CN117607908A - 无人机载平台的gnss-r码相位海面测高方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及GNSS‑R海面测高、海洋测绘学等交叉技术领域，公开了一种无人机载平台的GNSS‑R码相位海面测高方法及装置。包括：组建机载测高平台、采集GNSS数字中频信号等实验数据、使用软件接收机处理数据、通过直反射信号的路径差反演海面高度，滑动平均修正误差并与实测数据对比验证精度。通过开展机载GNSS‑R测高实验，证明了该机载测高的有效性，且精度可达厘米级。本发明的机载测高方法弥补了地基GNSS‑R测高时空分辨率低和星载GNSS‑R测高成本较高的缺陷，具有时空分辨率高、观测面积广、成本较低、操作灵活等特点。
Description
技术领域
本发明属于GNSS-R海面测高、海洋测绘学等交叉技术领域，尤其是涉及一种无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法及装置。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
海平面高度在一天中的不同时间和地点会出现明显变化。这种变化的监测对于开展海洋学和气候学研究至关重要，包括研究海洋环流模式和开发精确的海洋潮汐模型。同时，它在海洋灾害预警、气候监测和海平面高度监测方面也起着至关重要的作用。这种观测可提供连续、实时的环境状况信息。因此，海平面高度的监测无论在实际应用还是理论研究方面都具有重要意义，但传统的观测方式如卫星雷达测高和验潮站方法无法满足高时空分辨率的要求。经过多年的发展和实验，GNSS-R测高技术已取得重大进展，其基本方法是利用反射的GNSS码信号或载波信号提取反射表面的物理特征参数。作为免费和长期稳定的L波段信号源，该技术可以充分发挥全球导航卫星系统技术的优势，可实现全天候和全时空覆盖、范围广、高时空分辨率的海面观测。总之，全球导航卫星系统测高已成为一种具有高时空分辨率的海面监测技术，可为当前海面变化监测提供数据补充。
在2000年进行的首次机载测高实验结果表明，基于GPS代码的GNSS-R测高可以达到米级精度。实验员利用波罗海上空3千米高度机载平台的实验数据验证了噪声模型，发现利用近地飞行器可以实现22厘米的精度。随着北斗卫星导航系统的飞速发展，实验员利用无人机采集了黄海B1和B3波段的中频数据。通过比较测量数据和全球海面高度模型，发现BDS-R的精度可以达到分米级。
虽然近年来GNSS-R测高技术发展迅速，并取得了显著的研究成果，但机载GNSS-R测高受到的关注相对较少，也缺乏实验分析。此外，与岸基测高相比，机载测高可以设置在更高的高度，根据实验情况设置不同的高度，可实现更大的观测面积。与星载GNSS-R测高相比，机载GNSS-R测高易于实现，可实现高空间分辨率的观测。此外，载人飞机GNSS-R测高因燃料消耗和飞机租赁费用昂贵而成本太高。随着无人机的发展，利用其价格低廉、体积小、耗电低、灵活性高等特点可实现更大范围、更高平台的GNSS-R测高。鉴于上述情况，本发明重点提供了一种无人机载平台下GNSS-R海面测高系统，并通过实验结果证明其有效性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其与空间和时间分辨率较低的地面平台以及成本较高的天基平台相比，具有明显的优势。通过搭载的无人机GNSS-R测高装置采集GNSS中频数字信号，使用自主研发的软件接收机对其进行处理。生成直反射信号的波形图，并利用码相位信息得到路径延迟反演出精确的海面高度。将反演结果与雷达液位计对比验证精度。证实该无人机载平台下海面测高具有厘米级的准确性。
为了达到以上目的，本发明采取以下技术方案：
一种无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，在无人机平台上搭建GNSS直射和反射信号接收装置进行信号接收，利用软件接收机对信号进行处理，经过数学计算获取反演结果，与外部实测数据比较获得最终反演精度；该方法包括以下步骤：
步骤一：组建机载GNSS-测高平台；
步骤二：采集GNSS中频数字信号等实验数据；
步骤三：使用软件接收机处理数据得到直反射信号路径差；
步骤四：通过直反射信号的路径差反演海面高度；
步骤五：滑动平均修正误差并与实测数据对比验证精度。
进一步地，步骤一中所述“组建机载测高平台”包括：系留电源、无人机、数据存储硬盘、大地测量型GNSS接收机及其固定架、无人机载GNSS中频数字信号、雷达液位计、GNSS-R右旋圆极化天线和左旋圆极化天线；所述测高平台具体实现过程如下：
S11，通过系留电源为无人机供电；将右旋GNSS天线和左旋GNSS天线分别垂直向上和向下固定在无人机上，与无人机载GNSS中频数字信号的四个射频通道相连接，接收直射和来自海面的反射GNSS信号，并存储于硬盘中；同时将上视的右旋天线与定位模块相连接；
S12，搭建固定参考站，将右旋GNSS天线水平放置于固定架并与全频GNSS参考站接收机相连接后进行观测，与上述步骤S11搭配形成传统GNSS定位模式对上视天线进行实时定位，利用组成的RTK定位模块来计算无人机大地高；
S13，为获取GNSS-R测高外部比对数据，将雷达液位计垂直固定于海面上方，记录海平面的高度变化。
进一步地，步骤二中所述采集GNSS中频数字信号实验数据的具体实现过程如下：
S21，按研究需求设置飞行方案，控制无人机飞行范围或高度，令无人机分别悬停在不同位置的空旷海域，或设置不同梯度的飞行高度探究其海平面的测高精度，采集无人机飞行期间的海面观测数据；
S22，使用与天线连接的无人机载GNSS数字中频信号采集器采集卫星中频数字信号，获得GNSS中频信号文件；
S23，记录上视天线通过载波相位差分所获得的大地高数据；
S24，记录雷达液位计在实验期间获取的海平面变化值，同时通过载波相位差分定位技术以获取其大地高，将其作为实验对比数据验证机载反演测高精度。
进一步地，步骤三中所述使用软件接收机处理数据，其具体实现过程如下：
S31，根据卫星星历文件筛选高度角符合条件且在实验反射区内可捕获到的卫星信号；根据无人机的起飞时间，为确保信号的质量及准确性，设置数据处理时中频数据的起始时间为飞机开始平稳飞行时的时间；
S32，将中频采集器获得数据，采用软件接收机进一步处理：利用输入的无人机载GNSS数字中频信号复制本地导频和数字信号，将复制信号和剥离后的直反射信号进行相干积分得到直反射信号的波形图，最终采用三次插值的方法从上述波形的峰值位置计算路径延迟：
；
其中和/>分别为卫星与接收机之间直反射信号的延迟时间；c为电磁波的传播速度。
进一步地，步骤四中所述的通过直反射信号的路径差反演海面高度，其具体实现过程如下：
S41，首先由获得的路径差计算得到机载GNSS-R的反射天线到海面的高度：
；
其中为卫星仰角，接收机处理得到的直反射信号的路径延迟为/>；
S42，根据载波相位差分所获得的上视天线的定位结果，结合直反射天线的相位中心距离，最终得到机载GNSS-R所反演的海面高/>为：
；
其中为直射天线和反射天线的相位中心距离，仪器架设完成后可用尺子量得其值，/>为直射天线的大地高，/>为反射天线到海面的高度。
进一步地，步骤五中所述的滑动平均修正误差并与实测数据对比验证精度，其具体实现过程如下：
S51，为了提高机载 GNSS-R 测高结果的精度，采用滑动平均法对测高的原始反演结果进行优化；根据实验数据的具体情况和优化效果，选择合理的平滑时间；此外，为了确保实验数据的有效性，剔除大于三倍中误差的异常值；
S52，取步骤二中雷达液位计的记录值和定位信息，将其作为真值以验证测高结果的精度，由雷达液位计获取的真值的表达式为：
；
式中为实验期间海平面的变化高度，/>为液位计的大地高；
S53，将步骤四中的机载反演测高的结果与平滑后的结果分别和S52中的结果对比分析，统计数据情况并验证精度。
本发明还提供了一种用于如上述任一所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法的装置，包括机载测高平台，所述机载测高平台包括：系留电源、无人机、数据存储硬盘、大地测量型GNSS接收机及其固定架、无人机载GNSS中频数字信号、雷达液位计、GNSS-R右旋圆极化天线和左旋圆极化天线。
本发明的有益效果体现在：
（1）机载平台下的GNSS-R海面测高良好的弥补了如今岸基和星载平台测高所存在的缺陷，与岸基测高相比，机载测高架设的高度较高，且可根据实验情况设定不同的高度以达到更好的实验效果，同时随着无人机高度的不断升高，观测的水面面积也随之增大；而星载测高建设成本较高，对相干条件的要求较高，且不适用于高海况条件。综上，机载平台GNSS-R测高具有高时空分辨率，观测面积广，成本较低、操作灵活等优势。
（2）载人飞机GNSS-R测高因燃料消耗和飞机租赁费用昂贵而成本太高，随着无人飞行器的发展，利用其价格低廉、体积小、耗电低、灵活性高等特点可实现更大范围、更高平台的GNSS-R测高。
（3）本发明经过开展实验进行了可行性和有效性的验证，通过开展具体实验采集双频段的卫星数字中频信号，使用软件接收机获取直反射信号之间的路径延迟，结合实验所获对比数据，对实验数据进行处理分析并修正相关误差，最终反演出海平面高度，且精度可达厘米级。
附图说明
图1是本发明方法的整体流程示意图；
图2是本发明方法中步骤三的具体流程图；
图3是本发明方法的原理示意图；
图4是实验期间播发L1和L5信号的卫星高度角变化示意图；
图5是BDS B1C和B2a频段机载测高原始和平滑结果与真值对比；
图6是GPS L1和L5频段机载测高原始和平滑结果与真值对比。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的解释说明。
参照图3所示，一种基于无人机载的GNSS-R码相位测高装置和方法，基于无人机载平台的搭建，在低海况下进行了机载测高实验，实验时常约58分钟，实验当天天气状况良好，平均风速2-3m/s,采集BDS和GPS卫星播发的两个频点：L1和L5，分别参照图4中的a和b。具体步骤如下：
步骤一：组建机载测高平台；
（1）使用六旋翼无人机，其最大可承受风速：8 m/s，实验中通过系留电源为其供电。右旋天线(RHCP)和左旋天线(LHCP)分别垂直向上和向下固定在无人机上，分别与无人机载中频信号采集器的四个射频通道相连接，同时将上视的右旋天线与定位模块相连接；
（2）垂直固定雷达液位计于海面上方，并从固定位置向海面延伸约1m，确保其位于空旷海域上方以记录海平面的变化高度。同时放置定位模块及天线；
（3）搭建的固定参考站，将右旋GNSS天线水平放置于三脚架并与全频GNSS参考站接收机相连接，该天线距离接收机和实验地水平距离分别约为5m和439m，通过载波相位差分获得较为准确的定位信息。
步骤二：采集GNSS中频数字信号等实验数据；
（1） 以62MHz的采样频率采集来自不同卫星系统的L1/B1C (1575.42MHz)和L5/B2a (1175.45 MHz)两个频率的直反射数字中频信号，接收机的信号带宽为20.46MHz，通过模数转换器以62 MHz的采样率对模拟信号进行2比特量化，存储数据率为62MB/秒，此时实验采集时长约为58分钟，得到的中频信号文件约为201GB；
（2）在无人机起飞后，控制无人机分别悬停在距离起飞点垂直高度为20m、40m、60m的位置且尽可能保持稳定，每个高度的悬停时间在15分钟左右，采集无人机飞行期间不同高度下的数据；
（3）记录雷达液位计在实验期间每秒种的海平面变化值，同时通过载波相位差分定位技术以获取其大地高，将其作为实验对比数据验证机载反演测高精度；
（4）记录上视天线(RHCP)通过载波相位差分所获得的大地高数据。
步骤三：使用软件接收机处理数据；
（1）根据卫星星历文件筛选反射信号高度角大于30°且在反射区内可捕获到的卫星；无人机在实验初始阶段并未完全飞行至实验指定位置的空旷海域，为确保信号的质量及准确性，所以数据处理时以无人机起飞后的100s作为数据处理的起始时间；
（2）软件接收机通过输入的GNSS数字中频信号复制本地导频和数字信号，将直射信号和反射信号与本地复制信号进行互相关。直反射信号的波形通过 10 毫秒的相干积分获得。然后，对获得的波形峰值进行三次样条插值，并根据波形峰值的位置计算码延迟。最后，为了进一步提高精确度，以50毫秒为间隔，在 1 秒内计算出21个路径延迟，并选择其中值作为最终的/>进行进一步处理：
；
其中和/>分别为卫星与接收机之间直反射信号的延迟时间；c为光速。
步骤四：通过直反射信号的路径差反演海面高度；
（1）根据GNSS-R测高原理图及几何关系，无人机高度为20-60m，忽略地球曲率的影响，结合卫星仰角，最终得到机载GNSS-R反演的反射天线到海面的高度：
；
其中，为卫星仰角，/>为直反射信号的路径延迟；
（2）测量实验中直射天线和反射天线的相位中心距离，再结合由差分定位所得到的直射天线的大地高/>，最终得到机载GNSS-R所反演的海面高（参考图3）/>为：
；
其中为直射天线和反射天线的相位中心距离，仪器架设完成后可用尺子量得其值，/>为直射天线的大地高，/>为反射天线到海面的高度。
步骤五：滑动平均修正误差并与实测数据对比验证精度；
（1）根据数据情况以及滑动平均后的数据精度，选择五分钟作为的滑动平均时长，对步骤四中的原始反演结果进行滑动平均处理;
（2）根据实验期间雷达液位计的记录值，以及由定位模块获取的大地高/>，得到雷达液位计获取的真值/>：
；
（3）将步骤四中的机载反演测高的结果与平滑后的结果分别和（2）中的结果对比分析，统计数据情况并验证精度，包括无人机不同高度下所包含的数据所反演结果与雷达液位计实测数据对比所得的均值偏差（Mean）、均方根误差（RMSE）和标准差（STD）。
通过机载GNSS-R测高实验，验证了本方法的有效性，图5为BDS卫星B1C和B2a频段机载测高原始和平滑结果与真实值的对比，其中图5中的a和b分别是B1C频段上PRN为C33和C41号的卫星处理结果，图5中的c至h是B2a频段上PRN为C27、C28、C33、C38、C39以及C41号卫星的处理结果。各图中从左向右的散点依次为上述BDS卫星原始数据反演出的无人机在20米、40米和60米三种不同高度下的初始测高结果，黑色散点为经过滑动平均处理所得到的结果，虚线代表雷达液位计所记录的实测海面高。从图中的对比结果可以看出BDS各个卫星的机载测高结果与实测数据具有很高的一致性，初始结果的残差主要在±2米范围内，经过滑动平均处理之后的结果残差缩小至±1米，达到了较好的反演结果，且精度可达厘米级。
图6为GPS卫星各频段机载测高原始和平滑结果与真实值对比其中图6中的a至d是GL1频段上PRN为G05、G13、G15以及20号卫星的处理结果。图6中的e和f分别是GL5频段上PRN为G33和G41号的卫星处理结果，各图中从左向右的散点依次为GPS卫星原始数据反演出的无人机在三种不同高度下的初始测高结果，黑色的散点为经过滑动平均所得到的结果，虚线代表雷达液位计所记录的实测海面高。从图中的对比结果可以看出GL5频段的原始测高结果与GL1相比效果较差，残差较大且数据量较少，而GL1波段残差基本集中在±2米左右且有效数据量较多，此外平滑后的结果也能达到范围在±1米的残差范围。在无人机飞行25分钟后，G20卫星的高度角从37度开始逐渐减小。在实验的中后期无法捕获该信号，导致无法获得该卫星实验后期的中频信号数据。在GPS L5波段，G11号卫星的测高结果与G20号卫星相似，残差相对较大。G18号卫星的反演效果相对较差，因为其在20米和40米高度上相对于无人机的高度角约为21°，导致该时段的有效数据量较少。但是对于GPS卫星系统总体而言，除G20的结果外，GL1波段的原始反演结果与实测真值具有较高的一致性，并且能够达到精度为厘米级的海面高反演结果，最优精度可达6.9厘米。
本方法的机载测高结果与真值符合度较高，BDS和GPS信号反演结果的总体情况及精度如表1和表2所示。
表1 BDS B1C和B2a频段测高结果
表2 GPS L1和L5频段测高结果
本发明基于机载平台GNSS-R码相位海面测高，相较于岸基和星载平台，具有高时空分辨率，观测面积广，成本较低、操作灵活等优势，实现了厘米级精度的海面测高。
对于BDS卫星系统，如表1所示，BDS B1C波段去除粗度后的原始数据反演结果均方根误差在5.7dm-9.9dm之间，BDS B2a原始结果均方根误差在6.5dm-14.7dm之间。根据五分钟滑动平均处理后的结果，两个波段的有效数据量较多，估算精度可以达到厘米级。对于无人飞行器的不同飞行高度，在20米高度时，反演的均方根误差为3.3厘米，可以达到最佳精度；在40米和60米高度时，均方根误差分别为3.8厘米和4.8厘米。对于包含不同海拔高度所有结果的总体数据，C41的反演结果在B2a波段达到了最佳精度，有效误差为4.8厘米。此外，在BDS的两个频段中，B2a频段可捕获并用于实验分析的卫星数量更多，数据质量更好，反演结果的精度也高于B1C频段。
对于GPS卫星系统，如表2所示，去除异常值后，GPS L1 波段原始数据反演结果的均方根误差在9.4dm到21.2dm之间，GPS L5原始数据反演结果的均方根误差在15.5dm到30.7dm之间。根据平滑后的结果，对应于三个无人机高度，反演精度的均方根误差分别为5.5厘米、6.9厘米和7.5厘米。在所有结果中，G13的反演精度为6.9厘米，是整体数据的最佳反演精度。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均落入本发明的保护范围。
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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“上”、“下”、“外侧”“内侧”等如果存在是用于区别位置上的相对关系，而不必给予定性。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其特征在于，在无人机平台上搭建GNSS直射和反射信号接收装置进行信号接收，利用软件接收机对信号进行处理，经过数学计算获取反演结果，与外部实测数据比较获得最终反演精度；该方法包括以下步骤：
步骤一：组建机载GNSS-测高平台；
步骤二：采集GNSS中频数字信号等实验数据；
步骤三：使用软件接收机处理数据得到直反射信号路径差；
步骤四：通过直反射信号的路径差反演海面高度；
步骤五：滑动平均修正误差并与实测数据对比验证精度。
2.根据权利要求1所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其特征在于，步骤一中所述“组建机载测高平台”包括：系留电源、无人机、数据存储硬盘、大地测量型GNSS接收机及其固定架、无人机载GNSS中频数字信号、雷达液位计、GNSS-R右旋圆极化天线和左旋圆极化天线；所述测高平台具体实现过程如下：
S11，通过系留电源为无人机供电；将右旋GNSS天线和左旋GNSS天线分别垂直向上和向下固定在无人机上，与无人机载GNSS中频数字信号的四个射频通道相连接，接收直射和来自海面的反射GNSS信号，并存储于硬盘中；同时将上视的右旋天线与定位模块相连接；
S12，搭建固定参考站，将右旋GNSS天线水平放置于固定架并与全频GNSS参考站接收机相连接后进行观测，与上述步骤S11搭配形成传统GNSS定位模式对上视天线进行实时定位，利用组成的RTK定位模块来计算无人机大地高；
S13，为获取GNSS-R测高外部比对数据，将雷达液位计垂直固定于海面上方，记录海平面的高度变化。
3.根据权利要求1所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其特征在于，步骤二中所述采集GNSS中频数字信号实验数据的具体实现过程如下：
S21，按研究需求设置飞行方案，控制无人机飞行范围或高度，令无人机分别悬停在不同位置的空旷海域，或设置不同梯度的飞行高度探究其海平面的测高精度，采集无人机飞行期间的海面观测数据；
S22，使用与天线连接的无人机载GNSS数字中频信号采集器采集卫星中频数字信号，获得GNSS中频信号文件；
S23，记录上视天线通过载波相位差分所获得的大地高数据；
S24，记录雷达液位计在实验期间获取的海平面变化值，同时通过载波相位差分定位技术以获取其大地高，将其作为实验对比数据验证机载反演测高精度。
4.根据权利要求1所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其特征在于，步骤三中所述使用软件接收机处理数据，其具体实现过程如下：
S31，根据卫星星历文件筛选高度角符合条件且在实验反射区内可捕获到的卫星信号；根据无人机的起飞时间，为确保信号的质量及准确性，设置数据处理时中频数据的起始时间为飞机开始平稳飞行时的时间；
S32，将中频采集器获得数据，采用软件接收机进一步处理：利用输入的无人机载GNSS数字中频信号复制本地导频和数字信号，将复制信号和剥离后的直反射信号进行相干积分得到直反射信号的波形图，最终采用三次插值的方法从上述波形的峰值位置计算路径延迟：
；
其中和/>分别为卫星与接收机之间直反射信号的延迟时间；c为电磁波的传播速度。
5.根据权利要求1所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其特征在于，步骤四中所述的通过直反射信号的路径差反演海面高度，其具体实现过程如下：
S41，首先由获得的路径差计算得到机载GNSS-R的反射天线到海面的高度：
；
其中为卫星仰角，接收机处理得到的直反射信号的路径延迟为/>；
S42，根据载波相位差分所获得的上视天线的定位结果，结合直反射天线的相位中心距离，最终得到机载GNSS-R所反演的海面高/>为：
；
其中为直射天线和反射天线的相位中心距离，仪器架设完成后可用尺子量得其值，/>为直射天线的大地高，/>为反射天线到海面的高度。
6.根据权利要求1所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法，其特征在于，步骤五中所述的滑动平均修正误差并与实测数据对比验证精度，其具体实现过程如下：
S51，为了提高机载 GNSS-R 测高结果的精度，采用滑动平均法对测高的原始反演结果进行优化；根据实验数据的具体情况和优化效果，选择合理的平滑时间；此外，为了确保实验数据的有效性，剔除大于三倍中误差的异常值；
S52，取步骤二中雷达液位计的记录值和定位信息，将其作为真值以验证测高结果的精度，由雷达液位计获取的真值的表达式为：
；
式中为实验期间海平面的变化高度，/>为液位计的大地高；
S53，将步骤四中的机载反演测高的结果与平滑后的结果分别和S52中的结果/>对比分析，统计数据情况并验证精度。
7.一种用于如权利要求1至6中任一所述无人机载平台的GNSS-R码相位海面测高方法的装置，其特征在于：
包括机载测高平台，所述机载测高平台包括：系留电源、无人机、数据存储硬盘、大地测量型GNSS接收机及其固定架、无人机载GNSS中频数字信号、雷达液位计、GNSS-R右旋圆极化天线和左旋圆极化天线。
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