CN118671768A - 一种基于星载gnss-r的海面参数反演方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于星载GNSS‑R的海面参数反演方法及系统，包括：采集直达信号和反射信号；对直达信号进行信号处理，进而海反预报得到本地信号控制量；基于本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延‑多普勒二维功率波形，根据时延‑多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场；提取二维功率波形的峰值信息，并根据峰值信息生成一维阵列本地信号，将一维阵列本地信号和反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号对应的载波跟踪信息，根据载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高。本申请可同时准确获取海面风场及海面波高测量信息。

Description

一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法及系统

技术领域

本申请属于星载GNSS-R海反探测技术领域，尤其涉及一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法及系统。

背景技术

星载GNSS-R海反探测技术主要探测成本低、可全球覆盖、探测产品多样化等优点被广泛应用，有现有GNSS-R海反探测产品种类主要以海面风场、土壤湿度、海面高度等为主。目前业内主流的探测设备如NASA的CYGNSS业务化应用系统和空间中心主导的星池一号GNSS-R探测设备均以单一探测方向的设计和精度提升为主要研究方向。

海面波高探测因受限于跟踪反射信号波束难以确定，以及预报的镜面反射点处通常不能形成较强的信号功率难以准确跟踪反射信号等多种原因而未被广泛使用。

发明内容

有鉴于此，本申请旨在提出一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法及系统，以解决现有GNSS-R设备探测方向单一性问题，同时解决了海面波高探测因受限于跟踪反射信号波束难以确定，和反射点处信号功率低难以准确跟踪的问题。

为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请提供了一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法，包括：

采集并存储预设时长的原始数字中频信号，其中，所述中频信号包括直达信号和反射信号；

对所述直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量；

基于所述本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对所述二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据所述时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场；

提取所述二维功率波形的峰值信息，并根据所述峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将所述一维阵列本地信号和所述反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据所述载波跟踪信息迭代求解并处理得到海面有效波高。

第二方面，基于同一发明构思，本申请还提供了一种基于星载GNSS-R的海面参数反演系统，包括：

采集模块，被配置为采集并存储预设时长的原始数字中频信号，其中，所述中频信号包括直达信号和反射信号；

数据处理模块，被配置为对所述直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量；

第一反演模块，被配置为基于所述本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对所述二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据所述时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场；

第二反演模块，被配置为提取所述二维功率波形的峰值信息，并根据所述峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将所述一维阵列本地信号和所述反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据所述载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高。

相对于现有技术，本申请所述的一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法及系统具有以下有益效果：

本申请所述的一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法及系统，该方法采用双阵列设计，同时满足海面风场对时延多普勒二维相关功率的探测需求，以及海面波高对反射信号载波跟踪信息获取的需求，基于本方法能够得到更为全面的海面立体监测信息。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例所述的一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法流程图；

图2为本申请实施例所述的双阵列处理流程图；

图3为本申请实施例所述的一种基于星载GNSS-R的海面参数反演系统结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“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。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“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。

以下结合附图详细说明本申请的实施例。

本申请基于星载GNSS-R接收机保存并下传的原始数字中频数据，在传统DDM大范围探测阵列的基础上，进一步采取一维小阵列跟踪其峰值能量处的反射信号的方式，有效解决了现有GNSS-R设备探测方向单一性问题，同时解决了海面波高探测因受限于跟踪反射信号波束难以确定，和反射点处信号功率低难以准确跟踪的问题。

请参阅图1和图2所示，本实施例提供了一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法，具体包括如下步骤：

步骤S101、采集并存储预设时长的原始数字中频信号，其中，中频信号包括直达信号和反射信号。

具体地，在本实施例中，GNSS-R海洋反射接收机在轨飞行时，在其设备内部的Flash中根据接收机数字中频配置，按照设定采样频率（本实施例以62MHz）每秒采集并存储预设时长（本实施例以30s为例）的直达和反射原始数字中频信号，二者每秒同时采集和存储，该原始数据下传至地面后利用以下方式进行处理。

步骤S102、对直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量。

在一些实施方式中，所述步骤S102具体包括如下步骤：

步骤S201、对直达信号进行导航信号处理，得到T时刻低轨卫星运行的实时位置和速度，其中，信号处理至少包括信号捕获、卫星跟踪、电文解码和定位解算。

具体地，在本实施例中，对保存的直达信号进行卫星信号的捕获、跟踪及电文解码，从电文中解码获取当前时间T，并得到各可见导航星的星历信息（也可通过网站下载精密星历或广播星历）、组成跟踪信号的测量伪距，基于上述信息进行定位解算，得到T时刻低轨卫星运行的实时位置、速度，本步骤为导航接收机对直达信号的常规处理流程，为本领域技术人员熟知的常规技术手段，在此不作过多赘述。

步骤S202、根据实时位置预测T+1时刻的各可见导航星位置信息，并依据低轨卫星反射天线筛选出导航星反射的有效反射信号；

具体地，在本实施例中，利用步骤S201中得到的实时位置，插值外推其下一秒T+1 的所有导航星位置信息（或用其它方式，比如从星上实时遥测查询到T+1时刻的导航 星位置信息），同时利用步骤S201中获取的的星历信号，并根据卫星ICD预测得到T+1秒各可 见导航星位置信息。

依据低轨卫星反射天线的安装角度和天线方向图，筛选出高度角较高且在反射天线的波束范围内能形成反射关系的导航星作为有效反射信号，以获取较好的反射信号处理效果。依据入射角与反射角相等的原则进行迭代，计算出入射信号在地球表面镜面反射点位置SPPV，同时计算出入射信号（GnssPos和SPPV之间的矢量距离）和反射信号（SPPV和LeoPos之间的矢量距离）传播路径总长度，即模型伪距。

步骤S203、根据导航星反射信号的模型伪距和发射时间计算得到发射时刻码片位置，以反射点和接收天线间的相对速度得到反射信号的模型多普勒，为海反预报得到的本地信号控制量。

具体地，在本实施例中，本实施例以一颗导航星为例，预报得到T+1时刻下，该导航 星反射信号的模型伪距，该模型伪距由入射信号（和SPPV之间的矢量距离） 和反射信号（SPPV和LeoPos之间的矢量距离）之和组成，如公式（1）；该卫星实际的发射时间为接收时间T+1与传播时间（模型伪距/光速）之差获得，如公式（2），并按照导航 信号的组成时间（如公式（3））去除其包含的整数部分和码周计数计 算出相应的发射时刻码片位置Codechip、以反射点和接收天线间的相对速度得到反射信号 的模型多普勒，为海反预报得到的本地信号控制量，具体计算方法以GPS L1为例：

（1）

（2）

（3）。

步骤S103、基于本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场。

在一些实施方式中，以码片位置和多普勒为中心，并按照设定的载波间隔和码片间隔进行二维展开，形成二维阵列本地信号；

对二维阵列本地信号与反射信号进行相干积分和非相干累加处理，得到该导航星T+1时刻的时延-多普勒二维功率波形；

对每秒的时延-多普勒二维功率波形进行功率修正，并提取归一化海面散射系数，以预报反演得到海面风场。

具体地，在本实施例中，海面风场、海冰及土壤探测原理类似，以海面风场为例，将镜面反射点附近的闪耀区分为光滑面元，认为反射信号由各面元产生的反射波束能量叠加而成，根据各点处的相干、非相干后的能量可计算出各面元处的海洋散射系数及其分布，进而反演得到海面风场信息，因此海风、海冰及土壤湿度的数据均可由探测到的二维时延——多普勒相关数据反演。

本实施例采用大DDM阵列以步骤S102计算得到的本地信号控制量-码片位置和多 普勒为中心，以设定的载波间隔和码片间隔（本实施例取250Hz、0.5码片）进行二维展开，形 成阵列本地信号，对本地阵列信号与反射数字中频信号(即上述描述的反射信号)下变频混 频得到同相和正交支路的离散化采样点和，并进行相干积分（公式（4））和非相干累 加（公式（5））处理，一般取M=1ms相干积分及N=1s相干累加，保证多普勒带宽包含较大的散 射功率分散范围，且探测功率波形输出频率为1Hz，得到该星T+1时刻的时延-多普勒二维功 率波形P；

、 （4）

（5）

对每秒的时延多普勒二维功率波形（与上述P相对应，P是为了说明相干 和非相关计算的方便，<Y>是为了模型化表述方便，两者表述同一含义）进行功率修正，并按 公式（6）提取归一化海面散射系数分布：

（6）

其中，T为相干积分时长，S和d代表对所有散射面元积分，、为接收天 线及发射天线增益方向图，、分别为地球表面镜面反射点到导航星发射端和到 反射天线接收端的距离，和S分别为各面元处信号的传播延时函数和频率响应函数， 为散射面元对应的码片延时，为散射面元对应的多普勒延时，δ为变化量，为海面散 射系数，利用ECWMF模式预报最终反演得到海面风场信息。

步骤S104、提取二维功率波形的峰值信息，并根据峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将一维阵列本地信号和反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高。

在一些实施方式中，提取二维功率波形的峰值信息，并查找出T+1时刻二维功率波形中峰值能量处对应的码片位置和多普勒，以该峰值对应的码片位置和多普勒为中心，并按照设定的码片间隔（本实施例以0.5码片为例）进行一维展开，生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号；

将一维阵列本地信号和反射信号进行相干积分，在积分结果中取I、Q支路能量最强的码片支路作为反射信号的跟踪支路，并获取跟踪支路的相位信息，作为镜面反射点附近峰值处反射信号在T+1时刻的载波跟踪信息；

对每秒峰值处的载波跟踪信息进行整周模糊度求解，得到入射及反射路径下的载波跟踪信息，根据入射及反射路径下的载波跟踪信息，通过模型伪距计算公式迭代求解得到镜面反射点位置，并进行地形修正，反演得到海面有效波高。

具体地，在本实施例中，本实施例采用大小DDM阵列相结合探测的手段，通过处理GNSS-R海反探测设备保存的原始中频信号，在传统大阵列探测得到时延-多普勒二维相关功率的基础上，进一步准确缩小探测范围，在反射信号峰值附近利用反射预报及开环跟踪的方式，同时获取其I、Q支路幅度及载波相位信息，也即利用小阵列获取海面高度的测距信息。具体如下：

读取该二维功率信号能量，查找出T+1秒时该大阵列功率波形P中峰值能量处的对应的码片C_T+1及多普勒D_T+1位置，取该峰值对应的多普勒D_T+1，并以码片C_T+1位置为中心，做小范围内设定码片间隔（本实施例以0.5码片为例）的展开，生成同一多普勒对应不同时延下的小阵列本地信号；

将该一维小阵列本地信号与读取的T+1秒原始数字中频信号依照公式4所述公式重新做10ms或20ms相干积分，在相关结果中取I、Q支路能量最强的码片支路作为反射信号的跟踪支路。

需要注意的是，还可得到跟踪支路对应的信噪比，具体地，对于噪声信号按上述同 样方法计算其能量P_noise，得到该跟踪支路对应信噪比，其中，将一维阵列本地 信号中未跟踪上的能量值取平均或做滤波即为噪声信号，可作为信号跟踪质量的评判标 准。

从步骤S101保存的数据中向下读取一秒的直达信号和反射信号，重复步骤S101至步骤S103过程，可获得该下传时段内每秒的时延——多普勒二维功率波形及峰值处信号的载波跟踪信息；

对每秒的峰值处载波跟踪信息进行整周模糊度求解（LAMBDA等方法），得到入射及 反射路径下的载波跟踪信息（相当于模型伪距信息），同时已知LeoPos和GnssPos三 轴坐标，则通过与公式（1）相反的过程进行迭代，求解出镜面反射点位置SPPV并进行地形修 正等，可得到海面有效波高。

本实施例所述的方法采用双阵列设计，同时满足海面风场对时延多普勒二维相关功率的探测需求，以及海面波高对反射信号载波跟踪信息获取的需求，通过本申请的处理方法可得到更为全面的海面立体监测信息；同时，利用大小阵列相结合的方式，有效解决了现有GNSS-R设备探测方向单一性问题，同时解决了海面波高探测因受限于跟踪反射信号波束难以确定，和反射点处信号功率低难以准确跟踪的问题。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本申请的实施例还提供了一种基于星载GNSS-R的海面参数反演系统。

如图3所示，所述基于星载GNSS-R的海面参数反演系统，包括：

采集模块11，被配置为采集并存储预设时长的原始数字中频信号，其中，中频信号包括直达信号和反射信号；

数据处理模块12，被配置为对直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量；

第一反演模块13，被配置为基于本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场；

第二反演模块14，被配置为提取二维功率波形的峰值信息，并根据峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将一维阵列本地信号和反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高。

为了描述的方便，描述以上系统时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请的实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的系统用于实现前述任一实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于星载GNSS-R的海面参数反演方法，其特征在于，包括：

采集并存储预设时长的原始数字中频信号，其中，所述中频信号包括直达信号和反射信号；

对所述直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量；

基于所述本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对所述二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据所述时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场；

提取所述二维功率波形的峰值信息，并根据所述峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将所述一维阵列本地信号和所述反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据所述载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量，包括：

对所述直达信号进行导航信号处理，得到T时刻低轨卫星运行的实时位置和速度，其中，所述信号处理至少包括信号捕获、卫星跟踪、电文解码和定位解算；

根据所述实时位置预测T+1时刻的各可见导航星位置信息，并依据低轨卫星反射天线方向图筛选出导航星反射的有效反射信号；

根据导航星反射信号的模型伪距和发射时间计算得到反射信号的发射时间及发射时刻码片位置，以反射点和接收天线间的相对速度得到反射信号的模型多普勒，为海反预报得到的本地信号控制量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对所述二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据所述时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场，包括：

以码片位置和多普勒为中心，并按照设定的载波间隔和码片间隔进行二维展开，形成二维阵列本地信号；

对所述二维阵列本地信号与所述反射信号进行相干积分和非相干累加处理，得到该导航星T+1时刻的时延-多普勒二维功率波形；

对每秒的时延-多普勒二维功率波形进行功率修正，并提取归一化海面散射系数，以预报反演得到海面风场。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：

；

其中，T为相干积分时长，S和d代表对所有散射面元的二维积分，、为接收天线及发射天线增益方向图，、分别为镜面反射点到导航星发射端和到反射天线接收端的距离，和S分别为各面元处信号的传播延时函数和频率响应函数， 为散射面元对应的码片延时，为散射面元对应的多普勒延时，δ为变化量，为海面散射系数，为时延-多普勒二维功率波形。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取所述二维功率波形的峰值信息，并根据所述峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将所述一维阵列本地信号和所述反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据所述载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高，包括：

提取所述二维功率波形的峰值信息，并查找出T+1时刻所述二维功率波形中峰值能量处对应的码片位置和多普勒，以该峰值对应的码片位置和多普勒为中心，并按照设定的码片间隔进行一维展开，生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号；

将所述一维阵列本地信号和所述反射信号进行相干积分，在积分结果中取I、Q支路能量最强的码片支路作为所述反射信号的跟踪支路，并获取所述跟踪支路的相位信息，作为镜面反射点附近峰值处所述反射信号在T+1时刻的载波跟踪信息；

对每秒峰值处的所述载波跟踪信息进行整周模糊度求解，得到入射及反射路径下的载波跟踪信息，基于所述载波跟踪信息反演得到海面有效波高。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

根据入射及反射路径下的载波跟踪信息，通过模型伪距计算公式迭代求解得到镜面反射点位置，并进行地形修正，反演得到海面有效波高。

7.一种基于星载GNSS-R的海面参数反演系统，其特征在于，包括：

采集模块，被配置为采集并存储预设时长的原始数字中频信号，其中，所述中频信号包括直达信号和反射信号；

数据处理模块，被配置为对所述直达信号进行导航信号处理，根据导航结果中的低轨卫星实时位置并依据低轨卫星反射天线方向图筛选形成反射关系的导航星，以预报有效反射信号，根据有效反射信号计算镜面反射点处多普勒、码片位置信息，以海反预报得到本地信号控制量；

第一反演模块，被配置为基于所述本地信号控制量进行二维展开，形成二维阵列本地信号，对所述二维阵列本地信号进行相干积分和非相干累加处理，得到时延-多普勒二维功率波形，根据所述时延-多普勒二维功率波形反演处理得到海面风场；

第二反演模块，被配置为提取所述二维功率波形的峰值信息，并根据所述峰值信息生成同一多普勒对应不同时延下的一维阵列本地信号，将所述一维阵列本地信号和所述反射信号进行相干积分和阵列信号跟踪，得到一维阵列本地信号中能量峰值处对应的载波跟踪信息，根据所述载波跟踪信息迭代并反演处理得到海面有效波高。