專利名稱：一種gnss-r遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別是一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的GPS 進(jìn)入 GNSS 的新時(shí)代，GNSS (Global Navigation Satellite System) 是若干個(gè)導(dǎo)航星座的集合名詞，包括美國(guó)的GPS、歐洲的伽利略(Galileo)、俄國(guó)的GL0NASS 以及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)Compass。GNSS的反射信號(hào)是可以被接收并利用的，而這 種基于GNSS反射信號(hào)的遙感技術(shù)就被簡(jiǎn)稱為GNSS_R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技術(shù)。具體原理如圖3和圖4所示。GNSS反射信號(hào)的接收需要一種專門的接收機(jī)，而現(xiàn)有接收機(jī)一般只包含兩個(gè)天 線，一個(gè)是接收直射信號(hào)的右旋圓極化天線，另一個(gè)是接收反射信號(hào)的左旋圓極化天線。而 實(shí)際上不同的極化信號(hào)是涵蓋不同地物特征的。GNSS-R與現(xiàn)有散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、合成孔徑雷達(dá)等海洋、陸面微波遙感手段相 比，具有異源收發(fā)、信號(hào)多源化、前向散射等特點(diǎn)，在遙感探測(cè)機(jī)理方面屬于雙基雷達(dá)模式。 GNSS體積小、重量輕、功耗小、成本低、可以全天時(shí)、全天候提供全球覆蓋均勻的大量數(shù)據(jù)。隨著微電子、光電子、信息處理、通信網(wǎng)絡(luò)、新材料、動(dòng)力以及航空航天等高新技術(shù) 的迅速發(fā)展，為無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。無人機(jī)航空遙 感技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探 測(cè)、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，是衛(wèi)星遙感與有人機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充。目前對(duì)地物觀測(cè)的遙感手段主要有光學(xué)、紅外和微波，但是存在各自的局限性，簡(jiǎn) 單總結(jié)如下光學(xué)和紅外遙感受限于天氣狀況，不能全天時(shí)全天候工作；微波遙感克服了 這一缺點(diǎn)，SAR空間分辨率高，但時(shí)間分辨率無法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，且成本較高，被動(dòng)微 波遙感又會(huì)受到較低空間分辨率的限制。GNSS-R的一臺(tái)接收機(jī)可以同時(shí)接收視場(chǎng)中的多顆衛(wèi)星信號(hào)，這種雙站雷達(dá)測(cè)量 模式可以大大提高時(shí)空分辨率。同時(shí)，由于工作在L波段，所以可以全天時(shí)全天候的監(jiān)測(cè)。 GNSS-R屬于被動(dòng)接收，本身不需要發(fā)射信號(hào)，所以體積和重量都很小，所需要的功耗也小， 在地物監(jiān)測(cè)上便捷、靈活。GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星將在未來幾十年為人類提供精確、無償?shù)奶綔y(cè)信 號(hào)，信號(hào)具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，因此，該項(xiàng)技術(shù)為監(jiān)測(cè)地物、分析地物變化規(guī)律等提供了非常 理想的手段。GNSS-R技術(shù)雖然可以使上述問題得到有效解決，但問題是，現(xiàn)有的GNSS-R接收 機(jī)只能接收?qǐng)A極化信息，即包含兩個(gè)天線，一個(gè)是指向天頂?shù)慕邮誈NSS直射信號(hào)的右旋天 線，另一個(gè)是指向天底的接收地表反射信號(hào)的左旋天線。而實(shí)際上，地物的線性極化信息 包括水平極化和垂直極化信息，在不同的角度和觀測(cè)條件下會(huì)攜帶地物更多不同的有用信 息。因此亟待對(duì)現(xiàn)有接收機(jī)的天線進(jìn)行改進(jìn)以使其包含更多的地物的極化信息。同時(shí)將 GNSS-R搭載在無人機(jī)上，可以方便靈活的獲取地物L(fēng)波段信息。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種可以同時(shí)接收地物圓極化和線性極化信號(hào)的GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括低 空控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)，所述的低空控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)通過L波段信號(hào)進(jìn)行通 信，所述的地面控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理工控機(jī)、任務(wù)控制計(jì)算機(jī)和飛行控制計(jì)算機(jī)，所述的 低空控制系統(tǒng)包括無人機(jī)三軸穩(wěn)定平臺(tái)和GNSS-R接收機(jī)，所述的GNSS-R接收機(jī)安裝有四 個(gè)天線，分別是接收GNSS直射信號(hào)的RHCP右旋圓極化天線、接收地物散射信號(hào)的LHCP左 旋圓極化天線、接收垂直線性極化信號(hào)的H極化天線和接收水平線性極化信號(hào)的V極化天 線，并在每個(gè)天線附近分別安裝一個(gè)相應(yīng)的低噪聲放大器LNA。一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟A、低噪聲放大器LNA將接收到的GNSS信號(hào)放大和濾波，并經(jīng)過射頻前端RF與本 機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)進(jìn)行混頻，形成中頻信號(hào)；B.GNSS-R接收機(jī)內(nèi)部的高速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，并對(duì)采樣后的 數(shù)據(jù)通過FPGA專用相關(guān)器進(jìn)行處理，同時(shí)經(jīng)由高速A/D轉(zhuǎn)換器形成的數(shù)字信號(hào)通過USB2. 0 接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成原始采樣數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理工控機(jī)；C、經(jīng)過FPGA專用相關(guān)器處理后的原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)由DSP信號(hào)處理器進(jìn)行處理后， 再經(jīng)過RS232接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成導(dǎo)航定位信息相關(guān)功率信息，并將該信息傳輸 到數(shù)據(jù)處理工控機(jī)和任務(wù)控制計(jì)算機(jī)；D、由數(shù)據(jù)處理工控機(jī)對(duì)GNSS-R接收機(jī)接收到的直射信號(hào)和散射信號(hào)進(jìn)行處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、由于本發(fā)明在接收天線的設(shè)計(jì)上采用了圓極化和線極化兩類四根天線(RHCP、 LHCP和H、ν)，所以可以同時(shí)接收地物圓極化和線性極化的信號(hào)，因此在對(duì)地物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和 分析的時(shí)候可以獲取地物更多的極化信息。2、由于本發(fā)明將GNSS-R傳感器搭載在小型無人機(jī)上，所以成本低、操作簡(jiǎn)單、機(jī) 動(dòng)靈活。


本發(fā)明共有附圖4張，其中圖1是GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理圖。圖4是GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。圖中1、低空控制系統(tǒng)，2、地面控制系統(tǒng)，3、GNSS-R接收機(jī)，4、無人機(jī)三軸穩(wěn)定平 臺(tái)，5、數(shù)據(jù)處理工控機(jī)，6、任務(wù)控制計(jì)算機(jī)，7、飛行控制計(jì)算機(jī)，8、RHCP右旋圓極化天線，9、 LHCP左旋圓極化天線，10、H極化天線，11、V極化天線，12、低噪聲放大器LNA，13、射頻前端 RF，14、高速A/D轉(zhuǎn)換器，15、FPGA專用相關(guān)器，16、USB2. 0接口電路，17、DSP信號(hào)處理器， 18、RS232接口電路，19、原始采樣數(shù)據(jù)，20、導(dǎo)航定位信息相關(guān)功率信息。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地描述。如圖1-2所示，一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)，包括低空控制系統(tǒng)1和地面控制系統(tǒng)2，所述的低空控制系統(tǒng)1和地面控制系統(tǒng)2通 過L波段信號(hào)進(jìn)行通信，所述的地面控制系統(tǒng)2包括數(shù)據(jù)處理工控機(jī)5、任務(wù)控制計(jì)算機(jī)6 和飛行控制計(jì)算機(jī)7，所述的低空控制系統(tǒng)1包括無人機(jī)三軸穩(wěn)定平臺(tái)4和GNSS-R接收機(jī) 3，所述的GNSS-R接收機(jī)3安裝有四個(gè)天線，分別是接收GNSS直射信號(hào)的RHCP右旋圓極化 天線8、接收地物散射信號(hào)的LHCP左旋圓極化天線 9、接收垂直線性極化信號(hào)的H極化天線 10和接收水平線性極化信號(hào)的V極化天線11，并在每個(gè)天線附近分別安裝一個(gè)相應(yīng)的低噪 聲放大器LNA12。一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟A、低噪聲放大器LNA12將接收到的GNSS信號(hào)放大和濾波，并經(jīng)過射頻前端RF13 與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)進(jìn)行混頻，形成中頻信號(hào)；B、GNSS-R接收機(jī)3內(nèi)部的高速A/D轉(zhuǎn)換器14對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，并對(duì)采 樣后的數(shù)據(jù)通過FPGA專用相關(guān)器15進(jìn)行處理，同時(shí)經(jīng)由高速A/D轉(zhuǎn)換器14形成的數(shù)字信 號(hào)通過USB2.0接口電路16進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成原始采樣數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理工控機(jī)5 ；C、經(jīng)過FPGA專用相關(guān)器15處理后的原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)由DSP信號(hào)處理器17進(jìn)行 處理后，再經(jīng)過RS232接口電路18進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成導(dǎo)航定位信息相關(guān)功率信息20，并將 該信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理工控機(jī)5和任務(wù)控制計(jì)算機(jī)6 ；D、由數(shù)據(jù)處理工控機(jī)5對(duì)GNSS-R接收機(jī)3接收到的直射信號(hào)和散射信號(hào)進(jìn)行處理。
權(quán)利要求
一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括低空控制系統(tǒng)(1)和地面控制系統(tǒng)(2)，所述的低空控制系統(tǒng)(1)和地面控制系統(tǒng)(2)通過L波段信號(hào)進(jìn)行通信，所述的地面控制系統(tǒng)(2)包括數(shù)據(jù)處理工控機(jī)(5)、任務(wù)控制計(jì)算機(jī)(6)和飛行控制計(jì)算機(jī)(7)，所述的低空控制系統(tǒng)(1)包括無人機(jī)三軸穩(wěn)定平臺(tái)(4)和GNSS-R接收機(jī)(3)，其特征在于所述的GNSS-R接收機(jī)(3)安裝有四個(gè)天線，分別是接收GNSS直射信號(hào)的RHCP右旋圓極化天線(8)、接收地物散射信號(hào)的LHCP左旋圓極化天線(9)、接收垂直線性極化信號(hào)的H極化天線(10)和接收水平線性極化信號(hào)的V極化天線(11)，并在每個(gè)天線附近分別安裝一個(gè)相應(yīng)的低噪聲放大器LNA(12)。
2.—種GNSSR遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟A、低噪聲放大器LNA(12)將接收到的GNSS信號(hào)放大和濾波，并經(jīng)過射頻前端RF(13) 與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)進(jìn)行混頻，形成中頻信號(hào)；B、GNSS-R接收機(jī)(3)內(nèi)部的高速A/D轉(zhuǎn)換器(14)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，并對(duì)采 樣后的數(shù)據(jù)通過FPGA專用相關(guān)器(15)進(jìn)行處理，同時(shí)經(jīng)由高速A/D轉(zhuǎn)換器(14)形成的數(shù) 字信號(hào)通過USB2.0接口電路(16)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成原始采樣數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理工控 機(jī)(5)；C、經(jīng)過FPGA專用相關(guān)器(15)處理后的原始采樣數(shù)據(jù)經(jīng)由DSP信號(hào)處理器(17)進(jìn)行 處理后，再經(jīng)過RS232接口電路(18)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成導(dǎo)航定位信息相關(guān)功率信息(20)， 并將該信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理工控機(jī)(5)和任務(wù)控制計(jì)算機(jī)(6)；D、由數(shù)據(jù)處理工控機(jī)(5)對(duì)GNSS-R接收機(jī)(3)接收到的直射信號(hào)和散射信號(hào)進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GNSS-R遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，所述的系統(tǒng)包括低空控制系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)，所述的低空控制系統(tǒng)包括無人機(jī)三軸穩(wěn)定平臺(tái)和GNSS-R接收機(jī)，所述的GNSS-R接收機(jī)安裝有四個(gè)天線，分別是接收GNSS直射信號(hào)的RHCP右旋圓極化天線、接收地物散射信號(hào)的LHCP左旋圓極化天線、接收垂直線性極化信號(hào)的H極化天線和接收水平線性極化信號(hào)的V極化天線。本發(fā)明由數(shù)據(jù)處理工控機(jī)對(duì)接收機(jī)接收到的直射信號(hào)和散射信號(hào)進(jìn)行處理。由于本發(fā)明在接收天線的設(shè)計(jì)上采用了圓極化和線極化兩類四根天線，所以可以同時(shí)接收地物圓極化和線性極化的信號(hào)，因此在對(duì)地物進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析的時(shí)候可以獲取地物更多的極化信息。
文檔編號(hào)G01S19/13GK101872017SQ20101019419
公開日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者吳學(xué)睿, 李傳龍, 李穎, 陳澎 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)