一種基于gnss-r海面目標(biāo)區(qū)域歸一化探測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公布了 一 種基于GNSS-R(GlobalNavigationSatellite system-reflection)海面目標(biāo)區(qū)域歸一化探測(cè)方法，屬于利用GNSS反射信號(hào)遙感探測(cè)技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] GNSS反射信號(hào)海面目標(biāo)探測(cè)是利用衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行海洋表面遙感方向的具體應(yīng)用， 是一種被動(dòng)式雙基或多基遙感技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外遙感探測(cè)和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。
[0003] 當(dāng)GNSS直射信號(hào)照射海面，在閃耀區(qū)內(nèi)形成無(wú)數(shù)多個(gè)散射點(diǎn)，然而不同散射點(diǎn)的 散射信號(hào)被接收機(jī)接收時(shí)，到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間是不同的。根據(jù)擴(kuò)頻信號(hào)接收原理可知，散射 信號(hào)不同的傳播時(shí)間表現(xiàn)為不同的碼延遲，等延遲線就是與鏡面點(diǎn)反射信號(hào)相比具有相同 時(shí)間延遲的點(diǎn)組成的曲線。等延遲區(qū)或等延遲環(huán)是定義的兩條等延遲線圍成的橢圓環(huán)形區(qū) 域，與接收機(jī)采樣頻率，即碼片分辨率有關(guān)。碼片分辨率越高，則相同條件下的等延遲區(qū)越 密集。基于GNSS雙基雷達(dá)的海面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)系統(tǒng)中，機(jī)載或星載接收機(jī)和GPS衛(wèi)星均有著不 同的運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)接收機(jī)的高度也可能在變化。因此，接收機(jī)接收到的海面不同散射點(diǎn)的 散射信號(hào)可能具有不同的多普勒頻率，且隨著衛(wèi)星參數(shù)和接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化不斷變 化，具有相同多普勒頻率的海面散射點(diǎn)組成的曲線稱為等多普勒線。
[0004] 由于不同的等延遲線和等多普勒線將反射區(qū)域劃分特定時(shí)延值和多普勒頻率值 得單個(gè)區(qū)域，通過(guò)設(shè)定不同時(shí)間延遲和多普勒頻移的范圍和間隔，就可確定觀測(cè)區(qū)域和分 辨單元的大小，并且衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)海面反射之后攜帶反射面的物理特性，通過(guò)GNSS-R 硬件接收機(jī)對(duì)接收反射信號(hào)并對(duì)反射信號(hào)中時(shí)延多普勒等信息進(jìn)行計(jì)算并提取來(lái)分析反 射區(qū)域特性。當(dāng)海面目標(biāo)出現(xiàn)在反射天線探測(cè)區(qū)域時(shí)，由于海面目標(biāo)的出現(xiàn)，其對(duì)反射信號(hào) 的反射率增大，相應(yīng)的時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率增大，通過(guò)GNSS-R探測(cè)平臺(tái)GNSS-R海面目 標(biāo)探測(cè)是對(duì)反射區(qū)域時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率對(duì)目標(biāo)出現(xiàn)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，提取相關(guān)功率最 大值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，若大于閾值，則判定在反射區(qū)域內(nèi)有目標(biāo)出現(xiàn)。由于不同風(fēng)況的 影響，在反射區(qū)域會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)未出現(xiàn)會(huì)有時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率大于閾值的情況發(fā)生， 此時(shí)需要?dú)w一化探測(cè)方法進(jìn)行目標(biāo)的誤探測(cè)排除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于：提供一種基于GNSS-R海面目標(biāo)區(qū)域歸一化探測(cè)方法，利用該 方法排除利用GNSS-R進(jìn)行海面目標(biāo)探測(cè)時(shí)誤探測(cè)的情況。在平靜海面區(qū)域進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由 于海面的反射率普遍接近一致，星載GNSS-R硬件接收平臺(tái)的反射信號(hào)相關(guān)功率值在相同 的時(shí)延和多普勒延遲內(nèi)也比較接近。當(dāng)海面有大型目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的反射信號(hào)在該區(qū)域 的反射率會(huì)增大，此時(shí)反射信號(hào)的功率會(huì)增大，但是由于海面風(fēng)況的不同，海面的粗糙度變 大，也會(huì)造成局部反射信號(hào)增大，從而給利用反射信號(hào)相關(guān)功率最大值判斷目標(biāo)出現(xiàn)增加 了干擾，但是當(dāng)反射信號(hào)功率最大值由海面不同風(fēng)況影響時(shí)，其周圍海面的反射信號(hào)相關(guān) 功率值也會(huì)發(fā)生變化，而在海面目標(biāo)出現(xiàn)的周圍海域反射信號(hào)相關(guān)功率值變化則不大。當(dāng) 接收到的反射信號(hào)時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率最大值大于設(shè)定閾值的情況時(shí)，將時(shí)延多普勒 二維相關(guān)功率的最大值進(jìn)行提取，并按照探測(cè)方法進(jìn)行周圍反射區(qū)域的相關(guān)功率值進(jìn)行處 理，降低誤探測(cè)出現(xiàn)次數(shù)，提高利用GNSS-R進(jìn)行海面目標(biāo)探測(cè)的正確率。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于星載GNSS-R硬件接收機(jī)對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行區(qū)域探測(cè)。當(dāng) 海面目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)計(jì)算時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率利用海面歸一化區(qū)域探測(cè)方法對(duì)海面 目標(biāo)進(jìn)行正確探測(cè)。
[0007] 其中，星載GNSS-R接收機(jī)主要在小衛(wèi)星平臺(tái)搭載GNSS-R硬件接收機(jī)，構(gòu)成GNSS-R 星載探測(cè)平臺(tái)。所述的GNSS-R硬件接收機(jī)由雙射頻前端、高速A/D變換器、FPGA專用相關(guān) 器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、UART控制接口和USB控制接口、高增益的直射天線和四個(gè)高增益 的反射天線等組成。它們之間的關(guān)系是：其中雙射頻前端中的片內(nèi)鎖相環(huán)產(chǎn)生2456MHz本 振信號(hào)，與接收到的1575. 42MHz信號(hào)混頻后產(chǎn)生880. 58MHz的信號(hào)；該信號(hào)與927MHz的本 振信號(hào)混頻產(chǎn)生46. 42MHz的模擬中頻信號(hào)。同時(shí)該模塊集成IOMHz的溫補(bǔ)晶振，為后端數(shù) 字化電路提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，其參考頻率穩(wěn)定度為±5X10-7,與信號(hào)處理后端采用SMA接口連 接，并實(shí)現(xiàn)物理屏蔽隔離，有效的降低高頻模擬與數(shù)字電路之間的干擾和噪聲，使信號(hào)質(zhì)量 得到進(jìn)一步的優(yōu)化。
[0008] 其中高速A/D變換器主要是將雙射頻前端模塊的處理數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)傳輸至后端的FPGA模塊和DSP模塊進(jìn)行直射相關(guān)通道和反射信號(hào)相 關(guān)通道的相關(guān)功率計(jì)算。
[0009] 其中FPGA專用相關(guān)器主要功能包括直射信號(hào)處理和反射信號(hào)處理兩部分，直射 信號(hào)處理通道采用傳統(tǒng)的超前-即時(shí)-滯后相關(guān)通道結(jié)構(gòu)，通過(guò)與DSP的配合完成碼和載 波跟蹤，得到導(dǎo)航定位解。反射信號(hào)處理通道根據(jù)DSP的配置信息（包括反射信號(hào)碼延遲 估計(jì)值、多普勒估計(jì)值以及相應(yīng)的控制信息）對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到碼延遲-多普 勒二維復(fù)數(shù)相關(guān)值，這些復(fù)數(shù)相關(guān)值通過(guò)USB接口上傳至上位機(jī)中。同時(shí)相關(guān)值經(jīng)過(guò)Is非 相干累加形成二維相關(guān)功率值，與直射信號(hào)處理結(jié)果通過(guò)UART控制接口上傳至上位機(jī)中。
[0010] 其中DSP數(shù)字信號(hào)處理器主要完成GNSS衛(wèi)星直射信號(hào)的快速捕獲和跟蹤，并利用 直射信號(hào)提供的信息求解導(dǎo)航定位結(jié)果，對(duì)反射信號(hào)的處理方式進(jìn)行模式配置。
[0011] 其中UART控制接口中串口 1上傳定位后的經(jīng)度、緯度和高度等導(dǎo)航信息，12個(gè)通 道的衛(wèi)星號(hào)、信噪比、方位角和高度角等衛(wèi)星狀態(tài)信息；串口 2上傳反射信號(hào)相關(guān)功率數(shù)值 和對(duì)應(yīng)的直射衛(wèi)星信號(hào)的相關(guān)功率數(shù)值。
[0012] 其中USB控制接口實(shí)現(xiàn)直射信號(hào)與反射信號(hào)的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，由FPGA 芯片與USB芯片共同完成，主要功能包括A/D量化數(shù)據(jù)的譯碼、打包、數(shù)據(jù)緩沖、時(shí)序控制 等。
[0013] 其中的直射天線（直射天線為接收GPS直射信號(hào)）為多模右旋天線，兼容GPS(美 國(guó)全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)VBeiDou(北斗導(dǎo)航系統(tǒng)）/GLONASS(俄羅斯格洛納斯導(dǎo)航系統(tǒng)）/ Galileo(歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），增益為3dB，駐波比為2:1，波束角30°。
[0014] 其中的反射天線（反射天線為GPS經(jīng)過(guò)反射面散射后的衛(wèi)星信號(hào)）為四陣列高增 益左旋天線，兼容GPS(美國(guó)全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)）/BeiDou(北斗導(dǎo)航系統(tǒng)）/GLONASS(俄羅 斯格洛納斯導(dǎo)航系統(tǒng)）/Galileo(歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），增益18dB，波束角20°，反射 天線放置于小衛(wèi)星平臺(tái)的水平朝下位置，四個(gè)反射天線呈正方形密集放置，以便微弱反射 信號(hào)接收。
[0015] 所述的小衛(wèi)星平臺(tái)指的是低軌道衛(wèi)星，為星載GNSS-R硬件接收機(jī)的搭載平臺(tái)， GNSS-R硬件接收機(jī)將測(cè)量的反射信號(hào)功率傳輸至小衛(wèi)星的通信模塊，通信模塊將GNSS-R 硬件接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸至地面接收中心。
[0016] 本發(fā)明一種基于GNSS-R海面目標(biāo)區(qū)域歸一化探測(cè)方法，具體步驟如下：
[0017] 步驟1 :利用星載GNSS-R接收機(jī)進(jìn)行海面區(qū)域掃描探測(cè)，并將由四個(gè)反射天線接 收的反射信號(hào)在GNSS-R硬件接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，計(jì)算得到反射信號(hào)相關(guān)功率值。
[0018] 步驟2 :當(dāng)海面有大型目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，相應(yīng)的反射信號(hào)在該區(qū)域的反射率會(huì)增大，此 時(shí)反射信號(hào)的功率會(huì)增大，但是由于海面風(fēng)況的不同，海面的粗糙度變大，也會(huì)造成局部反 射信號(hào)增大，從而給利用反射信號(hào)相關(guān)功率最大值判斷目標(biāo)出現(xiàn)增加了干擾，但是當(dāng)反射 信號(hào)功率最大值由海面不同風(fēng)況影響時(shí)，其周圍海面的反射信號(hào)相關(guān)功率值也會(huì)發(fā)生變 化，而在海面目標(biāo)出現(xiàn)的周圍海域反射信號(hào)相關(guān)功率值變化則不大。通過(guò)設(shè)定閾值，當(dāng)反射 信號(hào)相關(guān)功率值大于閾值時(shí)，調(diào)用歸一化區(qū)域探測(cè)方法進(jìn)行判斷分析，以減小判斷計(jì)算的 工作量。
[0019] 步驟3:當(dāng)反射信號(hào)時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率大于設(shè)定閾值RPft (判斷反射信號(hào)相 關(guān)功率值是否調(diào)用為歸一化區(qū)域方法的標(biāo)準(zhǔn)）時(shí)，直接提取二維相關(guān)最大值RPmJ^對(duì)應(yīng)的 時(shí)延數(shù)TMax和多普勒頻移fMax。
[0020] 步驟4 :按照在時(shí)延[-mTjTllax,mTc^tmeJ(其中m取值根據(jù)TMax值進(jìn)行動(dòng) 量變化，若TMax值較大，則m取值應(yīng)盡量小，T。代表的是1個(gè)時(shí)延碼片，為判斷反射信號(hào) 在時(shí)延域上的基準(zhǔn)單位，在利用反射信號(hào)進(jìn)行反演時(shí)，其探測(cè)分辨率主要是通過(guò)時(shí)延域的 最小單位和多普勒域上的最小單位決定的，該處指的是反射信號(hào)相關(guān)功率最大值處對(duì)應(yīng) 的時(shí)延值的周圍區(qū)域，該區(qū)域按照時(shí)延值進(jìn)行劃分）范圍內(nèi)以0.IT。個(gè)單位，在多普勒 [-nKHz+fMax，-nKHz+fMax](其中m取值根據(jù)fMax值進(jìn)行