一種基于時(shí)延修正的海面高度測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于時(shí)延修正的海面高度測量裝置。具體地說，是利用 GNSS_R(GlobalNavigationSatellitesSystem-Reflectmetry)海面風(fēng)場反演結(jié)果中由 于海面粗糙度引起的時(shí)延誤差，來修正測高過程中由于海面粗糙度引起的時(shí)延誤差，從而 提尚測尚精度。
【背景技術(shù)】
[0002] GNSS-R作為一種新的遙感手段，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，GNSS-R在理 論、技術(shù)和數(shù)據(jù)反演等方面逐步完善。基于GNSS-R的海洋遙感是GNSS-R遙感領(lǐng)域的一個(gè) 主要部分，其主要發(fā)展方向是海面風(fēng)場和海面高度。迄今為止，國際上相繼開展多次探測海 面風(fēng)場和海面高度的實(shí)驗(yàn)，GNSS-R反演海面風(fēng)場的理論和算法已經(jīng)基本成形。
[0003] 在反演海面風(fēng)場中，理論相關(guān)功率模型較為成熟，將理論相關(guān)功率曲線的后沿與 實(shí)測相關(guān)功率曲線的后沿采用最小二乘法進(jìn)行匹配，可以估計(jì)出海面風(fēng)速。以反演出的風(fēng) 速作為輔助，通過計(jì)算殘差平方和可以估計(jì)出海面風(fēng)向。在反演海面高度中，測高精度的關(guān) 鍵在于精確計(jì)算直射信號(hào)和經(jīng)鏡面反射的反射信號(hào)相關(guān)功率峰值的時(shí)間差。但是，由于海 面粗糙度的影響，在鏡面反射點(diǎn)周圍存在漫反射點(diǎn)，造成了反射信號(hào)相關(guān)功率的峰值點(diǎn)位 置向后偏移。這時(shí)若使用傳統(tǒng)的跟蹤峰值點(diǎn)或波形的半功率點(diǎn)方法測量信號(hào)延遲，則會(huì)帶 來較大的偏差。
[0004] 在海面高度測量中，針對解決海面粗糙度引起的測量誤差缺乏一種簡單直接的解 決辦法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于時(shí)延修正的海面高度測量裝置。該裝置不但可以精 確反演海面風(fēng)速、風(fēng)向，還可以精確反演海面高度。反演海面風(fēng)場時(shí)，可以得到與實(shí)測相關(guān) 功率曲線相匹配的理論相關(guān)功率曲線。此理論相關(guān)功率曲線是關(guān)于時(shí)間延遲的函數(shù)，可從 中估計(jì)出反射信號(hào)峰值點(diǎn)相對于鏡面反射點(diǎn)處的時(shí)間延遲，即時(shí)延誤差。本發(fā)明利用此時(shí) 延誤差對海面測高中的時(shí)延進(jìn)行修正，由海面測高的實(shí)際時(shí)間延遲減去此時(shí)延誤差得到時(shí) 間差，將時(shí)間差乘以光速，得到路徑差，然后再根據(jù)GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)和鏡面反射點(diǎn)構(gòu)成的 幾何關(guān)系來完成高度測量。
[0006] 本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明一種基于時(shí)延修正的海面高度測量裝置，它是由一個(gè)導(dǎo)航接收機(jī)、一個(gè)右 旋天線、一個(gè)左旋天線、一個(gè)射頻前端模塊、一個(gè)中頻信號(hào)處理模塊和一個(gè)反演模塊組成。 它們之間的位置連接關(guān)系是：導(dǎo)航接收機(jī)分別與右旋天線、中頻信號(hào)處理模塊和反演模塊 相連接，右旋天線和左旋天線彼此獨(dú)立，并一起與射頻前端模塊、中頻信號(hào)處理模塊和反演 模塊依次相連。它們之間的信號(hào)走向是：右旋天線輸出的直射射頻電壓信號(hào)DRF和左旋天 線輸出的反射射頻電壓信號(hào)RRF作為射頻前端模塊的輸入，射頻前端模塊輸出的直射數(shù)字 中頻信號(hào)DDRF和反射數(shù)字中頻信號(hào)RDIF作為中頻信號(hào)處理模塊的輸入，中頻信號(hào)處理模 塊輸出的時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率DDM(T，f)作為反演模塊的輸入，右旋天線輸出的直射 射頻電壓信號(hào)DRF作為導(dǎo)航接收機(jī)的輸入，導(dǎo)航接收機(jī)輸出的導(dǎo)航信息NAV_inf作為中頻 信號(hào)處理模塊和反演模塊的輸入。
[0008]所述導(dǎo)航接收機(jī)用于輸出包含接收機(jī)的高度和速度、衛(wèi)星高度角、方位角等信息 的導(dǎo)航信息NAV_inf?，作為中頻信號(hào)處理模塊和反演模塊的輸入。
[0009]所述右旋天線采用商用GNSS右旋天線用于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的直射電磁信號(hào)，并將 該信號(hào)轉(zhuǎn)化成直射射頻電壓信號(hào)DRF作為射頻前端處理的輸入。
[0010] 所述左旋天線采用多陣元陣列式左旋天線用于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的反射電磁信號(hào)，并 將該信號(hào)轉(zhuǎn)化成反射射頻電壓信號(hào)RRF作為射頻前端處理的輸入。
[0011] 所述射頻前端模塊將接收到的直射射頻電壓信號(hào)DRF和反射射頻電壓信號(hào)RRF下 變頻為中頻信號(hào)，并將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為直射數(shù)字中頻信號(hào)DDRF和反射數(shù)字中頻信號(hào)RDIF， 作為中頻信號(hào)處理模塊的輸入。
[0012]所述中頻信號(hào)處理模塊由直射通道和反射通道組成。兩者之間的關(guān)系是：彼此相 連。中頻信號(hào)處理模塊作為反演模塊的輸入。
[0013] 該直射通道由可見星預(yù)判、捕獲和跟蹤三部分組成。三者之間的關(guān)系是：可見星 預(yù)判、捕獲和跟蹤依次相連?？梢娦穷A(yù)判對左旋天線視野范圍內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行預(yù)測，減小直射 通道衛(wèi)星搜索范圍，輸出左旋天線視野范圍內(nèi)的衛(wèi)星PRN號(hào)，記為（PRN1, ...，PRNn)，作為捕 獲的輸入；捕獲對（PRN1, ...，PRNn)內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行搜索，判斷衛(wèi)星是否真實(shí)可見，若真實(shí)可 見，則對直射信號(hào)碼相位和多普勒頻率進(jìn)行粗略估計(jì)，作為跟蹤的輸入；跟蹤對捕獲成功的 直射信號(hào)進(jìn)行精確的碼相位和多普勒估計(jì)，記為（Tdi，fdi)，作為反射通道的輸入。
[0014] 該反射通道由選星、補(bǔ)償量計(jì)算、載波發(fā)生、偽碼發(fā)生和相關(guān)處理五部分組成。五 者之間的關(guān)系是：選星與補(bǔ)償量計(jì)算相連，補(bǔ)償量計(jì)算分別與載波發(fā)生和偽碼發(fā)生相連，載 波發(fā)生和偽碼發(fā)生彼此獨(dú)立，載波發(fā)生和偽碼發(fā)生都與相關(guān)處理相連。選星對跟蹤到的衛(wèi) 星按照衛(wèi)星高度角進(jìn)行選星，選擇衛(wèi)星高度角最大的衛(wèi)星，其直射信號(hào)對應(yīng)碼相位和多普 勒估值記為（Td，fd)，作為補(bǔ)償量計(jì)算的輸入；補(bǔ)償量計(jì)算根據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)輸出的導(dǎo)航信 息NAV_inf計(jì)算得到補(bǔ)償量AT和Af，由直射信號(hào)對應(yīng)碼相位和多普勒估值（Td，fd)得 到反射通道的本地偽碼相位Td+AT和本地載波頻率fd+Af，作為偽碼發(fā)生和載波發(fā)生的 輸入；偽碼發(fā)生產(chǎn)生本地偽碼用于反射信號(hào)偽碼剝離；載波發(fā)生產(chǎn)生本地載波用于反射信 號(hào)載波剝離；相關(guān)處理將本地載波和本地偽碼與反射信號(hào)RDIF進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，輸出時(shí)延多 普勒二維相關(guān)功率DDM(T，f)。
[0015]所述反演模塊由海面風(fēng)場反演模塊和海面高度反演模塊組成。兩者之間的關(guān)系 是：彼此相連。
[0016]該海面風(fēng)場反演模塊由理論模型庫生成、降噪處理、歸一化、波形匹配和殘差平方 和計(jì)算五部分組成。五者之間的關(guān)系是：理論模型庫生成、降噪處理、歸一化、波形匹配和 殘差平方和計(jì)算依次相連。理論模型庫生成是從DDM(T，f)和導(dǎo)航接收機(jī)輸出的導(dǎo)航信息 NAV_inf中提取接收機(jī)的高度、速度、衛(wèi)星高度角和方位角等信息，將提取信息輸入到海面 散射信號(hào)相關(guān)功率模型中，輸入初始風(fēng)速％，計(jì)算不同風(fēng)速條件下的海面散射信號(hào)相關(guān)功 率，生成理論相關(guān)功率波形庫；降噪處理是對實(shí)測相關(guān)功率曲線DDM(T，f)進(jìn)行降噪處理， 消除噪聲影響；歸一化是對降噪處理后的實(shí)測相關(guān)功率和生成的理論相關(guān)功率波形庫分別 進(jìn)行歸一化處理；波形匹配是將歸一化后的實(shí)測相關(guān)功率曲線和理論相關(guān)功率曲線采用最 小二乘法進(jìn)行波形匹配，輸出與實(shí)測相關(guān)功率曲線匹配成功的理論相關(guān)功率曲線所對應(yīng)的 風(fēng)速V;殘差平方和計(jì)算是由給定的初始風(fēng)向計(jì)算多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的理論和實(shí)測相關(guān)功 率波形的殘差平方和，調(diào)整風(fēng)向，輸出殘差平方和局部最小值對應(yīng)的風(fēng)向小。
[0017] 該海面高度反演模塊由降噪處理、歸一化、時(shí)延計(jì)算，時(shí)延修正和高度計(jì)算五部分 組成。五者之間的關(guān)系是：降噪處理、歸一化、時(shí)延計(jì)算、時(shí)延修正和高度計(jì)算依次相連。降 噪處理是對實(shí)測相關(guān)功率曲線DDM(T，f)進(jìn)行降噪處理，消除噪聲影響；歸一化是對降噪 處理后的實(shí)測相關(guān)功率進(jìn)行歸一化處理；時(shí)延計(jì)算是由直射信號(hào)相關(guān)功率峰值點(diǎn)處碼相位 和反射信號(hào)相關(guān)功率峰值點(diǎn)處碼相位計(jì)算反射信號(hào)相對于直射信號(hào)的時(shí)延值TE1;時(shí)延修 正是由匹配成功的理論相關(guān)功率曲線估計(jì)海面粗糙度引起的時(shí)延誤差T由此時(shí)延值來 修正海面測高中的時(shí)延差，由修正后的時(shí)延值TE求出直射信號(hào)與反射信號(hào)的路徑延遲；高 度計(jì)算是從導(dǎo)航信息NAV_inf中提取導(dǎo)航接收機(jī)的位置和衛(wèi)星高度角等信息，由導(dǎo)航接收 機(jī)位置可求得導(dǎo)航接收機(jī)到地心的距離，從而可計(jì)算海面高度H。
[0018] 本發(fā)明的原理及工況簡介如下：
[0019] 在利用GNSS-R反演海面風(fēng)場時(shí)，從匹配得到的理論相關(guān)功率曲線中得到反射信 號(hào)峰值點(diǎn)相對于鏡面反射點(diǎn)的時(shí)間延遲，用此延遲值來修正反演海面高度中由于海面粗糙 度引起的時(shí)延誤差，從而提高測高精度。右旋天線和左旋天線分別接收直射信號(hào)和反射信 號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成射頻電壓信號(hào)，再經(jīng)射頻前端模塊和中頻信號(hào)處理模塊輸出二維相關(guān)功率 曲線，由二維相關(guān)功率曲線和導(dǎo)航接收機(jī)輸出的導(dǎo)航信息在反演模塊中對海面風(fēng)場和海面 高度進(jìn)行反演。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0021] -.該裝置僅需接收裝置，降低了裝置的復(fù)雜性和成本。
[0022] 二.該裝置可完成海面風(fēng)場和海面高度的反演，加強(qiáng)了對海洋的監(jiān)測能力。
[0023] 三.該裝置用海面風(fēng)場反演得到的時(shí)延誤差值直接來修正海面高度測量中的時(shí) 延誤差，減小了海面高度測量中的運(yùn)算量。
[0024] 四.該裝置可減小由于海面粗糙度引起的誤差，提高了海面高度測量精度。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明測量裝置的總體框架圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明測量裝置的中頻信號(hào)處理模塊信號(hào)處理框圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明測量裝置的海面風(fēng)場和海面高度反演框圖。
[0028] 圖中符號(hào)說明如下：NAV_inf為導(dǎo)航接收機(jī)輸出的包含接收機(jī)的高度和速度、衛(wèi) 星高度角、方位角等信息的導(dǎo)航信息，DRF為直射射頻電壓信號(hào)，RRF為反射射頻電壓信號(hào)， DDRF為直射數(shù)字中頻信號(hào)，RDIF為反射數(shù)字中頻信號(hào)，DDM(T，f)為實(shí)測時(shí)延多普勒二維 相關(guān)功率曲線，H為需要輸出的海面高度，Vtl為輸入的初始海面風(fēng)速，巾^為輸入的初始海 面風(fēng)向，V為需要輸出的海面風(fēng)速，巾為需要輸出的海面風(fēng)向，（PRN1, ...，PRNn)為左旋天 線視野范圍內(nèi)的衛(wèi)星PRN號(hào)，（Tdi，fdi)為跟蹤到的衛(wèi)星的直射信號(hào)的碼相位和多普勒估計(jì) 值，（Td，fd)為衛(wèi)星高度角最大的衛(wèi)星的直射信號(hào)的碼相位和多普勒估計(jì)值，Td+AT為反 射通道的本地偽碼相位，fd+Af?為反射通道的本地載波頻率，T。為海面粗糙度引起的時(shí)延 誤差，Te1為修正前反射信號(hào)相對于直射信號(hào)的時(shí)延值，T￡為修正后反射信號(hào)相對于直射 信號(hào)的時(shí)延值。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030] 如圖1為本裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 本發(fā)明裝置由一個(gè)導(dǎo)航接收機(jī)、一個(gè)商用GNSS右旋天線、一個(gè)多陣元陣列式左旋