CN115096174B - 一种提高gnss-r形变检测精度的方法及系统 - Google Patents

一种提高gnss-r形变检测精度的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高GNSS‑R形变检测精度的方法及系统，该方法包括步骤：同时通过形变天线和固定天线接收同一目标的多个GNSS信号源的信号，在信号接收过程中：按照设定路径移动所述形变天线，并保持所述固定天线位置不变；从而接收得到来自移动的形变天线的形变信号，以及来自固定的固定天线的固定信号；分析形变信号和固定信号之间的载波相位的变化，并换算成伪距值，得到监测出的形变值。本发明能优化载波相位变化曲线，达到形变探测精度提高的目的，为GNSS‑R高精度形变监测的实现奠定了基础。

Description

一种提高GNSS-R形变检测精度的方法及系统
技术领域
本发明涉及GNSS-R(GNSS Radar，GNSS雷达)对形变检测技术领域，尤其涉及一种用于对大型目标形状变化的检测时提高GNSS-R形变检测精度的方法及系统。
背景技术
利用GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)信号对物体的形状变化进行监测，在近十年来得到了关注与发展。而GNSS—R则是用GNSS信号，双基地雷达模型对物体进行形状变化监测，这种方法的好处为：(1)双接收信号拥有同样的环境噪声与系统噪声，可形成参照对比，有效的降低信噪比。(2)发射和接收装置对监测物体的影响小：这种方法不需要额外的发射装置，接收装置也可以假设在监测物体周边，可实现无接触监测，因此隐蔽性和抗电子侦查的性能都更好。(3)GNSS信号可实现全天候、无死角的目标监测。
全球导航卫星系统的定位精度受到大气、多径干扰和观测噪声等多种因素的影响。因此，降噪技术是提取信息的必要手段。RTK(Real-time kinematic，实时动态)作为一种传统的测量技术，已广泛应用于变形监测。然而，其测量精度将随着检测站和参考站之间距离的增加而降低，并且当参考站和检测站都位于变形区域时，该方法可能会失败。精密单点定位(precise point positioning，PPP)作为另一种精密定位技术，在地震学中得到了广泛的应用。它不需要参考站，但必须有准确的星历。然而，没有统一的方法来获得实时和准确的星历。还有一种用于实时动态形变监测的方法，这种方法能够有效分离多径信号，实验结果可以达到毫米级。然而，同时接收多颗卫星的信息熵必须大于单颗卫星的信息熵，这也意味着多源融合变形监测的精度还有更大的提高空间。双基地模型可以更好地降低噪声，提高信噪比。但是，在上述方法中，多数工作是基于单卫星发射源进行的。若能够基于多卫星信息进行GNSS雷达形变监测，则探测精度将会有很大程度的提升。
发明内容
本发明提供了一种提高GNSS-R形变检测精度的方法及系统，用以解决对大型目标形状变化的检测时GNSS-R形变检测精度不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种提高GNSS-R形变检测精度的方法，包括以下步骤：
同时通过形变天线和固定天线接收同一目标的多个GNSS信号源的信号，在信号接收过程中：按照设定路径移动所述形变天线，并保持所述固定天线位置不变；
从而接收得到来自移动的形变天线的形变信号，以及来自固定的固定天线的固定信号；
分析形变信号和固定信号之间的载波相位的变化，并换算成伪距值，得到监测出的形变值。
优选地，分析形变信号和固定信号之间的载波相位的变化，包括：
将固定信号和形变信号分别进行预处理，计算固定信号与形变信号的载波相位差作为载波相位的变化。
优选地，计算固定信号与形变信号的载波相位差，包括以下步骤：
对多个GNSS信号进行如下操作：将固定信号与形变信号的载波相位值转换为伪距值；分别选取固定信号与形变信号中的伪距值浮动范围符合要求(上下浮动小于0.01m)的一段作为分析数据；分别将离散的分析数据进行曲线拟合，得到伪距值曲线；
将多个GNSS信号的伪距值曲线分为固定和形变两组，按组分别进行相干融合，得到固定伪距值曲线和形变伪距值曲线，将形变伪距值曲线减去固定伪距值曲线，得到多源融合后的形变监测曲线。
优选地，在将形变伪距值曲线减去固定伪距值曲线之后，对所得差取平均值。
优选地，预处理包括对信号进行下变频、模数转换、捕获和跟踪操作。
优选地，预处理还包括：在信号强度低于设定值时，对高分辨率的距离向压缩信号进行门限处理以去除噪声。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的提高GNSS-R形变检测精度的方法，通过形变天线和固定天线的双基地接收模型，对同一目标的多个GNSS信号源的载波相位进行跟踪，优化载波相位变化曲线，达到形变探测精度提高的目的，为GNSS-R高精度形变监测的实现奠定了基础。
2、在优选方案中，本发明的提高GNSS-R形变检测精度的方法，本发明采用相干融合的方法对多源GNSS信号进行融合，以提升形变检测精度的方法。并采用双基地(双接收天线)模型+多源融合的方式对GNSS形变监测进行实验分析，有效的降低了信号噪声，提高了形变监测精度。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的提高GNSS-R形变检测精度的方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的提高GNSS-R形变检测精度的方法的信号处理流程示意图；
图3是本发明优选实施例的形变值提取流程示意流程图；
图4是本发明优选实施例的多个卫星的载波相位的示意图；其中(a)为1号卫星的固定信号载波相位；(b)为4号卫星的固定信号载波相位；(c)为13号卫星的固定信号载波相位；(d)为20号卫星的固定信号载波相位；
图5是本发明优选实施例的融合后的形变值的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，图2，本发明的提高GNSS-R形变检测精度的方法，包括以下步骤：
S1、同时通过形变天线和固定天线接收同一目标的多个GNSS信号源的信号，在信号接收过程中：按照设定路径移动所述形变天线，并保持所述固定天线位置不变。其中形变天线为左旋天线，用于接收被测物体的形状变化情况，固定天线为右旋天线，接收卫星发射的信号作为对比；其中，按照设定路径移动所述形变天线的目的是为了模拟物体形状变化，例如在指定时刻按照指定速度将形变天线移动设定的距离，移动的路径可以是直线，也可以是预先设定的曲线。
S2、从而接收得到来自移动的形变天线的形变信号，以及来自固定的固定天线的固定信号；
S3、分析形变信号和固定信号之间的载波相位的变化，并换算成伪距值，得到监测出的形变值。
上述步骤，通过形变天线和固定天线的双基地接收模型，对同一目标的多个GNSS信号源的载波相位进行跟踪，优化载波相位变化曲线，达到形变探测精度提高的目的，为GNSS-R高精度形变监测的实现奠定了基础。
在实际应用中，在上述步骤的基础上，本发明的提高GNSS-R形变检测精度的方法还可进行优化，以下举例说明：
第一步，将收到的GNSS—R信号进行预处理，提取载波相位信息。参见图4。
接收信号分为移动天线(形变天线)接收的形变信号和另一个未移动天线(固定天线)接收的固定信号。分别对两个信号进行下变频、模数转换、捕获和跟踪操作，在固定信号和形变信号中获得载噪比较好的卫星信号，形变信号的载波相位差通过固定信号与形变信号的载波相位做差获得。
参见图3，接收的北斗固定信号如式(1)所示。形变信号如式(2)所示。A表示信号幅度，i表示卫星号，C表示伪随机噪声码，D表示导航位，f表示多普勒频率，P表示载波相位，n表示背景噪声。
其中，为第i颗北斗B3I卫星在距离域t以及方位域μ内的反射信号；为第i颗北斗B3I卫星在距离域t以及方位域μ内的直射信号；/>为第i颗北斗B3I卫星的同步信号；fF为反射信号的多普勒频率；fD为直射信号的多普勒频率；/>第i颗卫星在方位域μ内的反射信号的载波相位；/>为第i颗卫星的在方位域μ内的直射信号的载波相位；
载波环路跟踪后，接收机产生的多普勒频率将抵消信号中的多普勒频率。将信号转换为等式(3)。
为北斗B3I卫星的直射信号的幅度，/>为第i颗北斗B3I卫星信号的导航数据,Pi(μ)表示第i颗卫星在方位域μ内的载波相位,n(t,μ)表示在距离域t以及方位域μ内的实时背景噪声。
在等式(4)和等式(5)中解算信号中的载波相位。
其中，为/>信号的虚部，/>是为/>信号的实部,为/>信号的虚部，/>是为/>信号的实部。
第二步，提取载波相位信息，得到伪距值曲线。
首先需要将载波相位值转换为伪距，计算公式如(6)示。
其中，c为光速；λ为北斗B3I信号的波长。
得到伪距值为一系列离散的点，对每颗卫星的伪距值截取形变前和形变后较平滑的两段。对两段离散点进行曲线拟合，拟合的方式为最小二乘法。拟合后得到伪距值曲线。
第三步，将多颗卫星的伪距值曲线分为固定和形变两组(即对应形变前和形变后两组，根据形变前和形变后的载波相位有明显的变化)，图4为四颗卫星的固定天线与形变天线的伪距差。图形可以分为两部分，第一部分和第二部分的伪距存在阶跃式的明显变化，即目标发生了相对位移。两组曲线分别进行相干融合，得到相干融合后的伪距值曲线。图5为相干融合后的不同时间点下的伪距值。
第四步，将形变后与形变前的伪距值曲线相减，得到多源融合形变曲线，对曲线求平均，得到最终形变结果值。其中，曲线中每个点均表示一个历史时刻的形变监测结果，取平均可以得到历史时段的形变结果；这种形变值的提取方法，得到的数据数学上较精确，并且容易进行分析融合。
本发明基于对多个GNSS信号同时接收，只有实现了同时接收，才能在后期对环境噪声和系统噪声进行抵消，实现双基地模型的优势。但是在实际应用中，硬件上需要对接收机进行设置，根据不同GNSS信号中心频率的不同，设置中心频率和带宽，保证足够的带宽接收到多组GNSS信号。软件上再设置GNSS信号的中心频率，分离出不同的GNSS信号。为后期的多源融合提供实验基础。
下面通过基于北斗B3I码信号的实地实验，对本发明所的方法进行验证。本实验的参数如表1所示：
表1
参数 参数值
接收信号制式 北斗B3I
接收频率 1268.52MHz(L1波段)
信号接收速度 3×108m/s
信号带宽 10.23MHz
天线增益 20dB
接收时间 40s
采用北斗B3I信号，天线增益为20dB,实验设计为采用两根天线连接接收机，同时接收信号，接收的时间持续40s,在第15s时垂直移动一根天线模拟形变，移动的距离为1.16m。相干融合前的错误率在1.06％到16.92％之间。相干融合后的误差率为5.78％，对应于0.0671m的变形。参见图3，将多源融合(多颗卫星)的形变结果与单颗卫星的形变结果进行对比，多源融合的形变结果的精度比单颗卫星的形变结果的精度提高了10.96％。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明能优化载波相位变化曲线并融合多个GNSS信号载波相位参数，达到提高形变探测精度的目的，实现了GNSS形变监测的毫米级探测，为GNSS—R环境遥感提供了新的思路。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高GNSS-R形变检测精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
同时通过形变天线和固定天线接收同一目标的多个GNSS信号源的信号，在信号接收过程中：按照设定路径移动所述形变天线，并保持所述固定天线位置不变；
从而接收得到来自移动的形变天线的形变信号，以及来自固定的固定天线的固定信号；
分析形变信号和固定信号之间的载波相位的变化：将所述固定信号和形变信号分别进行预处理，计算固定信号与形变信号的载波相位差作为载波相位的变化，包括以下步骤：
对多个GNSS信号进行如下操作：将固定信号与形变信号的载波相位值转换为伪距值；分别选取固定信号与形变信号中的伪距值浮动范围符合要求的一段作为分析数据；分别将离散的分析数据进行曲线拟合，得到伪距值曲线；
将多个GNSS信号的伪距值曲线分为固定和形变两组，按组分别进行相干融合，得到固定伪距值曲线和形变伪距值曲线，将形变伪距值曲线减去固定伪距值曲线，得到多源融合后的形变监测曲线。
2.根据权利要求1所述的提高GNSS-R形变检测精度的方法，其特征在于，在将形变伪距值曲线减去固定伪距值曲线之后，对所得差取平均值。
3.根据权利要求1所述的提高GNSS-R形变检测精度的方法，其特征在于，所述预处理包括对信号进行下变频、模数转换、捕获和跟踪操作。
4.根据权利要求1所述的提高GNSS-R形变检测精度的方法，其特征在于，所述预处理还包括：在信号强度低于设定值时，对高分辨率的距离向压缩信号进行门限处理以去除噪声。
5.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至4任一所述方法的步骤。
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