CN114859384A - 一种星上测定gnss卫星发射天线方向图的方法 - Google Patents

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CN114859384A CN202210388699.8A CN202210388699A CN114859384A CN 114859384 A CN114859384 A CN 114859384A CN 202210388699 A CN202210388699 A CN 202210388699A CN 114859384 A CN114859384 A CN 114859384A
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Abstract

本发明公开了一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，所述方法包括：步骤S101)获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息；步骤S102)获取GNSS卫星的空间位置信息；步骤S103)根据星载GNSS遥感探测仪跟踪通道I、Q路的相干积分值，计算GNSS直射信号的接收功率；步骤S104)根据步骤S101)～步骤S103)的结果计算GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP；步骤S105)基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图。本发明的方法不增加星载GNSS遥感探测仪硬件系统复杂度，成本较低，容易实现；能显著提高GNSS卫星发射天线方向图的测量精度。

Description

一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法
技术领域
本发明涉及GNSS遥感技术与应用领域，具体涉及一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法。
背景技术
GNSS遥感技术是一种基于全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)的新型对地遥感探测技术。其中，利用GNSS反射信号(GNSS-R)对全球海面风场进行探测是当前GNSS遥感技术与应用领域中的热点之一。目前，星载GNSS遥感探测仪是进行GNSS遥感探测的有效载荷，其主要包含定位模块、掩星探测模块、GNSS-R探测模块。
GNSS-R技术主要依靠星载GNSS遥感探测仪自带的GNSS-R探测模块获取DDM数据(无量纲)，并以此来反演全球海面风场。这一反演过程首先就包括对DDM数据(无量纲)进行定标。该定标意味着将DDM数据(无量纲)最终转换为归一化的双基雷达散射截面(Normalized Bi-static Radar Cross Section，NBRCS)。目前，在这一定标过程中，需要使用GNSS卫星发射天线方向图信息。因此，测定GNSS卫星发射天线方向图是当下涉及GNSS-R技术反演全球海面风场的研究重点之一。
目前，测定GNSS卫星发射天线方向图的方法是一种基于GNSS地面站，将GNSS地面站长时间跟踪测量得到的GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率(Effective IsotropicRadiated Power，EIRP)进行归一化，从而得到GNSS卫星发射天线方向图的方法。星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法在国内尚属空白。
众所周知，地球表面大气对GNSS卫星发射的GNSS信号的功率具有衰减作用。然而，随着地球表面大气物理状态的变化(主要包括温度、湿度、压强的变化)，地球表面大气对GNSS卫星发射的GNSS信号的功率的衰减程度随之变化，从而导致GNSS地面站对该衰减程度的估计不准确，最终导致测得的GNSS卫星发射天线方向图存在偏差。
除此之外，GNSS地面站长时间跟踪GNSS信号时，时常不可避免地遭遇有意或无意的射频干扰。伴随着射频干扰强度和中心频率的变化，GNSS地面站跟踪GNSS信号时输出的测量值存在不同程度上的恶化，最终导致测得的GNSS卫星发射天线方向图存在偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，填补国内星上测定GNSS卫星发射天线方向图的空白，提出了一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法。从而避免地球表面大气和地面射频干扰的影响，测得高精度的GNSS卫星发射天线方向图，从而提高全球海面风场反演精度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，所述方法包括：
步骤S101)获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息；
步骤S102)获取GNSS卫星的空间位置信息；
步骤S103)根据星载GNSS遥感探测仪跟踪通道I、Q路的相干积分值，计算GNSS直射信号的接收功率；
步骤S104)根据步骤S101)～步骤S103)的结果计算GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP；
步骤S105)基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图。
作为上述方法的一种改进，所述步骤S101)具体包括：
通过处理星载GNSS遥感探测仪接收到的GNSS直射信号得到星载GNSS遥感探测仪的空间坐标(Xr,Yr,Zr)，其中，下标r表示星载GNSS遥感探测仪；星载GNSS遥感探测仪的空间位置向量表示为
Figure BDA0003595884160000021
作为上述方法的一种改进，所述步骤S102)具体包括：
根据星载GNSS遥感探测仪获取的GNSS卫星星历，解算得到GNSS卫星的空间坐标(Xg,Yg,Zg)，其中，下标g表示GNSS卫星；GNSS卫星的空间位置向量表示为
Figure BDA0003595884160000022
作为上述方法的一种改进，所述步骤S103)具体包括：
步骤S103-1)读取星载GNSS遥感探测仪某跟踪通道I、Q路的相干积分值Id和Qd，所述跟踪通道用于跟踪多路GNSS直射信号；
步骤S103-2)基于连续的相干积分值Id和Qd，进行L次非相干积分，得到无量纲数值Cd：
Figure BDA0003595884160000031
步骤S103-3)读取地面预先定标确定的整个处理过程对星载GNSS遥感探测仪定位天线接收到的GNSS直射信号功率的增益Gd；
步骤S103-4)根据下式计算GNSS直射信号的接收功率Pd：
Figure BDA0003595884160000032
作为上述方法的一种改进，所述步骤S104)具体包括：
步骤S104-1)根据星载GNSS遥感探测仪的空间位置向量
Figure BDA0003595884160000033
和GNSS卫星的空间位置向量
Figure BDA0003595884160000034
得到GNSS直射信号所对应向量
Figure BDA0003595884160000035
Figure BDA0003595884160000036
步骤S104-2)根据
Figure BDA0003595884160000037
与
Figure BDA0003595884160000038
之间的几何关系确定沿向量
Figure BDA0003595884160000039
的方向出射的GNSS直射信号所对应GNSS卫星发射天线方向图的主波束角θg和方位角
Figure BDA00035958841600000310
由
Figure BDA00035958841600000311
确定GNSS卫星发射天线方向图上一点；
根据
Figure BDA00035958841600000312
与
Figure BDA00035958841600000313
之间的几何关系确定沿向量
Figure BDA00035958841600000314
的方向入射的GNSS直射信号所对应星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图的主波束角θr和方位角
Figure BDA00035958841600000315
由
Figure BDA00035958841600000316
确定星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图上的一点；
步骤S104-3)根据下式计算GNSS卫星发射天线方向图上一点
Figure BDA00035958841600000317
对应的
Figure BDA00035958841600000318
Figure BDA00035958841600000319
其中，Pg表示GNSS卫星信号发射功率，Gg表示GNSS卫星发射天线增益，Rd表示GNSS卫星发射天线相位中心到星载GNSS遥感探测仪定位天线相位中心的直线距离，λ为GNSS直射信号所对应的载波波长，Gr表示星载GNSS遥感探测仪定位天线增益，并且Gr的取值预先由地面定标测定；
步骤S104-4)在定义域θg∈[-90°,90°]，
Figure BDA00035958841600000320
的范围内重复步骤S104-1)～步骤S104-3)得到对应不同
Figure BDA0003595884160000041
的
Figure BDA0003595884160000042
的取值，进而得到GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP。
作为上述方法的一种改进，所述步骤S105)具体包括：
基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图
Figure BDA0003595884160000043
Figure BDA0003595884160000044
其中，max(.)表示取最大值。
作为上述方法的一种改进，所述系统包括：探测仪空间位置获取模块、卫星空间位置获取模块、接收功率计算模块、EIRP计算模块和方向图计算模块；其中，
所述探测仪空间位置获取模块，用于获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息；
所述卫星空间位置获取模块，用于获取GNSS卫星的空间位置信息；
所述接收功率计算模块，用于根据星载GNSS遥感探测仪跟踪通道I、Q路的相干积分值，计算GNSS直射信号的接收功率；
所述EIRP计算模块，用于根据探测仪空间位置信息获取模块、卫星空间位置信息获取模块和接收功率计算模块的输出结果计算GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP；
所述方向图计算模块，用于基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提出的方法利用星载GNSS遥感探测仪自带的定位模块对GNSS卫星发射的直射信号进行长时间稳定跟踪，从而测量得到GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化之后，最终得到GNSS卫星发射天线方向图，该方法不增加星载GNSS遥感探测仪硬件系统复杂度，成本较低，容易实现；
2、本发明提出的方法是在星上测定GNSS卫星发射天线方向图，从而避免了地球表面大气和地球表面射频干扰的影响，从而显著提高GNSS卫星发射天线方向图的测量精度；
3、本发明提出的方法是在星上测定GNSS卫星发射天线方向图，其比在地面测定GNSS卫星发射天线方向图所需时间短得多，因为低轨卫星围绕地球运转，飞行速度快，高度比GNSS地面站高得多，所以其视场比GNSS地面站大并且对GNSS卫星的重访时间比GNSS地面站要短得多。
附图说明
图1是本发明星上测定GNSS卫星发射天线方向的方法的流程图；
图2是本发明计算GNSS直射信号的接收功率的方法的流程图。
具体实施方式
本文所述空间坐标均基于地心地固坐标系(Earth Centered Earth Fixed，ECEF)。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提出了一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，具体实施步骤包括：
步骤S101)获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息
星载GNSS遥感探测仪自带的定位模块通过处理其接收到的GNSS直射信号实现星载GNSS遥感探测仪的精确定位，从而获得星载GNSS遥感探测仪的空间坐标(Xr,Yr,Zr)。其中，下标r表示接收机——星载GNSS遥感探测仪。星载GNSS遥感探测仪的空间位置向量表示为
Figure BDA0003595884160000051
步骤S102)获取GNSS卫星的空间位置信息
星载GNSS遥感探测仪自带的定位模块在获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置坐标的同时，也获取了GNSS卫星星历，从而据此解算出GNSS卫星的空间坐标(Yg,Yg,Zg)。其中，下标g表示GNSS卫星。GNSS卫星的空间位置向量表示为
Figure BDA0003595884160000052
Figure BDA0003595884160000053
步骤S103)计算GNSS直射信号的接收功率
星载GNSS遥感探测仪自带的定位模块包含大量并行跟踪通道用于跟踪多路GNSS直射信号。
如图2所示，具体包括：
步骤S103-1)读取相干积分值
读取某一跟踪通道I、Q路的相干积分值Id和Qd。其相干积分时间为1ms或10ms等，由GNSS信号调制方式等因素共同决定。
步骤S103-2)进行非相干积分运算
基于连续的相干积分值Id和Qd，进行L次非相干积分，可得数值Cd(无量纲)，并且Cd可表示为：
Figure BDA0003595884160000061
其中，Pa表示由星载GNSS遥感探测仪定位天线接收到的热噪声功率，Pi表示星载GNSS遥感探测仪定位模块热噪声功率，Pd表示由星载GNSS遥感探测仪定位天线接收到的GNSS直射信号功率(即GNSS直射信号的接收功率)。Gn表示整个处理过程对热噪声功率的增益，Gd表示整个处理过程对星载GNSS遥感探测仪定位天线接收到的GNSS直射信号功率的增益。
步骤S103-3)读取Gd的值
Gd的值事先由地面定标确定。
步骤S103-4)计算GNSS直射信号的接收功率
根据GNSS直射信号闭环跟踪原理可知，跟踪通道对GNSS直射信号的载波相位和伪码相位进行实时稳定精确的估计。在积分时间足够长的条件下(例如，积分时间为1s)，有：
Gd＞＞Gn (2)
基于等式(2)，等式(1)可简化为：
Figure BDA0003595884160000062
因此，有：
Figure BDA0003595884160000063
基于等式(4)，可计算得到GNSS直射信号的接收功率。
步骤S104)计算GNSS卫星发射天线EIRP
根据双基雷达信号传输模型可知，GNSS直射信号的接收功率可表示为：
Figure BDA0003595884160000071
其中，Rd表示GNSS卫星发射天线相位中心到星载GNSS遥感探测仪定位天线相位中心的直线距离，并且
Figure BDA0003595884160000072
Figure BDA0003595884160000073
表示与之对应的向量；Pg表示GNSS卫星信号发射功率，Gg表示GNSS卫星发射天线增益。其中θg和
Figure BDA0003595884160000074
分别表示沿向量
Figure BDA0003595884160000075
的方向出射的GNSS直射信号所对应GNSS卫星发射天线方向图的主波束角(boresight angle)和方位角(azimuth angle)。
Figure BDA0003595884160000076
确定GNSS卫星发射天线方向图上一点。λ为GNSS直射信号所对应的载波波长，Gr表示星载GNSS遥感探测仪定位天线增益。其中θr和
Figure BDA0003595884160000077
分别表示沿向量
Figure BDA0003595884160000078
的方向入射的GNSS直射信号所对应星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图的主波束角和方位角。
Figure BDA0003595884160000079
确定星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图上的一点。
需要说明的是，即使在1s的积分时间内，θg、
Figure BDA00035958841600000710
θr和
Figure BDA00035958841600000711
的变化十分微小，可近似看作不变，即
Figure BDA00035958841600000712
不变。因此，根据等式(5)可得：
Figure BDA00035958841600000713
其中，星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图及其增益Gr可事先通过地面定标测定，θr和
Figure BDA00035958841600000714
的值由
Figure BDA00035958841600000715
与
Figure BDA00035958841600000716
之间的几何关系确定。θg和
Figure BDA00035958841600000717
的值则根据
Figure BDA00035958841600000718
与
Figure BDA00035958841600000719
之间的几何关系确定。
通过长时间跟踪GNSS卫星直射信号，最终可获得各GNSS卫星发射天线EIRP，即在定义域θg∈[-90°,90°]，
Figure BDA00035958841600000720
的范围内所对应的
Figure BDA00035958841600000721
的取值。
在星载GNSS遥感探测仪整个任务周期，计算GNSS卫星发射天线EIRP的工作一直进行，从而不断提高并更新GNSS卫星发射天线EIRP的测量值。
步骤S105)获取GNSS卫星发射天线方向图
基于GNSS卫星发射天线EIRP，对其进行归一化运算，则可得到GNSS卫星发射天线方向图。
Figure BDA00035958841600000722
其中，
Figure BDA0003595884160000081
表示GNSS卫星发射天线方向图。
实施例2
本发明的实施例2提出了一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的系统，基于实施例1的方法实现，该系统包括：探测仪空间位置获取模块、卫星空间位置获取模块、接收功率计算模块、EIRP计算模块和方向图计算模块；其中，
所述探测仪空间位置获取模块，用于获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息；
所述卫星空间位置获取模块，用于获取GNSS卫星的空间位置信息；
所述接收功率计算模块，用于根据星载GNSS遥感探测仪跟踪通道I、Q路的相干积分值，计算GNSS直射信号的接收功率；
所述EIRP计算模块，用于根据探测仪空间位置信息获取模块、卫星空间位置信息获取模块和接收功率计算模块的输出结果计算GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP；
所述方向图计算模块，用于基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，所述方法包括：
步骤S101)获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息；
步骤S102)获取GNSS卫星的空间位置信息；
步骤S103)根据星载GNSS遥感探测仪跟踪通道I、Q路的相干积分值，计算GNSS直射信号的接收功率；
步骤S104)根据步骤S101)～步骤S103)的结果计算GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP；
步骤S105)基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图。
2.根据权利要求1所述的星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，其特征在于，所述步骤S101)具体包括：
通过处理星载GNSS遥感探测仪接收到的GNSS直射信号得到星载GNSS遥感探测仪的空间坐标(Xr,Yr,Zr)，其中，下标r表示星载GNSS遥感探测仪；星载GNSS遥感探测仪的空间位置向量表示为
Figure FDA0003595884150000011
3.根据权利要求2所述的星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，其特征在于，所述步骤S102)具体包括：
根据星载GNSS遥感探测仪获取的GNSS卫星星历，解算得到GNSS卫星的空间坐标(Xg,Yg,Zg)，其中，下标g表示GNSS卫星；GNSS卫星的空间位置向量表示为
Figure FDA0003595884150000012
4.根据权利要求3所述的星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，其特征在于，所述步骤S103)具体包括：
步骤S103-1)读取星载GNSS遥感探测仪某跟踪通道I、Q路的相干积分值Id和Qd，所述跟踪通道用于跟踪多路GNSS直射信号；
步骤S103-2)基于连续的相干积分值Id和Qd，进行L次非相干积分，得到无量纲数值Cd：
Figure FDA0003595884150000013
步骤S103-3)读取地面预先定标确定的整个处理过程对星载GNSS遥感探测仪定位天线接收到的GNSS直射信号功率的增益Gd；
步骤S103-4)根据下式计算GNSS直射信号的接收功率Pd：
Figure FDA0003595884150000021
5.根据权利要求3所述的星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，其特征在于，所述步骤S104)具体包括：
步骤S104-1)根据星载GNSS遥感探测仪的空间位置向量
Figure FDA0003595884150000022
和GNSS卫星的空间位置向量
Figure FDA0003595884150000023
得到GNSS直射信号所对应向量
Figure FDA0003595884150000024
Figure FDA0003595884150000025
步骤S104-2)根据
Figure FDA0003595884150000026
与
Figure FDA0003595884150000027
之间的几何关系确定沿向量
Figure FDA0003595884150000028
的方向出射的GNSS直射信号所对应GNSS卫星发射天线方向图的主波束角θg和方位角
Figure FDA0003595884150000029
由
Figure FDA00035958841500000210
确定GNSS卫星发射天线方向图上一点；
根据
Figure FDA00035958841500000211
与
Figure FDA00035958841500000212
之间的几何关系确定沿向量
Figure FDA00035958841500000213
的方向入射的GNSS直射信号所对应星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图的主波束角θr和方位角
Figure FDA00035958841500000214
由
Figure FDA00035958841500000215
确定星载GNSS遥感探测仪定位天线方向图上的一点；
步骤S104-3)根据下式计算GNSS卫星发射天线方向图上一点
Figure FDA00035958841500000216
对应的
Figure FDA00035958841500000217
Figure FDA00035958841500000218
其中，Pg表示GNSS卫星信号发射功率，Gg表示GNSS卫星发射天线增益，Rd表示GNSS卫星发射天线相位中心到星载GNSS遥感探测仪定位天线相位中心的直线距离，λ为GNSS直射信号所对应的载波波长，Gr表示星载GNSS遥感探测仪定位天线增益，并且Gr的取值预先由地面定标测定；
步骤S104-4)在定义域θg∈[-90°,90°]，
Figure FDA00035958841500000219
的范围内重复步骤S104-1)～步骤S104-3)得到对应不同
Figure FDA00035958841500000220
的
Figure FDA00035958841500000221
的取值，进而得到GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP。
6.根据权利要求4所述的星上测定GNSS卫星发射天线方向图的方法，其特征在于，所述步骤S105)具体包括：
基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图
Figure FDA0003595884150000031
Figure FDA0003595884150000032
其中，max(.)表示取最大值。
7.一种星上测定GNSS卫星发射天线方向图的系统，其特征在于，所述系统包括：探测仪空间位置获取模块、卫星空间位置获取模块、接收功率计算模块、EIRP计算模块和方向图计算模块；其中，
所述探测仪空间位置获取模块，用于获取星载GNSS遥感探测仪的空间位置信息；
所述卫星空间位置获取模块，用于获取GNSS卫星的空间位置信息；
所述接收功率计算模块，用于根据星载GNSS遥感探测仪跟踪通道I、Q路的相干积分值，计算GNSS直射信号的接收功率；
所述EIRP计算模块，用于根据探测仪空间位置信息获取模块、卫星空间位置信息获取模块和接收功率计算模块的输出结果计算GNSS卫星发射天线有效全向辐射功率EIRP；
所述方向图计算模块，用于基于GNSS卫星发射天线EIRP，经归一化运算，得到GNSS卫星发射天线方向图。
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