本發(fā)明涉及一種提取海面衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(hào)的相干觀測(cè)量的方法，可用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)反射信號(hào)進(jìn)行海面高度監(jiān)測(cè)，屬于海洋氣象監(jiān)測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)在國(guó)家的社會(huì)、軍事和經(jīng)濟(jì)生活發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。在眾多的GNSS應(yīng)用領(lǐng)域中，利用GNSS經(jīng)過(guò)反射后的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)(GNSS‐R)，對(duì)反射面的物理特性和參數(shù)進(jìn)行反演已經(jīng)成為導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的新的研究熱點(diǎn)，主要應(yīng)用包括海面高度、海浪、海風(fēng)、海水鹽度、海冰、土壤濕度、森林覆蓋、移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)等。

海平面高度是海洋的重要參數(shù)，也是海洋氣象監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)領(lǐng)域一直的關(guān)注重點(diǎn)之一。利用GNSS反射信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的驗(yàn)潮儀已經(jīng)成為一種新興的技術(shù)手段。利用GNSS反射信號(hào)進(jìn)行海面測(cè)高主要是通過(guò)布設(shè)接收機(jī)天線連續(xù)接收導(dǎo)航直射信號(hào)和海面反射信號(hào)，根據(jù)反射信號(hào)和直射信號(hào)之間的路徑傳播時(shí)延，利用GNSS衛(wèi)星、接收機(jī)以及反射信號(hào)在海面的鏡面反射點(diǎn)進(jìn)行反演，從而得到接收機(jī)天線距離地球參考面的高度，將該高度減去所接收機(jī)的高度而獲得海平面高度。GNSS‐R測(cè)高儀獲取反射信號(hào)和直射信號(hào)之間的路徑傳播時(shí)延主要有兩個(gè)途徑，一是利用直射信號(hào)的碼相位與反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，通過(guò)尋找相關(guān)的峰值對(duì)應(yīng)的碼延遲來(lái)獲得時(shí)延，另外一種是直接將反射信號(hào)和直射信號(hào)的載波相位相減來(lái)獲得時(shí)延。由于擴(kuò)頻碼碼長(zhǎng)較長(zhǎng)的特性，基于碼延遲的GNSS‐R測(cè)高儀所獲得的海面高度精度不高；而由于載波波長(zhǎng)較短，基于反射信號(hào)和直射信號(hào)的載波相位的GNSS‐R測(cè)高儀可以獲得較高的精度。以往的載波相位觀測(cè)量的GNSS‐R測(cè)高儀采用的是直接將反射信號(hào)相位與直接信號(hào)相位相減而獲取時(shí)延，由于導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)海面反射后的反射信號(hào)觀測(cè)量存在著非相干和相干觀測(cè)量，非相干觀測(cè)量影響著海面測(cè)高的精度，特別是在海風(fēng)比較大的粗糙海面測(cè)高精度影響嚴(yán)重。

本發(fā)明提出一種提取海面衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(hào)的相干觀測(cè)量的方法。首先，將接收到反射信號(hào)的同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)進(jìn)行移動(dòng)平均濾波；將超過(guò)幅度閾值的觀測(cè)量濾除；然后進(jìn)行連續(xù)相位和相位均勻分布的并行搜索，根據(jù)所設(shè)置的相位搜索閾值剔除非相干分量，最后獲得可用于海面測(cè)高的相干觀測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種提取海面衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(hào)的相干觀測(cè)量的方法。它是一種可接收和處理某

一海面區(qū)域內(nèi)可視衛(wèi)星的反射信號(hào)的相干觀測(cè)量。首先，將接收到反射信號(hào)的同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)進(jìn)行移動(dòng)平均濾波；將超過(guò)幅度閾值的觀測(cè)量濾除；然后進(jìn)行連續(xù)相位和相位均勻分布的并行搜索，根據(jù)所設(shè)置的相位搜索閾值剔除非相干分量，最后獲得可用于海面測(cè)高的相干觀測(cè)量。

步驟一：將接收到反射信號(hào)的同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)通過(guò)移動(dòng)平均濾波器濾除噪聲，由于移動(dòng)平均濾波器是一個(gè)低通濾波器，為了避免濾除有用的高頻率信息，需要嚴(yán)格控制移動(dòng)平均濾波器所用的采樣個(gè)數(shù)；

步驟二：通過(guò)設(shè)置同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)所獲得的振幅閾值，將低于閾值的觀測(cè)量剔除，隨時(shí)間變化的觀測(cè)量振幅A(t)采用如下計(jì)算公式

$A\left(t\right)=\sqrt{I^2\left(t\right)+Q^2\left(t\right)}---\left(1\right);$

步驟三：進(jìn)行連續(xù)相位和相位均勻分布的并行搜索，隨時(shí)間變化的觀測(cè)量相位采用反正切公式

在并行搜索的過(guò)程中，需要遵守如下兩個(gè)原則：1)隨時(shí)間變化的觀測(cè)量相位在四象限復(fù)平面的變化順序只能是升序或降序，順序可為i.e.I，II，III，IV，I，II...或IV，III，II，I，IV，III...；2)每個(gè)象限的相位采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)均勻分布，假設(shè)四個(gè)象限總的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，每個(gè)象限的采樣點(diǎn)需保持在N_q＝N/4±0.1N。

步驟四：通過(guò)連續(xù)相位和相位均勻分布的并行搜索，判斷是否滿足相位升序或降序、采樣點(diǎn)是否滿足上述均勻分布原則，若不滿足則重新進(jìn)行并行搜索；并行搜索所獲得的相干觀測(cè)量采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)需要滿足測(cè)高系統(tǒng)時(shí)間分辨率的要求，假設(shè)測(cè)高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為T(mén)，同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)的采樣率為m Hz，則相干觀測(cè)量采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)K需滿足：

K≥T·m (3)；

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的提取海面衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(hào)的相干觀測(cè)量的方法，可將導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)海面反射后的反射信號(hào)觀測(cè)量中的非相干剔除，從而可利用相干觀測(cè)量反演獲得高精度的海面測(cè)高結(jié)果，特別是在海風(fēng)比較大的粗糙海面也可獲得高精度的反演結(jié)果。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明的流程框圖。

圖2同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)平面的相位分布圖。

圖3隨時(shí)間變化的相干相位圖。

圖4不同海面風(fēng)速下測(cè)高結(jié)果的均方根誤差(RMSE)圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，本實(shí)施例首先根據(jù)GNSS‐R測(cè)高系統(tǒng)的需求，確定時(shí)間分辨率為T(mén)，同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)的采樣率為m Hz，具體步驟如下：

步驟一：將接收到反射信號(hào)的同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)通過(guò)移動(dòng)平均濾波器濾除噪聲，由于移動(dòng)平均濾波器是一個(gè)低通濾波器，為了避免濾除有用的高頻率信息，需要嚴(yán)格控制移動(dòng)平均濾波器所用的采樣個(gè)數(shù)；

步驟二：通過(guò)設(shè)置同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)所獲得的振幅閾值，將低于閾值的觀測(cè)量剔除，隨時(shí)間變化的觀測(cè)量振幅A(t)采用如下計(jì)算公式

$A\left(t\right)=\sqrt{I^2\left(t\right)+Q^2\left(t\right)}---\left(1\right);$

步驟三：進(jìn)行連續(xù)相位和相位均勻分布的并行搜索，隨時(shí)間變化的觀測(cè)量相位采用反正切公式

在并行搜索的過(guò)程中，需要遵守如下兩個(gè)原則：(1)隨時(shí)間變化的觀測(cè)量相位在四象限復(fù)平面的變化順序只能是升序或降序，順序可為i.e.I，II，III，IV，I，II...或IV，III，II，I，IV，III...；(2)每個(gè)象限的相位采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)均勻分布，假設(shè)四個(gè)象限總的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，每個(gè)象限的采樣點(diǎn)需保持在N_q＝N/4±0.1N。

步驟四：通過(guò)連續(xù)相位和相位均勻分布的并行搜索，判斷是否滿足相位升序或降序、采樣點(diǎn)是否滿足上述均勻分布原則，若不滿足則重新進(jìn)行并行搜索；并行搜索所獲得的相干觀測(cè)量采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)需要滿足測(cè)高系統(tǒng)時(shí)間分辨率的要求，假設(shè)測(cè)高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為T(mén)，同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)的采樣率為m Hz，則相干觀測(cè)量采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)K需滿足：

K≥T·m (3)；

如圖2所示，給出2015年7月1日03:35‐04:35時(shí)間段(UTC時(shí)間)GPS PRN 9衛(wèi)星的同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)平面的相位分布情況，本例測(cè)高系統(tǒng)時(shí)間分辨率為T(mén)＝20分鐘，同相觀測(cè)量(I)和正交相觀測(cè)量(Q)的采樣率為m＝0.1Hz，可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)象限均勻分布，每個(gè)象限的采樣點(diǎn)保持10個(gè)左右，相干觀測(cè)量采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)K＞120。

如圖3所示，給出2015年7月1日03:35‐04:35時(shí)間段(UTC時(shí)間)GPS PRN 9衛(wèi)星隨時(shí)間變化的相干相位圖，可以發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間變化相干相位保持連續(xù)升序。

如圖4所示，采用本發(fā)明提出的提取海面衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(hào)的相干觀測(cè)量的方法，可將導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過(guò)海面反射后的反射信號(hào)觀測(cè)量中的非相干剔除，利用相干觀測(cè)量反演獲得高精度的海面測(cè)高結(jié)果，特別是在海風(fēng)為12-13m/s的粗糙海面獲得2.56cm的精度。