CN117348041A - Gnss-r接收机输入输出功率关系标定方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GNSS‑R接收机输入输出功率关系标定方法及系统，涉及全球导航卫星系统反射信号测量技术领域。所述方法包括：构建地基GNSS‑R接收机的输入功率序列；并根据输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列确定各输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率；根据各输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到各输入功率点对应的通道输出功率；根据各输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到地基GNSS‑R接收机的输出功率序列；根据输入功率序列与输出功率序列得到地基GNSS‑R接收机的输入—输出功率关系模型。本发明可实现低成本、高精度的地基GNSS‑R接收机输入输出功率关系标定。
Description
技术领域
本发明涉及全球导航卫星系统反射信号测量技术领域，特别是涉及一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法及系统。
背景技术
全球导航卫星反射信号测量技术(Global Navigation Satellite SystemReflectometry，GNSS-R)是通过接收处理地球表面反射的导航卫星信号反演地球物理参数的一种机会源遥感手段，具有设备成本低、天气影响小、时空采样性能好等技术优势，已在海面高度反演、海面风速探测、土壤湿度探测等领域展现出较大应用潜力。
地基GNSS-R接收机是搭载于地基观测平台的GNSS直、反射信号协同处理装置，其基本结构包括射频和基带两个部分，其中，射频部分对天线接收的直、反射GNSS信号进行射频调整、下变频和数字化，基带部分进一步完成直射信号捕获、跟踪、接收机定位以及反射信号同步，输出直、反射信号在某一延迟范围内的数字功率计数值作为反演地物参数的基本观测量。由于信号的数字功率计数值并非信号的真实功率，其中包含了信号传输和处理过程引入的信号功率变化，直接利用数字功率计数值进行地物参数反演会影响反演结果的精准程度。因此，需要将接收机输出的信号数字功率计数值换算为输入信号的真实功率，也即对地基GNSS-R接收机的输入输出功率关系进行标定。
目前，GNSS-R接收机输入输出功率关系标定主要采用黑体辐射标定方法完成。具体做法为：在射频部分低噪声放大器之前设置黑体负载通道，使负载噪声与接收信号并列；周期性地切换负载噪声和接收信号接入射频通道；利用负载噪声功率计数值与负载噪声真实功率计算系统增益，将信号功率计数值与系统增益的比值作为标定后的输入信号真实功率。黑体辐射标定方法精度高，对环境温度变化适应能力强，但需要为接收机加装黑体辐射标定组件，标定过程较为复杂，因此主要用于星载GNSS-R接收机输入输出功率关系的在轨标定。地基场景下的环境温度变化小，采用黑体辐射标定方法进行GNSS-R接收机标定会增加接收机复杂度和开发成本，因此需要一种新的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，实现低成本、高精度的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定。
发明内容
本发明的目的是提供一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法及系统，可实现低成本、高精度的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，包括：
构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列；所述输入功率序列为包括多个输入功率点的直射通道输入功率序列或包括多个输入功率点的反射通道输入功率序列；
获取所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列；所述波形序列为所述地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列或所述地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列；
对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率；
根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率；
根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列；
根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型用于对所述地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定。
一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定系统，包括：
构建模块，用于构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列；所述输入功率序列为包括多个输入功率点的直射通道输入功率序列或包括多个输入功率点的反射通道输入功率序列；
波形序列获取模块，用于获取所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列；所述波形序列为所述地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列或所述地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列；
信号功率计算模块，用于对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率；
通道输出功率计算模块，用于根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率；
输出功率序列计算模块，用于根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列；
标定模块，用于根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型用于对所述地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定。
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：
本发明构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列；并根据地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列确定各输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率；根据各输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到各输入功率点对应的通道输出功率；根据各输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到地基GNSS-R接收机的输出功率序列；根据地基GNSS-R接收机的输入功率序列与地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，对地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定，可实现低成本、高精度的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定。
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为本发明实施例提供的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定的流程图；
图2为本发明实施例提供的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定设备连接示意图；
图3为本发明实施例提供的直射通道输入-输出功率实测数据以及建模结果图；
图4为本发明实施例提供的反射通道输入-输出功率实测数据以及建模结果图。
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。
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，本发明实施例提供了一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，利用标准双通道GNSS信号模拟器实现对地基GNSS-R接收机输入输出功率关系的低成本、高精度标定，步骤为：构建标定输入功率序列，连接设备，对于第一个输入功率点，配置运行GNSS模拟器，测试信号，运行GNSS-R接收机，得到信号延迟功率波形序列，根据信号延迟功率波形序列计算平均波形，根据平均功率波形提取峰值及延迟索引根据延迟索引及平均波形计算平均噪声功率，根据平均噪声功率、延迟索引、峰值计算输出功率，判断所有功率点测试完成，若为是则构建标定输出功率序列，根据标定输出功率序列与标定输入功率序列建立输入-输出功率关系模型，若为否则测试下一个功率点，所述方法具体包括：
步骤1：构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列。所述输入功率序列为包括多个输入功率点的直射通道输入功率序列或包括多个输入功率点的反射通道输入功率序列，当输入功率序列为包括I个输入功率点的直射通道输入功率序列时，进行的是地基GNSS-R接收机直射通道输入-输出功率关系标定；I为大于零的整数，当输入功率序列为包括J个输入功率点的反射通道输入功率序列时，进行的是地基GNSS-R接收机反射通道输入-输出功率关系标定；J为大于零的整数。
步骤2：获取所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列。所述波形序列为所述地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列也称为直射波形序列或所述地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列也称为反射波形序列。所述地基GNSS-R接收机的直射信号输入端口通过第一射频连接线与GNSS模拟器的第一信号输出端口连接，所述地基GNSS-R接收机的反射信号输入端口通过第二射频连接线与GNSS模拟器的第二信号输出端口连接；所述信号延迟功率波形序列；所述信号延迟功率波形序列，包括：M组延迟功率波形；各组所述延迟功率波形均包括：N个延迟功率样点；M和N均为大于零的整数。
步骤3：对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率。
步骤4：根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率。
步骤5：根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列。
步骤6：根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型用于对所述地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定。
在实际应用中，对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率，具体包括：
对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列得到所述输入功率点对应的波形序列中各所述可见星的平均延迟功率波形。
对各所述可见星的平均延迟功率波形进行波峰检测和提取得到各所述可见星的波峰和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引。
根据各所述可见星的平均延迟功率波形和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引得到各所述可见星的噪声功率。
根据各所述可见星的噪声功率以及各所述可见星的波峰得到所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率。
在实际应用中，构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列，具体包括：
基于通道捕获灵敏度、设定功率调整步进和各输入功率点序号构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列。
在实际应用中，根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率，具体包括：
计算所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率的平均值得到所述输入功率点对应的通道输出功率。
进行地基GNSS-R接收机直射通道输入输出功率关系标定时，输入功率序列即直射通道输入功率序列表示为：
其中，/>为输入功率序列；I为直射通道输入功率序列长度；/>为/>中的第1个输入功率点；/>为/>中的第2个输入功率点；/>为/>中的第i个输入功率点；/>为中的第I个输入功率点。
在实际应用中，根据公式：
计算/>其中，为所述直射通道捕获灵敏度，/>为向上取整运算符，Ld为所述第一射频连接线插入损耗，Δpd为直射通道标定功率调整步进即设定功率调整步进，I为直射通道输入功率序列长度。
根据公式计算得到I，式中，/>为所述直射通道信号解扩前的噪声功率，| |为模值运算符，/>为向下取整运算符。
在实际应用中，进行地基GNSS-R接收机直射通道输入输出功率关系标定时，对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列(直射波形序列)，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率，根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率，根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列，根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，具体为：
对于任一输入功率点下的任一可见星，计算所述直射波形序列的平均延迟功率波形，得到所述可见星的第一平均波形。
对所述第一平均波形进行波峰检测和波峰提取，得到所述可见星的第一波峰和第一延迟索引；所述第一延迟索引为所述第一波峰所在的延迟功率样点的延迟索引。
根据所述第一平均波形和所述第一延迟索引，计算所述可见星的第一噪声功率；所述第一噪声功率为所述直射波形序列的平均噪声功率。
对于任一输入功率点，根据所有可见星的所述第一波峰和第一噪声功率，计算直射通道输出功率；直射通道输出功率为所有可见星第一波峰的值与第一噪声功率的差值的统计均值。
构建所述地基GNSS-R接收机直射通道标定输出功率序列；所述输出功率序列中的各元素与所述输入功率序列中的各元素一一对应，包括I个输出功率样点。
利用曲线拟合方法建立直射通道输入功率序列与输出功率序列的关系表达式即地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型；所述关系表达式用于所述地基GNSS-R接收机直射通道输入输出功率关系标定。
在实际应用中，对于第i个输入功率点下的第k颗可见星，直射波形序列表达式为：
其中，Ki为第i个输入功率点下直射通道捕获跟踪到的可见星数量；/>为第i个输入功率点下第k颗可见星的直射波形序列；/>为/>中的第1组延迟功率波形；/>为/>中的第2组延迟功率波形；/>为/>中的第m组延迟功率波形；为/>中的第M组延迟功率波形。
表达式为：
其中，为/>中延迟索引为1的延迟功率样点，/>为中延迟索引为2的延迟功率样点，/>为/>中延迟索引为n的延迟功率样点，/>为/>中延迟索引为N的延迟功率样点。
在实际应用中，对于第i个输入功率点下的第k颗可见星，第一平均波形的表达式为：
其中，为第i个输入功率点下第k颗可见星的第一平均波形；/>为/>中延迟索引为1的延迟功率样点；/>为/>中延迟索引为2的延迟功率样点；为/>中延迟索引为n的延迟功率样点；/>为/>中延迟索引为N的延迟功率样点。/>表达式为：
在实际应用中，对于第i个输入功率点下的第k颗可见星，所述第一噪声功率表达式为：
其中，为第i个输入功率点下第k颗可见星的第一噪声功率；/>为第i个输入功率点下第k颗可见星的第一延迟索引；s为单位伪码码片上的延迟功率样点数量；[]为取整运算符；/>为/>中延迟索引为n的延迟功率样点。
在实际应用中，表示第i个输入功率点下第k颗可见星的第一波峰，对于第i个输入功率点，直射通道输出功率计算公式为：
在实际应用中，所述直射通道标定输出功率序列表达式为：
在实际应用中，所述直射通道输入功率序列-输出功率序列关系表达式采用最小二乘曲线拟合方法构建。
在实际应用中，进行地基GNSS-R接收机反射通道输入输出功率关系标定时，对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列(反射波形序列)，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率，根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率，根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列，根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，具体为：
对于任一输入功率点下的任一可见星，计算所述反射波形序列的平均延迟功率波形，得到所述可见星的第二平均波形。
对所述第二平均波形进行波峰检测和波峰提取，得到所述可见星的第二波峰和第二延迟索引；所述第二延迟索引为所述第二波峰所在的延迟功率样点的延迟索引。
根据所述第二平均波形和所述第二延迟索引，计算所述可见星的第二噪声功率；所述第二噪声功率为所述反射波形序列的平均噪声功率。
对于任一输入功率点，根据所有可见星的所述第二波峰和所述第二噪声功率，计算反射通道输出功率；所述反射通道输出功率为所有可见星第二波峰的值与第二噪声功率的差值的统计均值。
构建所述地基GNSS-R接收机反射通道标定输出功率序列；所述输出功率序列中的各元素与所述输入功率序列中的各元素一一对应，包括J个输出功率点，一个输入功率下会得到一个输入功率，因此输入功率点与输出功率点数量是相同的。
利用曲线拟合方法建立反射通道输入功率序列-输出功率序列的关系表达式即地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型；所述关系表达式用于对所述地基GNSS-R接收机反射通道输入输出功率关系标定。
在实际应用中，所述第一信号输出端口的信号输出功率设定原则为：信号输出功率等于测试条件下所述地基GNSS-R接收机反射通道噪声功率。
在实际应用中，进行地基GNSS-R接收机反射通道输入输出功率关系标定时，输入功率序列即反射通道输入功率序列表达式为：
其中，为输入功率序列；J为反射通道输入功率序列长度；/>为/>中的第1个输入功率点；/>为/>中的第2个输入功率点；/>为/>中的第j个输入功率点；/>为/>中的第J个输入功率点。
在实际应用中，根据公式计算/>其中，/>为所述反射通道信号检测灵敏度，/>为向上取整运算符，Lr为所述第二射频连接线插入损耗，Δpr为反射通道标定功率调整步进，J为反射通道输入功率序列长度。
J根据公式：计算。
在实际应用中，对于第j个输入功率点下的第k颗可见星，所述反射波形序列表达式为：
其中，Kj为第j个输入功率点下反射通道处理的可见星数量；/>为第j个输入功率点下第k颗可见星的反射波形序列；/>为/>中的第1组延迟功率波形；/>为中的第2组延迟功率波形；/>为/>中的第m组延迟功率波形；/>为中的第M组延迟功率波形。/>表达式为：
其中，为/>中延迟索引为1的延迟功率样点，/>为中延迟索引为2的延迟功率样点，/>为/>中延迟索引为n的延迟功率样点，/>为/>中延迟索引为N的延迟功率样点。
在实际应用中，对于第j个输入功率点下的第k颗可见星，第二平均波形的表达式为：
其中，为第j个输入功率点下第k颗可见星的第二平均波形；/>为中延迟索引为1的延迟功率样点；/>为/>中延迟索引为2的延迟功率样点；为/>中延迟索引为n的延迟功率样点；/>为/>中延迟索引为N的延迟功率样点。/>表达式为：
在实际应用中，对于第j个输入功率点下第k颗可见星，所述第二噪声功率表达式为：
其中，为第j个输入功率点下第k颗可见星的第二噪声功率；/>为第j个输入功率点下第k颗可见星的第二延迟索引；s为单位伪码码片上的延迟功率样点数量；[]为取整运算符；/>为/>中延迟索引为n的延迟功率样点；/>为第k颗可见星的第二平均波形。
在实际应用中，对于第j个输入功率点，所述反射通道输出功率计算公式为：
在实际应用中，所述反射通道标定输出功率序列表达式为：
在实际应用中，所述反射通道输入功率序列-输出功率序列关系表达式采用最小二乘曲线拟合方法构建。
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：
本发明不需要为地基GNSS-R接收机加装额外的黑体辐射标定组件，可以降低地基GNSS-R接收机复杂度、体积、重量和制造成本。因此，本发明能实现对地基GNSS-R接收机输入-输出功率关系的低成本、高精度标定。
本发明实施例提供了一种与上述方法对应的具体实施例：
一、本实施例的地基GNSS-R接收机直射通道输入-输出功率关系标定方法，包括：
步骤101：构建地基GNSS-R接收机直射通道输入功率序列。
所述输入功率序列，包括：I个输入功率点；记为公式(1)。
根据公式(2)和公式(3)计算各输入功率点。
步骤102：对于任一输入功率点，获取直射波形序列。
所述直射波形序列为指定输入功率下地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列，所述信号延迟功率波形序列，包括：M组延迟功率波形。各组所述延迟功率波形均包括：N个延迟功率样点；M和N均为大于零的整数。
在实际应用中，步骤102的实现过程为：
1、连接标准双通道GNSS信号模拟器和地基GNSS-R接收机。
参见图2，利用插入损耗已知的第一射频连接线(即射频连接线1)和第二射频连接线(即射频连接线2)分别将GNSS模拟器的第一信号输出端口(信号输出端口1)和第二信号输出端口(即输出端口2)连接至GNSS-R接收机直射信号输入端口和反射信号输入端口。记第一射频连接线的插入损耗为Ld。
2、启动、配置和运行双通道GNSS信号模拟器。
接通电源，启动双通道GNSS信号模拟器，选定待标定信号，为第一信号输出端口配置星历文件、信号模拟起始时刻、接收机空间坐标和信号输出功率，运行至输出信号功率稳定。其中，信号输出功率配置为指定的待标定输入功率值。
3、运行地基GNSS-R接收机，获取直射通道信号延迟功率波形序列，即直射波形序列。
接通电源，运行地基GNSS-R接收机。直射通道完成信号的捕获与跟踪，计算并输出各可见星的信号延迟功率波形序列，得到直射波形序列。
假定第i个输入功率点下地基GNSS-R接收机直射通道跟踪到的可见星数量为Ki，输出的信号延迟功率波形序列中包括M组延迟功率波形，每组延迟功率波形的延迟功率样点数量为N。直射通道输出的第k颗可见星(1≤k≤Ki)的信号延迟功率波形序列(直射波形序列)记为公式(4)。
步骤103：对于任一输入功率点下的任一可见星，计算所述直射波形序列的平均延迟功率波形，得到第一平均波形。
具体的，该根据公式(6)和公式(7)计算直射通道各可见星信号的平均延迟功率波形，即第一平均波形。
步骤104：对于任一输入功率点下的任一可见星，对所述第一平均波形进行波峰检测和波峰提取，得到第一波峰和第一延迟索引。
具体的，针对步骤104得到的直射通道各可见星信号平均延迟功率波形，依次进行峰值检测和提取。记直射通道各可见星信号的平均延迟功率波形峰值所在延迟索引(即第一延迟索引)为对应的峰值(第一波峰的值)大小为/>
步骤105：对于任一输入功率点下的任一可见星，根据所述第一平均波形和所述第一延迟索引，计算第一噪声功率。
具体的，该根据公式(8)计算直射通道各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率，即第一噪声功率。
步骤106：对于任一输入功率点，根据所有可见星的所述第一波峰和所述第一噪声功率，计算直射通道输出功率。具体根据公式(9)计算。
步骤107：根据所有输入功率点下的所述直射通道输出功率，构建直射通道输出功率序列。具体形式为公式(10)。
步骤108：根据输入功率序列和输出功率序列，建立地基GNSS-R接收机直射通道输入-输出功率关系模型。
二、本实施例提供的地基GNSS-R接收机反射通道输入输出功率关系标定方法，包括：
步骤201：构建地基GNSS-R接收机反射通道输入功率序列。
所述输入功率序列，包括：J个输入功率点，记为如公式(11)。
具体的，根据公式(12)和公式(13)计算中的各输入功率点/>
步骤202：对于任一输入功率点，获取反射波形序列。
所述反射波形序列为指定输入功率下地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列，所述信号延迟功率波形序列，包括：M组延迟功率波形。各组所述延迟功率波形均包括：N个延迟功率样点；M和N均为大于零的整数。
在实际应用中，步骤202的实现过程为：
1、连接标准双通道GNSS信号模拟器和地基GNSS-R接收机。
参见图2，利用插入损耗已知的第一射频连接线(即射频连接线1)和第二射频连接线(即射频连接线2)分别将GNSS模拟器的第一信号输出端口(信号输出端口1)和第二信号输出端口(即输出端口2)连接至GNSS-R接收机直射信号输入端口和反射信号输入端口。记第一射频连接线和第二射频连接线的插入损耗分别为Ld和Lr。
2、启动、配置和运行双通道GNSS信号模拟器。
接通电源，启动双通道GNSS信号模拟器，选定待标定信号，为两信号输出通道配置相同的星历文件、信号模拟起始时刻、接收机空间坐标，将两通道输出功率分别配置为指定功率值，运行至输出信号功率稳定。其中，输出端口1的信号输出功率值等于直射通道噪声功率，输出端口2的信号输出功率值等于当前待标定输入功率值。
3、运行地基GNSS-R接收机，获取反射通道信号延迟功率波形序列，即反射波形序列。
接通电源，运行地基GNSS-R接收机。直射通道完成信号的捕获与跟踪，反射通道在直射通道的辅助下对反射通道中的信号进行开环跟踪，计算并输出各卫星的信号延迟功率波形序列，即反射波形序列。
假定地基GNSS-R接收机直射通道跟踪到的可见星数量为Kj，反射通道输出的信号延迟功率波形序列中包括M组延迟功率波形，每组延迟功率波形的延迟功率样点数量为N。反射通道输出的第k颗可见星(1≤k≤Kj)的信号延迟功率波形序列(反射波形序列)记为公式(14)。
步骤203：对于任一输入功率点下的任一可见星，计算所述反射波形序列的平均延迟功率波形，得到第二平均波形。
具体的，根据公式(16)计算反射通道各可见星信号的平均延迟功率波形，即第二平均波形。
步骤204：对于任一输入功率点下的任一可见星，对所述第二平均波形进行波峰检测和波峰提取，得到第二波峰和第二延迟索引。
具体的，针对步骤204得到的反射通道各可见星信号平均延迟功率波形，依次进行峰值检测和提取。记反射通道各可见星信号的平均延迟功率波形峰值所在延迟索引(即第二延迟索引)为对应的峰值(第二波峰的值)大小为/>
步骤205：对于任一输入功率点下的任一可见星，根据所述第二平均波形和所述第二延迟索引，计算第二噪声功率。
具体的，根据公式(18)计算反射通道各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率，即第二噪声功率。
步骤206：对于任一输入功率点下的任一可见星，根据所述第二波峰和所述第二噪声功率，计算反射通道输出功率。
具体的，根据公式(19)计算反射通道输出功率。
步骤207：根据所有输入功率点下的所述反射通道输出功率，构建反射通道输出功率序列。
所述反射通道输出功率序列为与所有输入功率点对应的输出功率的集合，元素排列顺序与输入功率序列相同，记为公式(20)。
步骤208：根据输入功率序列和输出功率序列，建立地基GNSS-R接收机反射通道输入-输出功率关系模型。
本实施例的地基GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，不需要为地基GNSS-R接收机加装黑体辐射标定组件，能够降低地基GNSS-R接收机复杂度、体积、重量和制造成本。
本发明实施例以利用某标准双通道GNSS信号模拟器对某工作频点为GPS L1和BDSB1的地基GNSS-R接收机输入-输出功率关系标定为例进行进一步说明。其中，直射通道输入-输出功率关系标定部分以GPS L1频点为例，反射通道输入-输出功率关系标定部分以BDS B1频点为例。
一、地基GNSS-R接收机直射通道输入-输出功率关系标定。
具体包括如下步骤：
步骤1：构建地基GNSS-R接收机直射通道输入功率序列
所在测试条件下，直射通道噪声功率为-140dBW，直射通道捕获灵敏度/>约为-160dBW。设定直射通道标定功率调整步进为Δpd为2dBW，忽略射频连接线插入损耗，由此确定直射通道输入功率序列长度I为11。构建地基GNSS-R接收机直射通道输入功率序列为：
步骤2：连接双通道GNSS信号模拟器和地基GNSS-R接收机。
参见图2，利用射频连接线1和射频连接线2将双通道GNSS模拟器信号输出端口1和输出端口2分别连接至地基GNSS-R接收机直射信号输入端口和反射信号输入端口。
步骤3：启动、配置和运行双通道GNSS信号模拟器。
接通电源，启动双通道GNSS信号模拟器，选定待标定信号为GPS L1C/A信号，为输出端口1配置星历文件、信号模拟起始时刻、接收机空间坐标，将输出功率设定为-140dBW。配置完成后运行双通道GNSS信号模拟器至输出信号功率稳定。
步骤4：运行地基GNSS-R接收机，获取直射通道信号延迟功率波形序列。
接通电源，运行地基GNSS-R接收机。直射通道完成信号的捕获与跟踪，计算并输出各可见星信号延迟功率波形序列，记为公式(4)。
步骤5：计算直射通道各可见星信号的平均延迟功率波形。
依据公式(6)和公式(7)依次计算直射通道输出的各可见星信号平均延迟功率波形(第一平均波形)。
步骤6：提取直射通道各可见星信号平均延迟功率波形峰值及其延迟索引。
针对步骤5得到的直射通道各可见星信号平均延迟功率波形，依次进行峰值检测和提取。记直射通道各可见星信号的平均延迟功率波形峰值所在延迟索引为对应的峰值大小为/>/>
步骤7：计算直射通道各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率(第一噪声功率)。
利用步骤5得到的直射通道各可见星信号平均延迟功率波形和步骤6得到的平均延迟功率波形峰值的延迟索引，依据公式(8)依次计算直射通道输出的各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率即第一噪声功率。
步骤8：计算直射通道输出功率。
利用步骤6得到的各卫星平均延迟功率波形峰值以及步骤7得到的各卫星延迟功率波形序列平均噪声功率，根据公式(9)计算直射通道输出功率。
步骤9：调整双通道GNSS信号模拟器输出功率设定使其第一信号输出端口输出信号功率减少2dB，重复步骤4～步骤9计算该输入功率点下的输出功率，直至完成所有输入功率点下的输出功率获取为止，最终得到直射通道标定输出功率序列如公式(10)所示。
步骤10：建立直射通道输入功率序列与输出功率序列关系模型。
采用如下二阶多项式模型对步骤1构建的输入功率序列和步骤9得到的输出功率序列之间的关系进行拟合得到其中，ad、bd和cd为待定拟合系数。
基于最小二乘准则求解拟合系数，得到直射通道输入-输出功率关系模型，利用该模型即可实现直射通道输入-输出功率标定。图3给出了输入功率序列所对应的输出功率序列散点图以及基于最小二乘准则构建的直射通道输入-输出功率关系二阶多项式模型。
二、地基GNSS-R接收机反射通道输入-输出功率关系标定。
具体包括如下步骤：
步骤1：构建地基GNSS-R接收机反射通道输入功率序列。
所在测试条件下，反射通道噪声功率为-140dBW，反射通道检测信号灵敏度/>约为-160dBW。设定反射通道标定功率调整步进为Δpr为2dBW，忽略射频连接线插入损耗，由此确定反射通道输入功率序列长度J为11。构建地基GNSS-R接收机反射通道输入功率序列为：
步骤2：连接双通道GNSS信号模拟器和地基GNSS-R接收机。
参见图2，利用射频连接线1和射频连接线2将双通道GNSS模拟器信号输出端口1和输出端口2分别连接至地基GNSS-R接收机直射信号输入端口和反射信号输入端口。
步骤3：启动、配置和运行双通道GNSS信号模拟器。
接通电源，启动双通道GNSS信号模拟器，选定待标定信号为BDS B1I信号，为输出端口1和输出端口2配置相同的星历文件、信号模拟起始时刻和接收机空间坐标，将输出端口1的信号输出功率设定为-140dBW，将输出端口2的信号输出功率设定为-140dBW。配置完成后运行双通道GNSS信号模拟器至输出信号功率稳定。
步骤4：运行地基GNSS-R接收机，获取反射通道信号延迟功率波形序列。
接通电源，运行地基GNSS-R接收机。直射通道完成信号的捕获与跟踪，反射通道计算并输出各可见星信号延迟功率波形序列，记为公式(14)。
步骤5：计算反射通道各可见星信号的平均延迟功率波形。
依据公式(16)和(17)，依次计算反射通道输出的各可见星信号平均延迟功率波形(第二平均波形)。
步骤6：提取反射通道各可见星信号平均延迟功率波形峰值及其延迟索引。
针对步骤5得到的反射通道各可见星信号平均延迟功率波形，依次进行峰值检测和提取。记反射通道各可见星信号的平均延迟功率波形峰值所在延迟索引为对应的峰值大小为/>
步骤7：计算反射通道各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率(第二噪声功率)。
利用步骤5得到的反射通道各可见星信号平均延迟功率波形和步骤6得到的平均延迟功率波形峰值的延迟索引，依据公式(18)依次计算反射通道输出的各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率即第二噪声功率。
步骤8：计算反射通道输出功率。
利用步骤6得到的各卫星平均延迟功率波形峰值以及步骤7得到的各卫星延迟功率波形序列平均噪声功率，根据公式(19)计算反射通道输出功率。
步骤9：调整双通道GNSS信号模拟器输出功率设定使其第二信号输出端口输出信号功率减少2dB，重复步骤4～步骤9计算该输入功率点下的输出功率，直至完成所有输入功率点下的输出功率获取为止，最终得到反射通道标定输出功率序列如公式(20)所示。
步骤10：建立反射通道输入功率序列与输出功率序列关系模型。
建立反射通道输入功率序列与输出功率序列关系模型。
采用如下二阶多项式模型对步骤1构建的输入功率序列和步骤9得到的输出功率序列之间的关系进行拟合：其中，ar、br和cr为待定拟合系数。图4给出了输入功率序列所对应的输出功率序列散点图以及基于最小二乘准则构建的反射通道输入-输出功率关系二阶多项式模型。
针对上述方法本发明实施例提供了一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定系统，包括：
构建模块，用于构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列；所述输入功率序列为包括多个输入功率点的直射通道输入功率序列或包括多个输入功率点的反射通道输入功率序列。
波形序列获取模块，用于获取所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列；所述波形序列为所述地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列或所述地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列。
信号功率计算模块，用于对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率。
通道输出功率计算模块，用于根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率。
输出功率序列计算模块，用于根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列。
标定模块，用于根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型，所述地基GNSS-R接收机的输入-输出功率关系模型用于对所述地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定。
作为一种可选的实施方式，所述信号功率计算模块，具体包括：
平均延迟功率波形计算单元，用于对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列得到所述输入功率点对应的波形序列中各所述可见星的平均延迟功率波形。
波峰检测单元，用于对各所述可见星的平均延迟功率波形进行波峰检测和提取得到各所述可见星的波峰和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引。
噪声功率计算单元，用于根据各所述可见星的平均延迟功率波形和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引得到各所述可见星的噪声功率。
信号功率计算单元，用于根据各所述可见星的噪声功率以及各所述可见星的波峰得到所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率。
作为一种可选的实施方式，所述构建模块，具体包括：
构建单元，用于基于通道捕获灵敏度、设定功率调整步进和各输入功率点序号构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列。
作为一种可选的实施方式，所述通道输出功率计算模块，具体包括：
通道输出功率计算单元，用于计算所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率的平均值得到所述输入功率点对应的通道输出功率。
本发明实施例使用标准双通道GNSS信号模拟器提供测试信号，利用地基GNSS-R接收机在不同输入功率下输出的信号延迟功率波形序列进行输入-输出功率关系标定：构建输入功率序列；连接双通道GNSS信号模拟器与地基GNSS-R接收机；启动、配置和运行双通道GNSS信号模拟器；运行地基GNSS-R接收机，获取其在不同输入功率下输出的延迟功率波形序列；计算不同输入功率下各可见星信号的平均延迟功率波形；提取不同输入功率下各可见星信号平均延迟功率波形峰值及其延迟索引；计算不同输入功率下各可见星信号延迟功率波形序列平均噪声功率；计算不同输入功率下的输出功率，构建标定输出功率序列；建立输入-输出功率关系模型。该方法实现了对地基GNSS-R接收机输入-输出功率关系的低成本、高精度标定。
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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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方法及其核心思想；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 (8)
1.一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，其特征在于，包括：
构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列；所述输入功率序列为包括多个输入功率点的直射通道输入功率序列或包括多个输入功率点的反射通道输入功率序列；
获取所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列；所述波形序列为所述地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列或所述地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列；
对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率；
根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率；
根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列；
根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入—输出功率关系模型，所述地基GNSS-R接收机的输入—输出功率关系模型用于对所述地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定。
2.根据权利要求1所述的GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，其特征在于，对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率，具体包括：
对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列得到所述输入功率点对应的波形序列中各所述可见星的平均延迟功率波形；
对各所述可见星的平均延迟功率波形进行波峰检测和提取得到各所述可见星的波峰和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引；
根据各所述可见星的平均延迟功率波形和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引得到各所述可见星的噪声功率；
根据各所述可见星的噪声功率以及各所述可见星的波峰得到所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率。
3.根据权利要求1所述的GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，其特征在于，构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列，具体包括：
基于通道捕获灵敏度、设定功率调整步进和各输入功率点序号构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列。
4.根据权利要求1所述的GNSS-R接收机输入输出功率关系标定方法，其特征在于，根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率，具体包括：
计算所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率的平均值得到所述输入功率点对应的通道输出功率。
5.一种GNSS-R接收机输入输出功率关系标定系统，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列；所述输入功率序列为包括多个输入功率点的直射通道输入功率序列或包括多个输入功率点的反射通道输入功率序列；
波形序列获取模块，用于获取所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列中各输入功率点对应的波形序列；所述波形序列为所述地基GNSS-R接收机的直射通道跟踪到的各可见星的信号延迟功率波形序列或所述地基GNSS-R接收机的反射通道输出的各可见星的信号延迟功率波形序列；
信号功率计算模块，用于对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列确定所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率；
通道输出功率计算模块，用于根据所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率得到所述输入功率点对应的通道输出功率；
输出功率序列计算模块，用于根据所述输入功率序列中所有输入功率点对应的通道输出功率得到所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列；
标定模块，用于根据所述地基GNSS-R接收机的输入功率序列与所述地基GNSS-R接收机的输出功率序列得到所述地基GNSS-R接收机的输入—输出功率关系模型，所述地基GNSS-R接收机的输入—输出功率关系模型用于对所述地基GNSS-R接收机的输入功率与输出功率关系进行标定。
6.根据权利要求5所述的GNSS-R接收机输入输出功率关系标定系统，其特征在于，所述信号功率计算模块，具体包括：
平均延迟功率波形计算单元，用于对于所述输入功率序列中任意一个输入功率点对应的波形序列，根据所述输入功率点对应的波形序列得到所述输入功率点对应的波形序列中各所述可见星的平均延迟功率波形；
波峰检测单元，用于对各所述可见星的平均延迟功率波形进行波峰检测和提取得到各所述可见星的波峰和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引；
噪声功率计算单元，用于根据各所述可见星的平均延迟功率波形和各所述可见星的波峰所在的延迟功率样点的延迟索引得到各所述可见星的噪声功率；
信号功率计算单元，用于根据各所述可见星的噪声功率以及各所述可见星的波峰得到所述输入功率点对应的波形序列中各可见星的信号功率。
7.根据权利要求5所述的GNSS-R接收机输入输出功率关系标定系统，其特征在于，所述构建模块，具体包括：
构建单元，用于基于通道捕获灵敏度、设定功率调整步进和各输入功率点序号构建地基GNSS-R接收机的输入功率序列。
8.根据权利要求5所述的GNSS-R接收机输入输出功率关系标定系统，其特征在于，所述通道输出功率计算模块，具体包括：
通道输出功率计算单元，用于计算所述输入功率点对应的波形序列中所有可见星的信号功率的平均值得到所述输入功率点对应的通道输出功率。
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