專利名稱：利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋微波遙感技術(shù)，更特別地說，是指一種利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
海洋遙感監(jiān)測范圍大、動(dòng)態(tài)性高、氣象條件復(fù)雜，微波遙感成為區(qū)域性和全球性海洋環(huán)境遙感監(jiān)測的重要手段。目前，已有的SAR(Synthetic Aperture Radar)、散射計(jì)、高度計(jì)等微波遙感手段均利用后向散射同源觀測的方式，數(shù)據(jù)收發(fā)成本高，時(shí)效性尚不能滿足監(jiān)測應(yīng)用需求。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)不僅為空間信息用戶提供了導(dǎo)航定位信息，還提供了源源不斷的L波段微波信號(hào)資源。基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)海洋微波遙感系統(tǒng)以其全天候、全天時(shí)、多信號(hào)源、寬覆蓋、高時(shí)空分辨率等應(yīng)用優(yōu)勢，在海洋環(huán)境遙感監(jiān)測中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，將與現(xiàn)有的微波遙感手段協(xié)同對(duì)海觀測，提高海洋環(huán)境信息的采集效率。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括GNSS-R微波遙感器、任務(wù)監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站和仿真分析工作站四部分內(nèi)容。本發(fā)明系統(tǒng)有效解決了目前海洋遙感設(shè)備缺乏、數(shù)據(jù)利用時(shí)效性不高等問題，將為有人/無人機(jī)航空平臺(tái)提供全天候、全天時(shí)、多信號(hào)源、寬覆蓋、高時(shí)空分辨率的新型任務(wù)設(shè)備及處理分析手段。
GNSS-R微波遙感器具有多源導(dǎo)航衛(wèi)星直射和回波散射信號(hào)同步接收、海量原始信號(hào)采樣與相關(guān)處理、導(dǎo)航定位求解、不同時(shí)延/多普勒頻移/相關(guān)功率計(jì)算、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出功能。
任務(wù)監(jiān)控工作站具有對(duì)GNSS-R微波遙感器工作模式和參數(shù)設(shè)定、任務(wù)規(guī)劃、遙感器采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。
數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站具有海面觀測點(diǎn)位置和信號(hào)路徑延遲計(jì)算、不同時(shí)延多普勒相關(guān)功率譜成像處理及海面風(fēng)場、有效波高、海面高程等海洋環(huán)境要素反演功能。
仿真分析工作站通過參數(shù)輸入、模型選擇、數(shù)值計(jì)算，具有遙感探測幾何關(guān)系、海面入射信號(hào)、海面散射回波信號(hào)、遙感器采集信號(hào)模擬功能。
本發(fā)明機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn) ①本發(fā)明將為海洋環(huán)境監(jiān)測提供新型的微波遙感手段，利用導(dǎo)航衛(wèi)星L波段信號(hào)進(jìn)行全天候、全天時(shí)對(duì)海觀測。
②GNSS-R微波遙感器采用雙基雷達(dá)模式，無須高功率發(fā)射機(jī)和相關(guān)電子設(shè)備，遙感器的復(fù)雜度和成本大大下降，而且體積小、重量輕、功耗低，有利于與其他設(shè)備同機(jī)協(xié)同觀測。
③GNSS-R微波遙感器對(duì)各類導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多源多角度直射和海面回波信號(hào)同步接收與機(jī)上實(shí)時(shí)處理，輸出的多普勒/時(shí)延相關(guān)功率數(shù)據(jù)便于實(shí)時(shí)傳輸，任務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)分布、遙感器工作狀態(tài)、飛行平臺(tái)狀態(tài)信息。
④數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)GNSS-R遙感器采集的不同時(shí)延/多譜勒相關(guān)功率及導(dǎo)航定位解等遙感數(shù)據(jù)快速自動(dòng)預(yù)處理和成像處理，并可自動(dòng)進(jìn)行海面風(fēng)速風(fēng)向、海面高程、有效波高等海洋環(huán)境要素反演計(jì)算。
⑤仿真分析工作站可實(shí)現(xiàn)GNSS直射信號(hào)、海面散射信號(hào)、幾何動(dòng)態(tài)關(guān)系、遙感器采集信號(hào)的全路徑仿真，為遙感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供仿真分析手段，降低對(duì)海試數(shù)據(jù)的依賴。
⑥海洋薇波遙感能夠作為海洋、氣象部門的有人/無人機(jī)載及地面配套設(shè)備裝備，高時(shí)效、低成本采集海洋環(huán)境監(jiān)測信息，服務(wù)于海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海上安全保障。



圖1是本發(fā)明機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明機(jī)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3是衛(wèi)星、接收機(jī)和鏡面反射點(diǎn)空間幾何關(guān)系示意圖。
圖4是本發(fā)明海洋環(huán)境要素反演界面。
圖4A是本發(fā)明不同風(fēng)速風(fēng)向相關(guān)功率理論波形圖。
圖4B是本發(fā)明海面相對(duì)高程反演結(jié)果圖。
圖4C是本發(fā)明有效波高的模式函數(shù)表征示意圖。
圖5是本發(fā)明成像處理模塊界面。
圖5A是本發(fā)明三維相關(guān)功率圖。
圖6是本發(fā)明仿真分析工作站的參數(shù)設(shè)置界面。
圖6A是GNSS-R海洋遙感信號(hào)傳輸路徑圖。
圖6B是本發(fā)明海面概率坡度密度分布圖。
圖6C是本發(fā)明海面前向散射系數(shù)分布圖。
圖6D是本發(fā)明海面菲涅爾反射系數(shù)與入射角關(guān)系圖。
圖6E是本發(fā)明海面散射信號(hào)時(shí)延相關(guān)功率的二維曲線。
圖6F是本發(fā)明海面散射信號(hào)多譜勒相關(guān)功率的二維曲線。

具體實(shí)施例方式 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖1所示，本發(fā)明是一種利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有GNSS-R微波遙感器、任務(wù)監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站和仿真分析工作站四部分。
一、GNSS-R微波遙感器 GNSS-R微波遙感器包括有右旋天線、左旋天線和延遲映射接收機(jī)，所述延遲映射接收機(jī)包括有雙射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、直射信號(hào)處理模塊和回波信號(hào)處理模塊。所述延遲映射接收機(jī)為FPGA芯片+DSP芯片+編程構(gòu)成。FPGA芯片選取EP2S60F672C5型號(hào)，DSP芯片選取TMS320C6713BGDP300型號(hào)。編程使用DK-DSP-2S60-N開發(fā)工具，在Quartus II軟件環(huán)境下，采用Verlog硬件描述語言開發(fā)。
右旋天線對(duì)接收到的GNSS衛(wèi)星的L波段的直射信號(hào)，并將該直射信號(hào)進(jìn)行增益放大后形成右旋圓極化信號(hào)RFR輸出給雙射頻前端。在本發(fā)明中，右旋天線為單陣列航空型天線，該天線的增益為3dB，波束角180°。
左旋天線對(duì)接收到的海面反射GNSS衛(wèi)星的L波段的回波信號(hào)，并將該回波信號(hào)進(jìn)行增益放大后形成左旋圓極化信號(hào)RFL輸出給雙射頻前端。在本發(fā)明中，左旋天線為四陣列天線，該天線的增益為12dB，波束角30°。該左旋天線具有以下特點(diǎn)通過單饋點(diǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)天線陣列單元的組陣；通過采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)饋電結(jié)構(gòu)，降低各天線單元之間的互耦系數(shù)；通過旋轉(zhuǎn)串行饋電技術(shù)，增加天線阻抗帶寬，降低E面和H面的旁瓣并利用其寄生輻射提高天線的圓極化特性。
雙射頻前端具有雙輸入結(jié)構(gòu)，一方面對(duì)右旋圓極化信號(hào)RFR進(jìn)行變頻、放大和濾波處理后輸出直射信號(hào)的模擬中頻信號(hào)IFR；另一方面左旋圓極化信號(hào)RFL進(jìn)行變頻、放大和濾波處理后輸出回波信號(hào)的模擬中頻信號(hào)IFL。在本發(fā)明中，對(duì)于雙射頻前端中的獨(dú)立通道，具有精密的變頻、放大、濾波和增益控制電路。為了防止鏡像干擾，射頻前端采用超外差結(jié)構(gòu)，并采用雙級(jí)下變頻方案。
導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的1575.42MHz信號(hào)，通過其兩級(jí)下變頻后轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)。第1級(jí)片內(nèi)鎖相環(huán)產(chǎn)生2456MHz本振信號(hào)與接收到的1575.42MHz混頻為881MHz的第1級(jí)中頻信號(hào)；第2級(jí)是將第1級(jí)產(chǎn)生的881MHz中頻信號(hào)與本振頻率為927MHz本振信號(hào)混頻為46.42MHz，即輸出模擬中頻信號(hào)。
模塊輸出頻率的-3dB帶外抑制為同信號(hào)帶寬，輸出電平各路均為0dBm±1dB/50Ω。同時(shí)該模塊集成10MHz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±5×10-7Hz，與數(shù)字化模塊采用反級(jí)性公頭天線接口連接，并實(shí)現(xiàn)物理屏蔽隔離，有效的降低高頻模擬與數(shù)字電路之間的噪聲，使信號(hào)質(zhì)量得到進(jìn)一步的優(yōu)化。自動(dòng)增益控制(AGC)也是射頻前端重要的組成部分，其作用是當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持射頻前端輸出電壓幾乎不變。作為一種反饋控制環(huán)路，其基本組成為AGC檢波、低通濾波、直流放大三部分。
延遲映射接收機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)IFR和IFL進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而輸出直射數(shù)字采樣信號(hào)IFDR和回波數(shù)字采樣信號(hào)IFDL。
直射信號(hào)處理模塊對(duì)接收的IFDR進(jìn)行捕獲、跟蹤，當(dāng)跟蹤衛(wèi)星多于4顆時(shí)可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的定位，輸出導(dǎo)航定位解信息FB給任務(wù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理；另一方面將處于跟蹤狀態(tài)的1～12個(gè)直射通道的數(shù)字中頻信號(hào)FA輸出給回波信號(hào)處理模塊。
回波信號(hào)處理模塊首先依據(jù)任務(wù)監(jiān)控工作站中任務(wù)規(guī)劃訂制的通道信息IDn(n表示1，2，…，12個(gè)通道)對(duì)其進(jìn)行通道配置，然后將FA經(jīng)時(shí)間延遲和多譜勒頻移后的信號(hào)與IFDL進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)延多譜勒二維相關(guān)功率FD輸出給任務(wù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理模塊。
在本發(fā)明中，F(xiàn)PGA芯片EP2S60F672C5主要作為直射通道與反射通道專用相關(guān)器和模塊接口邏輯控制使用，其中包括12個(gè)直射通道專用相關(guān)器和12個(gè)反射通道專用相關(guān)器。DSP芯片TMS320C6713BGDP300主要完成信號(hào)處理工作和直射信號(hào)和反射信號(hào)的通道及環(huán)路控制功能。
二、任務(wù)監(jiān)控工作站 任務(wù)監(jiān)控工作站包括顯示器、任務(wù)監(jiān)控工控機(jī)、數(shù)據(jù)處理工控機(jī)和切換器。
在本發(fā)明中，任務(wù)監(jiān)控工控機(jī)第一方面輸出通道信息IDn對(duì)回波信號(hào)處理模塊進(jìn)行通道配置； 第二方面接收導(dǎo)航定位解信息FB和二維相關(guān)功率FD，并通過顯示器中的圖形顯示來，對(duì)GNSS-R微波遙感器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控； 第三方面對(duì)載機(jī)的飛行航線進(jìn)行監(jiān)控； 第四方面對(duì)導(dǎo)航定位解信息FB和二維相關(guān)功率FD分別進(jìn)行野值剔除處理后輸出修正后導(dǎo)航定位解NFB、二維相關(guān)功率NFD。
在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)處理工控機(jī)通過雙串口接收直射數(shù)字采樣信號(hào)IFDR和回波數(shù)字采樣信號(hào)IFDL，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
在本發(fā)明中，小型化任務(wù)監(jiān)控工作站的技術(shù)難點(diǎn)在于使用一套鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器對(duì)任務(wù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理兩臺(tái)工控機(jī)進(jìn)行分時(shí)管理和操作。采用一分二多功能切換器將工業(yè)化顯示器和一套鍵盤、鼠標(biāo)與兩臺(tái)工控機(jī)連接，用戶通過外部設(shè)計(jì)的雙按鈕結(jié)構(gòu)可方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)2臺(tái)工控機(jī)計(jì)算與顯示內(nèi)容的切換控制。
本發(fā)明的任務(wù)監(jiān)控工作站能夠?yàn)镚NSS-R微波遙感器提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、任務(wù)規(guī)劃與狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理保障。在遙感器實(shí)時(shí)輸出串口數(shù)據(jù)的正確讀取與存儲(chǔ)，利用顯示器中設(shè)置的任務(wù)監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站進(jìn)行通信、并記錄數(shù)據(jù)的圖形化回放顯示、后臺(tái)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等，與遙感器實(shí)現(xiàn)了一體化集成。
三、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站由計(jì)算機(jī)(也稱A計(jì)算機(jī))和運(yùn)行在該A計(jì)算機(jī)中的海洋環(huán)境要素計(jì)算程序組成，所述的海洋環(huán)境要素計(jì)算程序包括有數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、要素反演模塊(海面風(fēng)場反演、海面高程反演和有效波高反演)和成像處理模塊。
參見圖2所示，在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括有接收機(jī)天線位置估算模型、GNSS衛(wèi)星內(nèi)插模型、海面觀測點(diǎn)位置計(jì)算模型、路徑延遲模型和多普勒頻移模型。
將從GNSS-R微波遙感器輸出的修正二維相關(guān)功率NFD數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)整與篩選噪聲濾波處理，以提高NFD中數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性。將修正導(dǎo)航定位解NFB分別進(jìn)行接收天線位置估算、導(dǎo)航衛(wèi)星位置內(nèi)插、海面觀測點(diǎn)位置計(jì)算、多普勒頻移計(jì)算、信號(hào)路徑延遲計(jì)算等處理，從而為要素反演模塊和成像處理模塊提供精確的參數(shù)。接收機(jī)天線位置模塊 接收機(jī)左旋天線位置估算模型為 接收機(jī)右旋天線位置估算模型為 角標(biāo)L為左旋天線(LHCP)； 角標(biāo)R為右旋天線(RHCP)；


分別為左旋天線和右旋天線估算坐標(biāo)； (XLD，YLD，ZLD)、(XRD，YRD，ZRD)分別為左旋、右旋天線與雙頻接收機(jī)天線之間的位移；

為接收機(jī)偽距差分坐標(biāo)； MLR為機(jī)體空間旋轉(zhuǎn)矩陣MLR＝[cosθ+(1-cosθ)x2，隨機(jī)體姿態(tài)變化而變化。



為旋轉(zhuǎn)角，為旋轉(zhuǎn)軸的方向矢量。
GNSS衛(wèi)星內(nèi)插模型 在本發(fā)明中，采用切比雪夫多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)GNSS衛(wèi)星位置的內(nèi)插運(yùn)算，設(shè)插值的初始時(shí)刻為t0，擬合時(shí)間長度為Δt，首先將計(jì)算GNSS衛(wèi)星位置的時(shí)刻t歸化到[-1，1]區(qū)間，則歸化時(shí)刻τ有，且t∈[t0，t0+Δt]；則衛(wèi)星坐標(biāo)(x(τ)，y(τ)，z(τ)，)的切比雪夫參數(shù)方程為n表示多項(xiàng)式的階數(shù)，i表示所需計(jì)算的項(xiàng)數(shù)，Cxi，Cyi，Czi表示多項(xiàng)式系數(shù)，Ti(τ)表示切比雪夫參數(shù)的遞推中間量。
則Ti(τ)的遞推關(guān)系式為Tn(τ)表示第n個(gè)切比雪夫參數(shù)的遞推量。
在本發(fā)明中，利用Ti(τ)的遞推關(guān)系式求出遞推矩陣n表示多項(xiàng)式的階數(shù)，m表示差值基點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
式中，τ1，τ2，…，τm為給定時(shí)刻，設(shè)系數(shù)矩陣坐標(biāo)矩陣則有A＝B·C。根據(jù)最小二乘原理，可得系數(shù)矩陣為C＝(BT·B)-1·B·A。將該系數(shù)矩陣C＝(BT·B)-1·B·A引入至切比雪夫參數(shù)方程 中計(jì)算出在區(qū)間[t0，t0+Δt]內(nèi)任意時(shí)刻的GNSS衛(wèi)星位置(x(τ)，y(τ)，z(τ))。
海面觀測點(diǎn)位置計(jì)算模型 在假定地球?yàn)橐粋€(gè)理想球體和不考慮地面起伏的條件下，只需知道GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)位置即可由空間幾何關(guān)系求得海面觀測點(diǎn)位置。
海面觀測點(diǎn)(也稱鏡面反射點(diǎn))是到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離之和最小的海面散射點(diǎn)。因GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)和鏡面反射點(diǎn)在同一平面內(nèi)，其空間幾何關(guān)系如圖3所示。圖中，T，R，S，O分別表示GNSS衛(wèi)星發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、鏡面反射點(diǎn)和地心；

分別為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和鏡面反射點(diǎn)的矢量表示；H，h，γ分別為發(fā)射機(jī)高度、接收機(jī)高度和GNSS衛(wèi)星相對(duì)于局部海平面的高度角。
鏡面反射點(diǎn)在如圖3所示的空間幾何關(guān)系為 ，式中， (XT，YT，ZT)，(XR，YR，ZR)，(XS，YS，ZS)分別為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和海面散射點(diǎn)在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。當(dāng)且僅當(dāng)上式取得最小值時(shí)，(XS，YS，ZS)為鏡面點(diǎn)。ρ表示信號(hào)經(jīng)海面觀測點(diǎn)到達(dá)接收機(jī)的路徑。(LS，BS)是海面散射點(diǎn)(即海面觀測點(diǎn))在大地坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo) 其中，a表示地球橢體的長半軸，b表示地球橢體的短半軸，N為參考橢球體卯酉圈曲率半徑，且e表示地球橢球體的偏心率。
多普勒頻移模型 多普勒頻移是由于發(fā)射機(jī)與散射點(diǎn)、以及接收機(jī)與散射點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。在地面局部坐標(biāo)系統(tǒng)下，位于水平面上的任一散射點(diǎn)在某一時(shí)刻t所對(duì)應(yīng)的多普勒頻移計(jì)算模型為其中，

為散射點(diǎn)位置矢量，

分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的速度矢量，

為信號(hào)入射方向和散射方向的單位矢量，λ為GNSS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的載波波長。
路徑延遲模型 在地面坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)路徑延遲的計(jì)算。設(shè)局部海平面上某一散射點(diǎn)為

則路徑延遲模型為式中，

為接收機(jī)位置矢量，

為GNSS衛(wèi)星位置矢量，c電磁波傳播速度，取3.0×108米/秒。
當(dāng)

為鏡面點(diǎn)時(shí)，路徑延遲為 A計(jì)算機(jī)的最低配置為CPUPIII 500MHz以上；內(nèi)存256MB系統(tǒng)內(nèi)存及以上，最大支持內(nèi)存4GB；硬盤容量＞250G；顯卡標(biāo)準(zhǔn)VGA，24位真彩色；光驅(qū)、鼠標(biāo)。Windows2000/XP/2003/Vista的操作系統(tǒng)。
成像處理模塊 在本發(fā)明中，根據(jù)界面(參見圖5所示)輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)，在A計(jì)算機(jī)中顯示出二維和三維相關(guān)功率構(gòu)形圖(參見圖5A所示)。
要素反演模塊 在本發(fā)明中，要素反演根據(jù)界面(參見圖4所示)輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)，在A計(jì)算機(jī)中進(jìn)行下列功能反演 (A)風(fēng)場反演風(fēng)場反演包括有風(fēng)速和風(fēng)向計(jì)算，反演結(jié)果可以通過具有理論功率曲線進(jìn)行表征。如圖4A所示，圖中的相關(guān)功率曲線能夠較為直觀地顯示出不同風(fēng)速和風(fēng)向情況下的差別。
(B)海面測高反演海面測高反演包括有海面的相對(duì)高程和動(dòng)力高度反演，反演結(jié)果可以通過具有理論功率曲線進(jìn)行表征。如圖4B所示，圖中曲線表示出相對(duì)高程的反演結(jié)果。
相對(duì)高程反演具有計(jì)算平均海平面相對(duì)高程功能。
動(dòng)力高度反演具有計(jì)算觀測點(diǎn)相對(duì)于平均觀測海平面高程功能。
(C)海浪有效波高反演具有有效波高等海浪要素反演功能。反演結(jié)果可以應(yīng)用模式函數(shù)參數(shù)進(jìn)行表征，如圖4C所示。
四、仿真分析工作站 仿真分析工作站由計(jì)算機(jī)(也稱B計(jì)算機(jī))和運(yùn)行在該B計(jì)算機(jī)中的GNSS-R仿真程序組成，所述的GNSS-R仿真程序包括有參數(shù)設(shè)置模塊、模型選擇模塊和仿真計(jì)算模塊。模型選擇模塊包括有海面入射信號(hào)仿真模型、海面散射信號(hào)仿真和遙感器采集信號(hào)仿真模型。在本發(fā)明中，每選取一個(gè)模型則對(duì)應(yīng)有相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，該參數(shù)設(shè)置通過界面(參見圖6所示)進(jìn)行數(shù)字登錄。
GNSS-R信號(hào)傳輸路徑見圖6A。仿真分析系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)定、模型選擇、仿真計(jì)算，輸出GNSS-R遙感探測全流程仿真數(shù)據(jù)。
海面入射信號(hào)仿真模型 入射信號(hào)功率計(jì)算計(jì)算入射信號(hào)經(jīng)過大氣衰減后到達(dá)海面時(shí)的功率。
入射角計(jì)算入射信號(hào)相對(duì)地球橢球的入射角。
入射信號(hào)載噪比計(jì)算根據(jù)相應(yīng)信噪比計(jì)算模型到達(dá)海面的入射信號(hào)載噪比。
海面散射信號(hào)仿真模型 海面坡度密度計(jì)算在設(shè)定的海況條件、GNSS衛(wèi)星參數(shù)、接收平臺(tái)參數(shù)、海浪譜模型和散射模型的條件下，計(jì)算海面散射區(qū)域內(nèi)海面坡度概率密度的分布，如圖6B所示。海面坡度密度計(jì)算關(guān)系其中sx、sy分別為沿x、y方向的海面坡度；σsx2、σsy2和bx，y分別為沿x、y方向的坡度均方差和協(xié)方差。
前向散射系數(shù)計(jì)算在設(shè)定的海況條件、GNSS衛(wèi)星參數(shù)、接收平臺(tái)參數(shù)、海浪譜模型和散射模型的條件下，計(jì)算海面散射區(qū)域內(nèi)前向散射系數(shù)的分布，如圖6C所示。前向散射系數(shù)計(jì)算關(guān)系R(r)為r＝(x，y)處的菲涅爾反射系數(shù)；Ppdf為海面坡度分布的概率密度函數(shù)(PDF)；q為散射矢量，其表達(dá)式為其中k＝2π/λ為GNSS載波波數(shù)；qx，qy，qz分別為散射矢量的x，y，z分量；q⊥＝(qx，qy)表示散射矢量的水平分量；

分別為發(fā)射器T到散射點(diǎn)S，散射點(diǎn)S到接收器R的單位矢量，其具體表示式為Rt＝|S-T|和Rr＝|R-S|分別是發(fā)射器和接收器到散射點(diǎn)的距離。
海面散射信號(hào)相關(guān)計(jì)算在設(shè)定的海況條件、GNSS衛(wèi)星參數(shù)、接收平臺(tái)參數(shù)、海浪譜模型和散射模型的條件下，海面散射區(qū)域內(nèi)散射信號(hào)的定性分析(極化方式、功率大小和散射方向)，如圖6D所示。海面散射信號(hào)相關(guān)計(jì)算關(guān)系從菲涅爾反射系數(shù)計(jì)算極化方式，式中，RVV、RHH分別為豎直和水平極化反射系數(shù)，ε為海水的復(fù)介電常數(shù)；θ為電磁波發(fā)射源的高度角。
遙感器采集信號(hào)仿真模型 天線增益計(jì)算軟件仿真所用的左旋天線增益為12dB，波束角30度(廠家在提供時(shí)的產(chǎn)品說明書中有)。
相關(guān)功率等延遲二維計(jì)算在設(shè)定的仿真條件下，直射和散射信號(hào)相關(guān)功率波形峰值的延遲量；散射信號(hào)的時(shí)間延遲(相對(duì)于鏡面點(diǎn))-相關(guān)功率二維曲線。(參見圖6E所示) 相關(guān)功率多普勒二維計(jì)算在設(shè)定的仿真條件下，直射和散射信號(hào)相關(guān)功率波形峰值對(duì)應(yīng)的多普勒頻率；散射信號(hào)的多普勒頻移(相對(duì)于鏡面點(diǎn))-相關(guān)功率二維曲線。(參見圖6F所示) B計(jì)算機(jī)的最低配置為CPUPIII 500MHz以上；內(nèi)存256MB系統(tǒng)內(nèi)存及以上，最大支持內(nèi)存4GB；硬盤容量＞250G；顯卡標(biāo)準(zhǔn)VGA，24位真彩色；光驅(qū)、鼠標(biāo)。Windows2000/XP/2003/Vista的操作系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于該機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)包括GNSS-R微波遙感器、任務(wù)監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站和仿真分析工作站四部分內(nèi)容；
GNSS-R微波遙感器具有多源導(dǎo)航衛(wèi)星直射和回波散射信號(hào)同步接收、海量原始信號(hào)采樣與相關(guān)處理、導(dǎo)航定位求解、不同時(shí)延/多普勒頻移/相關(guān)功率計(jì)算、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出功能；
任務(wù)監(jiān)控工作站具有對(duì)GNSS-R微波遙感器工作模式和參數(shù)設(shè)定、任務(wù)規(guī)劃、遙感器采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能；
數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站具有海面觀測點(diǎn)位置和信號(hào)路徑延遲計(jì)算、不同時(shí)延多普勒相關(guān)功率譜成像處理及海面風(fēng)場、有效波高、海面高程的海洋環(huán)境要素反演功能；
仿真分析工作站通過參數(shù)輸入、模型選擇、數(shù)值計(jì)算，具有遙感探測幾何關(guān)系、海面入射信號(hào)、海面散射回波信號(hào)、遙感器采集信號(hào)模擬功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于GNSS-R微波遙感器包括有右旋天線、左旋天線和延遲映射接收機(jī)，所述延遲映射接收機(jī)包括有雙射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、直射信號(hào)處理模塊和回波信號(hào)處理模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于左旋天線為四陣列天線，能夠滿足500m～8000m航空遙感高度對(duì)海面回波信號(hào)的有效接收。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于延遲映射接收機(jī)采用FPGA芯片+DSP芯片+編程構(gòu)成；FPGA芯片選取EP2S60F672C5型號(hào)，DSP芯片選取TMS320C6713BGDP300型號(hào)；編程使用DK-DSP-2S60-N開發(fā)工具，在Quartus II軟件環(huán)境下，采用Verlog硬件描述語言開發(fā)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于右旋天線對(duì)接收到的GNSS衛(wèi)星的L波段的直射信號(hào)，并將該直射信號(hào)進(jìn)行增益放大后形成右旋圓極化信號(hào)RFR輸出給雙射頻前端；左旋天線對(duì)接收到的海面反射GNSS衛(wèi)星的L波段的回波信號(hào)，并將該回波信號(hào)進(jìn)行增益放大后形成左旋圓極化信號(hào)RFL輸出給雙射頻前端；雙射頻前端具有雙輸入結(jié)構(gòu)，一方面對(duì)右旋圓極化信號(hào)RFR進(jìn)行變頻、放大和濾波處理后輸出直射信號(hào)的模擬中頻信號(hào)IFR；另一方面左旋圓極化信號(hào)RFL進(jìn)行變頻、放大和濾波處理后輸出回波信號(hào)的模擬中頻信號(hào)IFL；延遲映射接收機(jī)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)IFR和IFL進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而輸出直射數(shù)字采樣信號(hào)IFDR和回波數(shù)字采樣信號(hào)IFDL；直射信號(hào)處理模塊對(duì)接收的IFDR進(jìn)行捕獲、跟蹤，當(dāng)跟蹤衛(wèi)星多于4顆時(shí)可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的定位，輸出導(dǎo)航定位解信息FB給任務(wù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理；另一方面將處于跟蹤狀態(tài)的1～12個(gè)直射通道的數(shù)字中頻信號(hào)FA輸出給回波信號(hào)處理模塊；回波信號(hào)處理模塊首先依據(jù)任務(wù)監(jiān)控工作站中任務(wù)規(guī)劃訂制的通道信息IDn對(duì)其進(jìn)行通道配置，然后將FA經(jīng)時(shí)間延遲和多譜勒頻移后的信號(hào)與IFDL進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)延多譜勒二維相關(guān)功率FD輸出給任務(wù)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于任務(wù)監(jiān)控工作站包括顯示器、任務(wù)監(jiān)控工控機(jī)、數(shù)據(jù)處理工控機(jī)和切換器；任務(wù)監(jiān)控工控機(jī)第一方面輸出通道信息IDn對(duì)回波信號(hào)處理模塊進(jìn)行通道配置；第二方面接收導(dǎo)航定位解信息FB和二維相關(guān)功率FD，并通過顯示器中的圖形顯示來，對(duì)GNSS-R微波遙感器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；第三方面對(duì)載機(jī)的飛行航線進(jìn)行監(jiān)控；第四方面對(duì)導(dǎo)航定位解信息FB和二維相關(guān)功率FD分別進(jìn)行野值剔除處理后輸出修正后導(dǎo)航定位解NFB、二維相關(guān)功率NFD；數(shù)據(jù)處理工控機(jī)通過雙串口接收直射數(shù)字采樣信號(hào)IFDR和回波數(shù)字采樣信號(hào)IFDL，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站由計(jì)算機(jī)和運(yùn)行在該計(jì)算機(jī)中的海洋環(huán)境要素計(jì)算程序組成，所述的海洋環(huán)境要素計(jì)算程序包括有數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、海面風(fēng)場反演、海面高程反演和有效波高反演和成像處理模塊；數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊包括有接收機(jī)天線位置估算模型、GNSS衛(wèi)星內(nèi)插模型、海面觀測點(diǎn)位置計(jì)算模型、路徑延遲模型和多普勒頻移模型；
接收機(jī)左旋天線位置估算模型為
接收機(jī)右旋天線位置估算模型為
GNSS衛(wèi)星內(nèi)插模型采用切比雪夫多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)GNSS衛(wèi)星位置的內(nèi)插運(yùn)算，設(shè)插值的初始時(shí)刻為t0，擬合時(shí)間長度為Δt，首先將計(jì)算GNSS衛(wèi)星位置的時(shí)刻t歸化到[-1，1]區(qū)間，則歸化時(shí)刻τ有且t∈[t0，t0+Δt]；則衛(wèi)星坐標(biāo)(x(τ)，y(τ)，z(τ)，)的切比雪夫參數(shù)方程為n表示多項(xiàng)式的階數(shù)，i表示所需計(jì)算的項(xiàng)數(shù)，Cxi，Cyi，Czi表示多項(xiàng)式系數(shù)，Ti(τ)表示切比雪夫參數(shù)的遞推中間量；
則Ti(τ)的遞推關(guān)系式為Tn(τ)表示第n個(gè)切比雪夫參數(shù)的遞推量；
利用Ti(τ)的遞推關(guān)系式求出遞推矩陣n表示多項(xiàng)式的階數(shù)，m表示差值基點(diǎn)的個(gè)數(shù)；
式中，τ1，τ2，...，τm為給定時(shí)刻，設(shè)系數(shù)矩陣坐標(biāo)矩陣則有A＝B·C；根據(jù)最小二乘原理，可得系數(shù)矩陣為C＝(BT·B)-1·B·A；將該系數(shù)矩陣C＝(BT·B)-1·B·A引入至切比雪夫參數(shù)方程中計(jì)算出在區(qū)間[t0，t0+Δt]內(nèi)任意時(shí)刻的GNSS衛(wèi)星位置(x(τ)，y(τ)，z(τ))；
海面觀測點(diǎn)位置計(jì)算模型中的海面觀測點(diǎn)是到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離之和最小的海面散射點(diǎn)；因GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)和鏡面反射點(diǎn)在同一平面內(nèi)；
鏡面反射點(diǎn)的空間幾何關(guān)系為
式中，(XT，YT，ZT)，(XR，YR，ZR)，(XS，YS，ZS)分別為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和海面散射點(diǎn)在地心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；當(dāng)且僅當(dāng)上式取得最小值時(shí)，(XS，YS，ZS)為鏡面點(diǎn)；ρ表示信號(hào)經(jīng)海面觀測點(diǎn)到達(dá)接收機(jī)的路徑；(LS，BS)是海面散射點(diǎn)在大地坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)
其中，a表示地球橢體的長半軸，b表示地球橢體的短半軸，N為參考橢球體卯酉圈曲率半徑，且e表示地球橢球體的偏心率；
多普勒頻移是由于發(fā)射機(jī)與散射點(diǎn)、以及接收機(jī)與散射點(diǎn)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的；在地面局部坐標(biāo)系統(tǒng)下，位于水平面上的任一散射點(diǎn)在某一時(shí)刻t所對(duì)應(yīng)的多普勒頻移計(jì)算模型為其中，
為散射點(diǎn)位置矢量，
分別為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的速度矢量，
為信號(hào)入射方向和散射方向的單位矢量，λ為GNSS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的載波波長；
路徑延遲模型在地面坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)路徑延遲的計(jì)算；設(shè)局部海平面上某一散射點(diǎn)為
則路徑延遲模型為式中，
為接收機(jī)位置矢量，
為GNSS衛(wèi)星位置矢量，c電磁波傳播速度，取3.0×108米/秒；
當(dāng)
為鏡面點(diǎn)時(shí)，路徑延遲為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，其特征在于仿真分析工作站由計(jì)算機(jī)和運(yùn)行在該計(jì)算機(jī)中的GNSS-R仿真程序組成，所述的GNSS-R仿真程序包括有參數(shù)設(shè)置模塊、模型選擇模塊和仿真計(jì)算模塊；模型選擇模塊包括有海面入射信號(hào)仿真模型、海面散射信號(hào)仿真和遙感器采集信號(hào)仿真模型；仿真分析系統(tǒng)通過參數(shù)設(shè)定、模型選擇、仿真計(jì)算，輸出GNSS-R遙感探測全流程仿真數(shù)據(jù)；
海面入射信號(hào)仿真模型
入射信號(hào)功率計(jì)算計(jì)算入射信號(hào)經(jīng)過大氣衰減后到達(dá)海面時(shí)的功率；
入射角計(jì)算入射信號(hào)相對(duì)地球橢球的入射角；
入射信號(hào)載噪比計(jì)算根據(jù)相應(yīng)信噪比計(jì)算模型到達(dá)海面的入射信號(hào)載噪比；
海面散射信號(hào)仿真模型
海面坡度密度計(jì)算在設(shè)定的海況條件、GNSS衛(wèi)星參數(shù)、接收平臺(tái)參數(shù)、海浪譜模型和散射模型的條件下，計(jì)算海面散射區(qū)域內(nèi)海面坡度概率密度的分布；海面坡度密度計(jì)算關(guān)系其中sx、sy分別為沿x、y方向的海面坡度；σsx2、σsy2和bx，y分別為沿x、y方向的坡度均方差和協(xié)方差；
前向散射系數(shù)計(jì)算在設(shè)定的海況條件、GNSS衛(wèi)星參數(shù)、接收平臺(tái)參數(shù)、海浪譜模型和散射模型的條件下，計(jì)算海面散射區(qū)域內(nèi)前向散射系數(shù)的分布；前向散射系數(shù)計(jì)算關(guān)系R(r)為r＝(x，y)處的菲涅爾反射系數(shù)；Ppdf為海面坡度分布的概率密度函數(shù)(PDF)；q為散射矢量，其表達(dá)式為其中k＝2π/λ為GNSS載波波數(shù)；qx，qy，qz分別為散射矢量的x，y，z分量；q⊥＝(qx，qy)表示散射矢量的水平分量；
分別為發(fā)射器T到散射點(diǎn)S，散射點(diǎn)S到接收器R的單位矢量，其具體表示式為Rt＝|S-T|和Rr＝|R-S|分別是發(fā)射器和接收器到散射點(diǎn)的距離；
海面散射信號(hào)相關(guān)計(jì)算在設(shè)定的海況條件、GNSS衛(wèi)星參數(shù)、接收平臺(tái)參數(shù)、海浪譜模型和散射模型的條件下，海面散射區(qū)域內(nèi)散射信號(hào)的定性分析；海面散射信號(hào)相關(guān)計(jì)算關(guān)系從菲涅爾反射系數(shù)計(jì)算極化方式，式中，RVV、RHH分別為豎直和水平極化反射系數(shù)，ε為海水的復(fù)介電常數(shù)；θ為電磁波發(fā)射源的高度角；
遙感器采集信號(hào)仿真模型
天線增益計(jì)算軟件仿真所用的左旋天線增益為12dB，波束角30度；
相關(guān)功率等延遲二維計(jì)算在設(shè)定的仿真條件下，直射和散射信號(hào)相關(guān)功率波形峰值的延遲量；散射信號(hào)的時(shí)間延遲-相關(guān)功率二維曲線；
相關(guān)功率多普勒二維計(jì)算在設(shè)定的仿真條件下，直射和散射信號(hào)相關(guān)功率波形峰值對(duì)應(yīng)的多普勒頻率；散射信號(hào)的多普勒頻移-相關(guān)功率二維曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號(hào)源的機(jī)載海洋微波遙感系統(tǒng)，GNSS-R遙感器接收和處理導(dǎo)航衛(wèi)星直射和海面回波信號(hào)，輸出不同時(shí)延多普勒相關(guān)功率和導(dǎo)航定位解；任務(wù)監(jiān)控工作站進(jìn)行航路規(guī)化、遙感器任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理；數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用工作站對(duì)遙感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、規(guī)整、降噪預(yù)處理，將處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理和要素反演得到海面風(fēng)場、海面高程、有效波高等海洋環(huán)境監(jiān)測信息；仿真分析工作站提供GNSS-R全路徑仿真信號(hào)。本發(fā)明系統(tǒng)有效解決了目前海洋微波遙感設(shè)備缺乏、數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)效性不高等問題，將為有人/無人機(jī)航空平臺(tái)提供全天候、全天時(shí)、多信號(hào)源、寬覆蓋、高時(shí)空分辨率的新型任務(wù)設(shè)備及處理分析手段。
文檔編號(hào)G01S13/00GK101833090SQ20101012296
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者李紫薇, 周曉中, 顧行發(fā), 張紅雷, 王晉年, 楊東凱, 張益強(qiáng), 路勇, 楊曉峰, 周翔, 于暘, 葉小敏, 劉書明, 李偉強(qiáng), 王炎, 周雅楠, 李明里 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所