CN115166779A - 一种北斗导航卫星信号地基监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种北斗导航卫星信号地基监测方法及系统,包括:通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率PR(θ,φ);根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图GR(θ,φ);根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;根据地基系统接收功率PR(θ,φ)、天线方向图GR(θ,φ)和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。本发明解决了我国北斗系统在进行定量遥感应用过程中的瓶颈问题。
Description
技术领域
本发明属于微波遥感技术领域,尤其涉及一种北斗导航卫星信号地基监测方法及系统。
背景技术
我国北斗系统反射信号BDS-R的遥感应用发展还落后于世界顶尖水平。已有的国外GNSS-R遥感卫星计划仅考虑美国全球定位系统反射信号(Global Positioning System-Reflectometry,以下简称GPS-R)。长期以来,在轨运行的业务化GNSS-R遥感卫星星座仅有美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA)的飓风全球导航卫星系统(CYclone Global Navigation Satellite System,简称CYGNSS),其海洋及陆地业务化产品已经经历了数十次版本更新,应用领域也在不断扩展。遗憾的是,NASA仅公布压缩后的过程产品,大量可研究内容仅供美国及其相关国家使用,大大影响了中国在该领域的快速发展与进步。随着2019年6月5日,中国第一代兼容北斗系统和在轨定标负载的GNSS-R遥感卫星星座——“捕风一号”试验双星的成功在轨部署打破了这一格局,填补了中国在星载GNSS-R遥感领域的空白。
然而“捕风一号”存在的问题是虽然能够接收北斗系统反射信号,但是由于缺乏北斗导航卫星信号地基监测产品,致使理论模型中最关键的不同导航卫星的发射功率谱缺失,最终导致了无法对接收到的信号进行遥感定量化处理的瓶颈问题,难以得到相应的地球物理遥感产品,大大影响了我国北斗系统遥感应用的发展进程。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服了现有技术的不足,提供了一种北斗导航卫星信号地基监测方法及系统,解决了我国北斗系统在进行定量遥感应用过程中的瓶颈问题。
本发明目的通过以下技术方案予以实现:一种北斗导航卫星信号地基监测方法,包括:通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率PR(θ,φ);根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图GR(θ,φ);根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;根据地基系统接收功率PR(θ,φ)、天线方向图GR(θ,φ)和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。
上述北斗导航卫星信号地基监测方法中,地基系统接收功率通过如下公式得到:
PR(θ,φ)=SBCBDS;
其中,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,SB为尺度因子,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,CBDS为地基接收机接收到的功率相关值。
上述北斗导航卫星信号地基监测方法中,尺度因子SB通过北斗功率监测系统中的低噪声放大器查找表获得。
上述北斗导航卫星信号地基监测方法中,传输距离通过如下公式得到:
其中,R为传输距离,XT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的X坐标,YT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的Y坐标,ZT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的Z坐标,XR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的X坐标,YR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的Y坐标,ZR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的Z坐标。
上述北斗导航卫星信号地基监测方法中,北斗导航卫星的等效全向辐射功率通过如下公式得到:
其中,EPRN(θ,φ)为北斗导航卫星的等效全向辐射功率,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,R为传输距离,GR(θ,φ)为天线方向图,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,C为常数。
一种北斗导航卫星信号地基监测系统,包括:第一模块,用于通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率PR(θ,φ);第二模块,用于根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图GR(θ,φ);第三模块,用于根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;第四模块,用于根据地基系统接收功率PR(θ,φ)、天线方向图GR(θ,φ)和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。
上述北斗导航卫星信号地基监测系统中,地基系统接收功率通过如下公式得到:
PR(θ,φ)=SBCBDS;
其中,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,SB为尺度因子,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,CBDS为北斗导航卫星信号地基接收机接收到的功率相关值。
上述北斗导航卫星信号地基监测系统中,尺度因子SB通过北斗功率监测系统中的低噪声放大器查找表获得。
上述北斗导航卫星信号地基监测系统中,传输距离通过如下公式得到:
其中,R为传输距离,XT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的X坐标,YT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的Y坐标,ZT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的Z坐标,XR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的X坐标,YR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的Y坐标,ZR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的Z坐标。
上述北斗导航卫星信号地基监测系统中,北斗导航卫星的等效全向辐射功率通过如下公式得到:
其中,EPRN(θ,φ)为北斗导航卫星的等效全向辐射功率,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,R为传输距离,GR(θ,φ)为天线方向图,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,C为常数。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明通过获取北斗系统等效全向辐射功率得到每一颗北斗系统导航卫星在不同入射方向下的发射功率和增益,进而能够弥补进行定量遥感应用过程中发射端功率大小的不确定性这一瓶颈问题;
(2)本发明通过北斗导航卫星信号地基监测系统能够全天时全天候地进行北斗系统功率的地基监测,不但获取了最终的北斗系统等效全向辐射功率,还能得到北斗系统运行过程中的突发功率调整、北斗系统特有信号体质特征、地基大气观测结果以及具有一定服务能力的高精密单点定位等有效信息内容。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1是本发明实施例提供的北斗导航卫星信号地基监测方法的流程图;
图2是本发明实施例提供的地基监测系统接收功率随时间变化图;
图3是本发明实施例提供的地基监测系统天线增益随时间变化图;
图4是本发明实施例提供的地基监测系统与导航卫星距离随时间变化图;
图5是本发明实施例提供的地基监测系统接收俯仰角随时间变化图;
图6是本发明实施例提供的地基监测系统接收方位角随时间变化图;
图7是本发明实施例提供的地基监测系统获得的等效全向辐射功率图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的北斗导航卫星信号地基监测方法的流程图。如图1所示,该方法包括如下步骤:
通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率PR(θ,φ);
根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图GR(θ,φ);
根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;
根据地基系统接收功率PR(θ,φ)、天线方向图GR(θ,φ)和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。
具体的,本发明可应用于北斗系统定量遥感应用中等效全向辐射功率谱(EIRP)未知的情形。首先根据弗林斯传输方程确定北斗系统地基EIRP监测方程,确定监测所需参数,然后进行地基系统接收功率和天线方向图的获取,完成传输距离计算,最终输出北斗系统EIRP产品,其具体实现步骤如下:
步骤1:根据弗林斯传输方程确定北斗系统地基EIRP监测方程:
首先建立弗林斯传输方程:
其中,PR基地系统接收功率,E为北斗系统在某方向上的EIRP,R为传输距离,La为大气损耗系数,可根据地基观测站所处位置建立经验函数,λ为北斗对应信号波长,GR为接收天线增益。对方程进行移项,将需要获得的未知量E放置于等式左边:
步骤2:确定监测所需参数:
根据移项后的方程中的未知量进行观测和获取:
通过地基接收站接收到的不同信号功率获得PR地基系统接收功率;
通过地基接收站天线方向图获得GR天线增益;
根据地基接收站位置XYZ和卫星位置XYZ获得R传输距离。
步骤3:地基系统接收功率获取(PR):
北斗导航信号接收天线接收到的信号PR与北斗导航接收机获取的相关值BDS之间存在如下关系:
PR(θ,φ)=SBCBDS
其中,SB为尺度因子,通过对北斗功率监测系统中的低噪声放大器查找表获得。θ、φ和PRN表示PR为某一时刻某颗北斗导航卫星在相应俯仰角和方位角下的接收落地功率。
步骤4:天线方向图获取(GR):
天线方向图GR(θ,φ)由地基监测站的天线的产品信息中直接获取。
步骤5:传输距离计算(R):
通过地基接收站的长期监测,能够得到精确地自身定位位置(XR,YR,ZR),同时根据北斗精密星历能够获取北斗导航卫星不同时间和不同PRN的导航卫星(XT,YT,ZT),对两者进行相减求模,既可以获取传输距离,计算如下:
步骤6:输出北斗系统EIRP产品:
由上述步骤3、4、5即可完成步骤1所需的地基EIRP监测所需的参数,最终根据每颗北斗导航卫星建立产品如下:
其中,EPRN(θ,φ)表示某颗北斗导航卫星在相应俯仰角和方位角下的EIRP;其中俯仰角θ和方位角φ的观测角度分辨率均为1度,C为常数;PR,GR和R分别来自于步骤3、4、5。
下面通过对GPS卫星的EIRP监测对本发明的效果做进一步说明:
实测试验:通过对GPS接收机接收的一整天的GPS数据进行分析,将监测需要的各项参数按照时间序列进行输出,首先是步骤3的PR,输出结果如图2所示,横坐标为时间序列,纵坐标为每个时间对应的GPS地基系统接收功率,单位为dB;其次,是根据天线方向图进行步骤4中天线增益(GR)的获取,如图3所示,横坐标为时间序列,纵坐标为每个时间对应的天线增益,单位为dB;最后,是步骤5对应的传输距离(R)计算,如图4所示,横坐标为时间序列,纵坐标为每个时间对应的信号传输距离,单位为m。最终,将上述步骤3、4、5的结果带入步骤6中的方程,得到对应时刻的ERIP观测值。同时,还需要记录每个时刻对应卫星号及其相应的高度角和方位角,分别如图5和图6所示,横坐标为均为时间序列,纵坐标单位都是度。最终,根据上述信息,建立360度(方位角)×90度(俯仰角)的矩阵,每个矩阵格网中对应相应的ERIP计算结果,得到EIRP产品,如图7所示,图中采用三维极坐标显示。
试验结论:通过GPS接收机获得一天的实际导航信号进行本发明的步骤流程详细解释,虽然由于观测的数量还不足以遍历全部情况,存在部分空白现象,但是已经遍历到的对应角度的ERIP就能够用于进行导航卫星信号定量遥感的使用。本发明最终将面向BDS北斗系统的地基监测,其中步骤3、4、5的观测值都将更换为北斗系统的观测结果,以得到北斗导航卫星系统EIRP地基监测结果。
本实施例还提供了一种北斗导航卫星信号地基监测系统,包括:第一模块,用于通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率PR(θ,φ);第二模块,用于根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图GR(θ,φ);第三模块,用于根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;第四模块,用于根据地基系统接收功率PR(θ,φ)、天线方向图GR(θ,φ)和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。
上述实施例中,地基系统接收功率通过如下公式得到:
PR(θ,φ)=SBCBDS;
其中,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,SB为尺度因子,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,CBDS为北斗导航卫星信号地基接收机接收到的功率相关值。
上述实施例中,尺度因子SB通过北斗功率监测系统中的低噪声放大器查找表获得。
上述实施例中,传输距离通过如下公式得到:
其中,R为传输距离,XT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的X坐标,YT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的Y坐标,ZT为北斗导航卫星地心地固坐标系下的Z坐标,XR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的X坐标,YR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的Y坐标,ZR为北斗功率监测系统地心地固坐标系下的Z坐标。
上述实施例中,北斗导航卫星的等效全向辐射功率通过如下公式得到:
其中,EPRN(θ,φ)为北斗导航卫星的等效全向辐射功率,GR(θ,φ)为天线方向图,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,C为常数。
本发明通过获取北斗系统等效全向辐射功率得到每一颗北斗系统导航卫星在不同入射方向下的发射功率和增益,进而能够弥补进行定量遥感应用过程中发射端功率大小的不确定性这一瓶颈问题;本发明通过北斗导航卫星信号地基监测系统能够全天时全天候地进行北斗系统功率的地基监测,不但获取了最终的北斗系统等效全向辐射功率,还能得到北斗系统运行过程中的突发功率调整、北斗系统特有信号体质特征、地基大气观测结果以及具有一定服务能力的高精密单点定位等有效信息内容。
本发明是针对我国的北斗系统,利用的反射功率谱、发射信号体质和需要监测的导航卫星与已有的其他导航卫星系统都有着本质的区别,本发明简便、有效且精度高,为北斗系统反射信号的应用提供了一种可靠的方法。
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。
Claims (10)
1.一种北斗导航卫星信号地基监测方法,其特征在于包括:
通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率;
根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图;
根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;
根据地基系统接收功率、天线方向图和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。
2.根据权利要求1所述的北斗导航卫星信号地基监测方法,其特征在于:地基系统接收功率通过如下公式得到:
PR(θ,φ)=SBCBDS;
其中,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,SB为尺度因子,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,CBDS为地基接收站接收到的功率相关值。
3.根据权利要求2所述的北斗导航卫星信号地基监测方法,其特征在于:尺度因子SB通过北斗功率监测系统中的低噪声放大器查找表获得。
6.一种北斗导航卫星信号地基监测系统,其特征在于包括:
第一模块,用于通过地基接收站接收到的信号功率获得地基系统接收功率;
第二模块,用于根据预设的地基监测站的天线的产品信息得到天线方向图;
第三模块,用于根据地基接收站位置和北斗导航卫星位置获得传输距离;
第四模块,用于根据地基系统接收功率、天线方向图和传输距离得到北斗导航卫星的等效全向辐射功率。
7.根据权利要求6所述的北斗导航卫星信号地基监测系统,其特征在于:地基系统接收功率通过如下公式得到:
PR(θ,φ)=SBCBDS;
其中,PR(θ,φ)为地基系统接收功率,SB为尺度因子,θ为北斗导航卫星的俯仰角,φ为北斗导航卫星的方位角,CBDS为地基接收机接收到的功率相关值。
8.根据权利要求7所述的北斗导航卫星信号地基监测系统,其特征在于:尺度因子SB通过北斗功率监测系统中的低噪声放大器查找表获得。
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CN202210885013.6A CN115166779A (zh) | 2022-07-26 | 2022-07-26 | 一种北斗导航卫星信号地基监测方法及系统 |
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Publications (1)
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CN117792485A (zh) * | 2024-02-26 | 2024-03-29 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 一种基于卫星的大数据量通信方法 |
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2022
- 2022-07-26 CN CN202210885013.6A patent/CN115166779A/zh active Pending
Cited By (2)
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CN117792485A (zh) * | 2024-02-26 | 2024-03-29 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 一种基于卫星的大数据量通信方法 |
CN117792485B (zh) * | 2024-02-26 | 2024-04-30 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 一种基于卫星的大数据量通信方法 |
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