CN117471509A - 一种基于双天线gnss-r码延迟的潮位连续监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星潮位监测技术领域，且公开了一种基于双天线GNSS‑R码延迟的潮位连续监测方法及系统，其中基于双天线GNSS‑R码延迟的潮位连续监测系统包括信号采集模块、软件接收机模块，信号采集模块通过直射天线、反射天线双天线接收卫星直射、反射信号，接收的卫星直射、反射信号由GNSS‑R信号采集与及处理硬件装置进行转换，并输出数字中频数据与NMEA文件；软件接收机模块用于对中频数据的处理与NMEA文件的读取，软件接收机模块包括用于卫星反射信号捕获处理的捕获模块和用于可视卫星信息读取及高度反演的反演模块。本发明采用上述一种基于双天线GNSS‑R码延迟的潮位连续监测方法及系统，解决了即时可视卫星信息获取的问题，为实时连续潮位监测提供支持。

Description

一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星潮位监测技术领域，尤其是涉及一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法及系统。

背景技术

当前海面高度监测手段主要有验潮站、海洋浮标和卫星雷达测高等，但这些测量手段均存在一定的局限性。验潮站的观测结果具有较高的精度，但其建设受周边环境制约且成本较高，因此可用站点数目严重不足，且大多处于偏远地区，难以监测易受风暴潮影响的城市、港口、码头等区域。海洋浮标便于投放且数量更多，但其分布不均匀，数据传输易受天气影响，观测数据的实时性与稳定性难以保证。卫星雷达测高也有较高的观测精度，但其时空分辨率较低且时效性低，难以满足实时海面高度监测的应用需求。自1993年，利用导航卫星反射信号进行海面高度测量的可行性被验证后，GNSS-R（Global NavigationSatellite System Reflectometry）海面测高技术迅速兴起。与传统测高手段相比，GNSS-R具有时空分辨率高和成本低廉等优势，因此近年来该技术的研究不断发展与深入。

目前GNSS-R海面测高主要分为单天线与双天线两种模式，其中单天线模式被广泛采用于岸基测高站。该模式所使用的主要设备为一个导航定位型接收机，主要研究对象为低仰角下GNSS卫星直射与反射信号的干涉现象，具有较高精度的海面测高能力。但是其时间分辨率较低，需要二十分钟左右才能获取一个海面高度反演结果，无法实现高动态海面高度监测。双天线模式则是利用两个单独的指向天线分别接收卫星直射信号和反射信号，通过计算直/反信号间的路径延迟对海面高度进行估计。该模式的时间分辨率更高，能够满足连续潮位监测的需求。基于该模式，根据时延观测量获取的方式不同，又可分为载波相位差测高和码相位差测高。其中载波相位测高具有精度高的优势，但是对观测条件要求较高，部分载波相位观测值仅能在海况良好且低掠射角下得到恢复。因此，能够在相对恶劣的海况下实现路径延迟值获取的码相位测高方法更适于GNSS-R岸基测高站。然而，由于岸基双天线GNSS-R码延迟测高基带数据处理算法不成熟，需要用软件接收机处理大量的A/D数字中频采样数据来获取路径延迟观测量，同时需要即时的卫星高度角信息进行海面高度反演。这对测高系统的数据处理效率有很高的要求，所以当前GNSS-R伪码海面测高大多采用后处理的方式，即先使用星历数据计算出可视卫星信息，然后对中频信号进行处理，再对观测量进行反演。然而，采用后处理的方式仅能获取历史数据，无法获取即时的海面高度信息，难以实现潮位的实时监测。

发明内容

为解决上述背景技术中的问题，本发明提供了一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法及系统，对岸基双天线装置结构与数据处理流程进行设计，解决了即时可视卫星信息获取的问题，提高了路径延迟观测量的处理效率，实现了实时化海面高度反演，进而为实时连续潮位监测提供支持。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，包括信号采集模块、软件接收机模块，信号采集模块通过直射天线接收卫星直射信号，通过反射天线接收卫星反射信号，接收的卫星直射、反射信号由GNSS-R信号采集与及处理硬件装置进行转换，并输出数字中频数据与NMEA文件；软件接收机模块用于对中频数据的处理与NMEA文件的读取，软件接收机模块包括用于卫星反射信号捕获处理的捕获模块和用于可视卫星信息读取及高度反演的反演模块。

优选的，直射天线为右旋圆极化天线，反射天线为左旋圆极化天线。

优选的，捕获模块具有对卫星信号进行载波剥离、对卫星信号进行伪码剥离、获取卫星信号功率峰值信息的功能。

优选的，捕获模块包括粗捕获模块和精捕获模块，粗捕获模块用于对输入的卫星反射信号进行处理输出功率峰值，精捕获模块用于对输入的直射信号与反射信号进行处理输出卫星直/反信号间的路径延迟值。

优选的，粗捕获模块的多普勒搜索范围设定为[-5000MHz, 5000MHz]，搜索步长为200MHz，在输出功率峰值后，将功率峰值与阈值进行比较，若功率峰值大于阈值，则判卫星反射信号粗捕获成功，输出多普勒频率范围用于下一步精捕获；若功率峰值小于阈值，继续进行下一多普勒频率搜索；若遍历搜索范围后，无大于阈值的功率峰值，则判定卫星反射信号粗捕获失败，进行下一秒信号的粗捕获。

优选的，精捕获模块的多普勒搜索范围设定为[-300MHz, 300MHz]，搜索步长为25MHz；在计算得到卫星直射信号、卫星反射信号的功率峰值后，将其对应的码片位置相减得到码相位时延值，再乘以光速得到路径延迟值并输出。

一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法，包括以下步骤：

步骤一，硬件准备：根据岸基情况安置好设备，将直射天线和反射天线与GNSS-R信号采集与及处理装置连接，进行中频文件和NMEA文件的采集；

步骤二，接入NMEA文件，筛选合适的可视卫星；

步骤三，接入中频数据，计算得到路径延迟值；

步骤四，海面高度反演，输出海面高度值；

步骤五，统计处理当前1秒中频数据消耗时长time。

优选的，步骤二中，从NMEA文件中读入可视卫星的高度角、方位角和信噪比信息，再根据接收机的安装位置、精度要求，选取可视卫星，并存储可视卫星高度角。

优选的，步骤三中，首先进行参数设置：预存本地码，并根据实际需求对粗捕获与精捕获的卫星信号相干积分时长进行设置；然后对筛选出的可视卫星的信号进行捕获：通过粗捕获模块进行卫星反射信号的粗捕获，缩小精捕获的搜索范围，通过精捕获模块进行卫星直射信号的精捕获，得到直射信号与反射信号的功率峰值间的码相位时延值，乘以光速后得到路径延迟值。

优选的，步骤四中，根据存储的可视卫星高度角，按照公式/>，计算得到反射天线相位中心到海面的垂直距离/>；使用大地测量型接收机获取天线到参考椭球面的距离/>，再根据公式/>计算出海面高度；

步骤五中，如果time大于1秒，重新进行参数设置，再进行下一秒的数据处理，如果time小于1秒，则此后数据处理前不再重新进行参数设置。

因此，本发明采用上述一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法及系统，具有以下有益效果：

本发明提出的系统及方法能够以较低廉的成本实现实时连续海面高度监测。与传统验潮站相比，本发明所设计的系统成本更为低廉；与海洋浮标相比，本发明采用的系统的实时性与稳定性更高；与卫星测高和单天线GNSS-R测高站相比，本发明采用的系统具有更高的时间分辨率。当前已有的双天线GNSS-R实时软件接收机的操作仍属于后处理范畴，本发明采用的系统联合信号采集模块与软件接收机模块，能够进行实时信号处理，对潮位进行高动态监测。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构与数据处理流程图示意图；

图2为本发明实施例的信号捕获流程图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

如图1所示，本发明所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，包括信号采集模块、软件接收机模块，信号采集模块通过直射天线接收卫星直射信号，通过反射天线接收卫星反射信号。直射天线为右旋圆极化天线，反射天线为左旋圆极化天线。在数据采集模块中：右旋圆极化天线接收卫星直射信号，左旋圆极化天线接收经过海面反射的卫星信号；接收的卫星直射、反射信号由GNSS-R信号采集与及处理硬件装置进行转换，并输出数字中频数据与NMEA文件。GNSS-R信号采集与及处理硬件装置采用现有的结构。

软件接收机模块用于对中频数据的处理与NMEA文件的读取，软件接收机模块包括用于卫星反射信号捕获处理的捕获模块和用于可视卫星信息读取及高度反演的反演模块。捕获模块具有对卫星信号进行载波剥离、对卫星信号进行伪码剥离、获取卫星信号功率峰值信息的功能。在软件接收机模块中：包括对中频数据的处理与NMEA文件的读取，其中捕获部分均由GPU进行处理，而可视卫星信息读取以及高度反演等部分则由CPU进行处理。

本实施例中监测系统使用GPS L5/BDS B2/QZSS L5频点，中频数据采样率为62MHz，同时输出NMEA-0183文件。

本发明所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法，包括以下步骤：

步骤一，硬件准备：根据岸基情况安置好设备，将直射天线和反射天线与GNSS-R信号采集与及处理装置连接，进行中频文件和NMEA-0183文件的采集。

步骤二，接入NMEA文件，筛选合适的可视卫星。

读入NMEA-0183文件后，根据$GPGSV/$BDGSV 协议（各通道卫星信息），获取可视卫星的伪随机噪声码（PRN）、高度角、方位角、信噪比等信息。将高度角范围设置大于30°，再根据接收机的安装位置、精度要求等实际需要，设置方位角范围，筛选出合适的可视卫星，并储存其高度角等信息。

步骤三，接入中频数据，计算得到路径延迟值。

首先，进行参数设置：本实施例中为了平衡处理效率和处理精度，将相干积分时长设置为2ms。为了提升效率，预存本地码，用以缩减每次重复生成的耗时。

为了保证精度，根据实际需求对粗捕获与精捕获的相干积分时长进行设置。根据NMEA-0183文件处理得到的可视卫星信息，对其进行反射信号的粗捕获。其多普勒频移范围搜索设为[-5000 MHz, 5000 MHz]，搜索步长设置为200 MHz，输出功率峰值对应的多普勒频率，即信号的接收频率为中心频率加/>。

进行直射信号与反射信号的精捕获。其多普勒频移搜索范围为，搜索步长设置为25MHz。输出功率峰值对应的频率为/>，即信号的接收频率为中心频率加/>。输出功率峰值对应的码片信息。由直射/反射信号功率峰值的码片位置，得到码相位时延值，乘以光速后得到路径延迟值/>。

步骤四，海面高度反演，输出海面高度值。

根据存储的卫星高度角，按照公式/>，计算得到反射天线相位中心到海面的垂直距离/>。同时，使用大地测量型接收机获取天线到参考椭球面的距离/>，再根据公式/>计算出海面高度。

步骤五，统计处理当前1秒中频数据消耗时长time。

如果time大于1秒，重新进行参数设置，如减少相干积分或非相干积分时长等，然后再进行下一秒的数据处理。如果time小于1秒，则此后数据处理前不再重新进行参数设置。本实施例中，当前参数下，1秒中频数据处理消耗时间小于1秒，可以实现实时化运行。

在以上数据处理流程中，为了提高数据处理效率，采用CPU+GPU的方式进行C语言程序设计。对于计算量较小的操作，包括可视卫星信息读取和反演部分，由CPU进行处理；对于计算量较大的操作，包括反射信号的粗捕获、直射和反射信号的精捕获部分，则由GPU进行处理，采用NVIDA针对旗下GPU开发的并行编程工具CUDA进行程序编写。其中粗捕获与精捕获的处理流程基本一致，仅最后输出信息不同。如图2所示，捕获部分具体处理流程如下：

1、对信号进行载波剥离。将信号分别与本地正弦载波和余弦载波进行混频，再通过FFT将结果序列从时域转换至频域；

2、对信号进行伪码剥离。将此前存储的可用卫星伪码进行FFT操作，将其从时域转换至频域，再取其复共轭序列。然后将载波剥离后的结果序列与其进行相乘；

3、获取信号功率峰值信息。将相乘结果序列进行IFFT操作，将其从频域转回时域。再取该序列的模值，筛选出峰值后输出相关信息。

对于粗捕获模块，对输入的反射信号进行处理，最后输出功率峰值。该模块的多普勒搜索范围设定为[-5000MHz, 5000MHz],搜索步长为200MHz。在得到峰值后，将其与阈值进行比较，若其大于阈值，则判定该信号粗捕获成功，输出其对应的多普勒频率范围将用于下一步精捕获；若其小于阈值，继续进行下一多普勒频率搜索。若遍历搜索范围后，仍无大于阈值的峰值，则判定该信号粗捕获失败，进行下一秒信号的粗捕获。

对于精捕获模块，对输入的直射信号与反射信号进行处理，最后输出直/反信号间的路径延迟值。该模块的多普勒搜索范围设定为[-300MHz, 300MHz],搜索步长为25MHz。在计算得到直/反信号的功率峰值后，将其对应的码片位置相减得到码相位时延值，再乘以光速得到并输出路径延迟值。

因此，本发明采用上述一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法及系统，对岸基双天线装置结构与数据处理流程进行设计，解决了即时可视卫星信息获取的问题，同时采用CPU+GPU的方式提高了路径延迟观测量的处理效率，实现了实时化海面高度反演，进而为实时连续潮位监测提供支持。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，其特征在于：包括信号采集模块、软件接收机模块，信号采集模块通过直射天线接收卫星直射信号，通过反射天线接收卫星反射信号，接收的卫星直射、反射信号由GNSS-R信号采集与及处理硬件装置进行转换，并输出数字中频数据与NMEA文件；软件接收机模块用于对中频数据的处理与NMEA文件的读取，软件接收机模块包括用于卫星反射信号捕获处理的捕获模块和用于可视卫星信息读取及高度反演的反演模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，其特征在于：直射天线为右旋圆极化天线，反射天线为左旋圆极化天线。

3.根据权利要求2所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，其特征在于：捕获模块具有对卫星信号进行载波剥离、对卫星信号进行伪码剥离、获取卫星信号功率峰值信息的功能。

4.根据权利要求3所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，其特征在于：捕获模块包括粗捕获模块和精捕获模块，粗捕获模块用于对输入的卫星反射信号进行处理输出功率峰值，精捕获模块用于对输入的直射信号与反射信号进行处理输出卫星直/反信号间的路径延迟值。

5.根据权利要求4所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，其特征在于：粗捕获模块的多普勒搜索范围设定为[-5000MHz, 5000MHz]，搜索步长为200MHz，在输出功率峰值后，将功率峰值与阈值进行比较，若功率峰值大于阈值，则判卫星反射信号粗捕获成功，输出多普勒频率范围用于下一步精捕获；若功率峰值小于阈值，继续进行下一多普勒频率搜索；若遍历搜索范围后，无大于阈值的功率峰值，则判定卫星反射信号粗捕获失败，进行下一秒信号的粗捕获。

6.根据权利要求5所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测系统，其特征在于：精捕获模块的多普勒搜索范围设定为[-300MHz, 300MHz]，搜索步长为25MHz；在计算得到卫星直射信号、卫星反射信号的功率峰值后，将其对应的码片位置相减得到码相位时延值，再乘以光速得到路径延迟值并输出。

7.一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，硬件准备：根据岸基情况安置好设备，将直射天线和反射天线与GNSS-R信号采集与及处理装置连接，进行中频文件和NMEA文件的采集；

步骤二，接入NMEA文件，筛选合适的可视卫星；

步骤三，接入中频数据，计算得到路径延迟值；

步骤四，海面高度反演，输出海面高度值；

步骤五，统计处理当前1秒中频数据消耗时长time。

8.根据权利要求7所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法，其特征在于：步骤二中，从NMEA文件中读入可视卫星的高度角、方位角和信噪比信息，再根据接收机的安装位置、精度要求，选取可视卫星，并存储可视卫星高度角。

9.根据权利要求8所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法，其特征在于：步骤三中，首先进行参数设置：预存本地码，并根据根据实际需求对粗捕获与精捕获的卫星信号相干积分时长进行设置；然后对筛选出的可视卫星的信号进行捕获：通过粗捕获模块进行卫星反射信号的粗捕获，缩小精捕获的搜索范围，通过精捕获模块进行卫星直射信号的精捕获，得到直射信号与反射信号的功率峰值间的码相位时延值，乘以光速后得到路径延迟值。

10.根据权利要求9所述的一种基于双天线GNSS-R码延迟的潮位连续监测方法，其特征在于：步骤四中，根据存储的可视卫星高度角，按照公式/>，计算得到反射天线相位中心到海面的垂直距离/>；使用大地测量型接收机获取天线到参考椭球面的距离/>，再根据公式/>计算出海面高度；

步骤五中，如果time大于1秒，重新进行参数设置，再进行下一秒的数据处理，如果time小于1秒，则此后数据处理前不再重新进行参数设置。