烁噪声和热噪声。
(3)模型参考值SSHref是基于多颗遥感及重力卫星多年的观测数据反演获得，具有较好的稳定性，而机载测量对观测区域只进行了单次测量，结果具有一定的随机性，进而导致了测量结果与模型数据存在一定的偏差。
根据公式(10)，本发明计算了不同沿轨空间分辨率下的平均测高准确度，并在图8给出了平均测高准确度与沿轨空间分辨率的关系。
据图8可知，机载iGNSS-R测高准确度与沿轨空间分辨率的关系和测高精确度与沿轨空间分辨率的关系较为相似。测高准确度随着沿轨空间分辨率降低而提高，这是由于沿轨空间分辨率降低后的iGNSS-R的波形前沿更加陡峭，进而提高了镜面反射点时延的准确度。
对测高卫星的参考
通过本发明可为未来iGNSS-R海面测高卫星设计提供一些参考：
(1)未来的iGNSS-R海面测高卫星硬件设计时需要较高增益的上、下视接收天线。iGNSS-R测高精确度随着沿轨空间分辨率的降低主要是由于信号处理时间的增加提高了波形的信噪比，通过天线增益的提高同样可以提高波形的信噪比，这样可以在保证SNR的情况下降低信号处理时间，进而提高沿轨空间分辨率。当然，增益的升高同样会提高天线载荷的质量，这需要平衡考虑。
(2)未来的iGNSS-R海面测高卫星接收机应尽可能面向所有可用的GNSS卫星进行设计。研究表明，镜面点高度角低于45°时信噪比会明显降低，这就会导致测高精度与沿轨空间分辨率表现较差。相比于发射源只有GPS，GNSS下的iGNSS-R几何结构更优，可以获得镜面点高度角更高的反射事件，进而提高信噪比。
(3)未来的iGNSS-R海面测高卫星需要使用带宽较大的信号。信号带宽是限制GNSS-R测高表现的主要因素之一。iGNSS-R突破了cGNSS-R只能使用GPS L1 C/A码的限制。如果未来iGNSS-R卫星能够使用比GPS L1带宽更高的信号，如GPS L5、Galileo E1以及Beidou-3 B2b，那么测高精度和沿轨空间分辨率会有更好的表现。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构系统，包括：获取模块，用于获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据；处理模块，用于对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形；第一解算模块，用于对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；第二解算模块，用于根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；第三解算模块，用于重复上述获取模块～第二解算模块的执行过程，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；重构模块，用于根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
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 (8)

1.一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据；
步骤2，对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形；
步骤3，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；
步骤4，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；
步骤5，根据重复步骤1～步骤4，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；
步骤6，根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。
2.根据权利要求1所述的GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，波束成形和直、反信号互相关处理得到的复杂波形数量为：6×105个，各复杂波形的相干积分时间为1ms。
3.根据权利要求2所述的GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形，包括：
按照如下公式(1)和公式(2)，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形：
Figure FDA0003329051830000011
W(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)＝|w(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)|2…(2)
其中，w(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)表示经相干积分与非相干累加平均处理后的波形，T0表示相干积分与非相干累加平均处理的开始时间，Nincoh表示非相干累加次数，Tcoh表示相干积分时间，c(nTcoh,τ)表示复杂波形，t表示时刻，τ表示时延，W(T0+Nincoh·Tcoh/2,τ)表示功率波形。
4.根据权利要求3所述的GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，还包括：在对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理之前，对复杂波形进行对齐；其中，Tcoh＝1s、2s、5s、10s，Nincoh＝1000。
5.根据权利要求3所述的GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，包括：
采用DER算法，估算得到镜面点时延τspec：
Figure FDA0003329051830000021
其中，
Figure FDA0003329051830000022
表示从实测波形中计算的导数最大值点对应的时延，
Figure FDA0003329051830000023
表示仿真波形的镜面点时延，
Figure FDA0003329051830000024
表示从仿真波形中计算的导数最大值点对应的时延；
根据镜面点卫星高度角θ，估算得到对流层延迟τtrop：
Figure FDA0003329051830000025
其中，HR表示iGNSS-R接收机高度，Htrop表示观测位置的对流层高度；
基于公式(3)和(4)反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSHspir：
Figure FDA0003329051830000026
其中，τantenna表示天线基线时延误差。
6.根据权利要求5所述的GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度，包括：
解算得到功率波形的波形信噪比SNRwf：
Figure FDA0003329051830000031
其中，Anoise表示功率波形的平均噪声振幅，σnoise表示Anoise的标准差；
根据SNRwf，解算得到测高精确度σp：
Figure FDA0003329051830000032
其中，c表示真空中光速，θS表示镜面点处的卫星高度角，W(0)表示镜面点处的信号功率；
基于公式(7)，依次解算得到各个镜面点的测高精确度：
Figure FDA0003329051830000033
Figure FDA0003329051830000034
则，N个镜面点对应的平均测高精确度
Figure FDA0003329051830000035
为：
Figure FDA0003329051830000036
7.根据权利要求6所述的GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度，包括：
根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSHspir，通过公式(9)解算得到测高准确度σa：
σa＝SSHspir-SSHref…(9)
其中，SSHref表示参考模型的海面高度；
基于公式(9)，依次解算得到各个镜面点的测高准确度：
Figure FDA0003329051830000037
Figure FDA0003329051830000041
则，N个镜面点对应的平均测高准确度
Figure FDA0003329051830000042
为：
Figure FDA0003329051830000043
8.一种GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据；
处理模块，用于对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形；
第一解算模块，用于对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；
第二解算模块，用于根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；
第三解算模块，用于重复上述获取模块～第二解算模块的执行过程，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；
重构模块，用于根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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