GNSS-R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种GNSS

【技术实现步骤摘要】
GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统


[0001]本专利技术属于卫星测高学、海洋测绘学等交叉
，尤其涉及一种GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法和系统。

技术介绍

[0002]全球导航卫星系统反射计(GNSS
‑
R技术)能够利用GNSS反射信号测量地球表面一系列的物理参数，包括海面风速、海面高度以及土壤湿度等。其中，GNSS
‑
R海面测高作为新型双基地雷达遥感技术，通过测量直接信号和反射信号之间的路径延迟能够获得地球反射面相对于参考椭球面的高度。自从Martin
‑
Neira等在1993年首次提出GNSS
‑
R海面测高概念，该技术已经在地基、机载、卫星等多种平台得到了验证。与传统的雷达高度计相比，GNSS
‑
R海面测高具有成本低、多方位同时观测以及高时空地球覆盖等优势。
[0003]根据获取路径时延的信号处理方式，目前GNSS
‑
R海面测高主要采用cGNSS
‑
R(conventional GNSS
‑
R)测高和iGNSS
‑
R(interferometric GNSS
‑
R)测高。cGNSS
‑
R技术将本地产生的发射信号的复制码经过时延和多普勒频率补偿后与接收到的反射信号进行一定时间(通常为1ms)的交叉相关获得路径时延。目前GNSS信号码结构公开的只有C/A码。但是C/A码带宽(2.046MHz)较低限制了cGNSS
‑
R的测高精度和沿轨空间分辨率。为了克服带宽限制，2011年ESA提出了PARIS IoD任务，旨在实现提出的星载信号干涉处理，即iGNSS
‑
R测高技术。iGNSS
‑
R技术将反射信号与直射信号进行复杂的互相关，这将可以充分使用GNSS发射信号的全功率谱，提高自相关函数的清晰度，从而最大限度地提高测高精度和沿轨空间分辨率。
[0004]测高精度和沿轨空间分辨率是表征iGNSS
‑
R测高性能的关键指标。其中，测高精度可分为测高精确度和测高准确度。测高精确度主要受零均值随机误差影响；测高准确度则主要由附加的随机和确定性误差影响的总绝对测量误差决定。沿轨空间分辨率则表征iGNSS
‑
R测高计沿轨空间采样的能力，可表示为：R
a_t
＝v
SP
·
T
coh
·
N
incoh
(v
SP
表示镜面点沿轨速度；T
coh
表示信号相干积分时间；T
incoh
表示信号非相干累计次数)。通过降低信号积分时间可以提高沿轨空间分辨率，但是由于独立波形采样的数量降低会增加散斑噪声的影响，导致信噪比降低，进而提高镜面点时延的不确定性，最终降低测高精确度和准确度。目前尚未有在轨运行的iGNSS
‑
R测高卫星，但是ESA近些年相继发布了多个iGNSS
‑
R测高任务计划，如PARIS IoD(PARIS In
‑
orbit Demonstrator，2011年提出)、GEROS
‑
ISS(GNSS reflectometry,radio occultation,and scatterometry onboard the International Space Station，2011年提出)；Cookie星座(2016年提出)；G
‑
TERN(GNSS Transpolar Earth Reflectometry exploriNg system，2018年提出)。如图1所示，机载iGNSS
‑
R测高作为星载iGNSS
‑
R测高技术的预研技术，目前已实施了一些中空飞行实验，其中比较典型的是加泰罗尼亚空间科学研究院(IEEC)先后在波罗的海海域实施高度约为3km的两次iGNSS
‑
R飞行任务，分别称为PIRA和SPIR。基于该数据相关学者展开了一系列关于iGNSS
‑
R测高精度和沿轨空间分辨率的研究。2014年，Cardellach等利用PIRA任务数据着重分析了不同信号处理时
表示相干积分与非相干累加平均处理的开始时间，N
incoh
表示非相干累加次数，T
coh
表示相干积分时间，c(nT
coh
,τ)表示复杂波形，t表示时刻，τ表示时延，W(T0+N
incoh
·
T
coh
/2,τ)表示功率波形。
[0019]在上述GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，还包括：在对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理之前，对复杂波形进行对齐；其中，T
coh
＝1s、2s、5s、10s，N
incoh
＝1000。
[0020]在上述GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，包括：
[0021]采用DER算法，估算得到镜面点时延τ
spec
：
[0022][0023]其中，表示从实测波形中计算的导数最大值点对应的时延，表示仿真波形的镜面点时延，表示从仿真波形中计算的导数最大值点对应的时延；
[0024]根据镜面点卫星高度角θ，估算得到对流层延迟τ
trop
：
[0025][0026]其中，H
R
表示iGNSS
‑
R接收机高度，H
trop
表示观测位置的对流层高度；
[0027]基于公式(3)和(4)反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离SSH
spir
：
[0028][0029]其中，τ
antenna
表示天线基线时延误差。
[0030]在上述GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法中，根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度，包括：
[0031]解算得到功率波形的波形信噪比SNR
wf
：
[0032][0033]其中，A
noise
表示功率波形的平均噪声振幅，σ
noise
表示A
noise
的标准差；
[0034]根据SNR
wf
，解算得到测高精确度σ
p
：
[0035][0036]其中，c表示真空中光速，θ
S
表示镜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，包括：步骤1，获取通过SPIR上下天线接收到的原始数据；步骤2，对原始数据进行波束成形和直、反信号互相关处理，得到复杂波形；步骤3，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形；并根据功率波形，解算得到N个镜面点对应的平均测高精确度；步骤4，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离；并根据接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，解算得到N个镜面点对应的平均测高准确度；步骤5，根据重复步骤1～步骤4，得到不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度；步骤6，根据不同信号处理时间得到的平均测高精确度和平均测高准确度，结合沿轨空间分辨率与信号处理时间的关系，得到测高精度对应的沿轨空间分辨率，进而实现GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率的重构。2.根据权利要求1所述的GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，波束成形和直、反信号互相关处理得到的复杂波形数量为：6
×
105个，各复杂波形的相干积分时间为1ms。3.根据权利要求2所述的GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形，包括：按照如下公式(1)和公式(2)，对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理，得到功率波形：W(T0+N
incoh
·
T
coh
/2,τ)＝|w(T0+N
incoh
·
T
coh
/2,τ)|2…
(2)其中，w(T0+N
incoh
·
T
coh
/2,τ)表示经相干积分与非相干累加平均处理后的波形，T0表示相干积分与非相干累加平均处理的开始时间，N
incoh
表示非相干累加次数，T
coh
表示相干积分时间，c(nT
coh
,τ)表示复杂波形，t表示时刻，τ表示时延，W(T0+N
incoh
·
T
coh
/2,τ)表示功率波形。4.根据权利要求3所述的GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，还包括：在对复杂波形进行相干积分与非相干累加平均处理之前，对复杂波形进行对齐；其中，T
coh
＝1s、2s、5s、10s，N
incoh
＝1000。5.根据权利要求3所述的GNSS
‑
R海面测高精度与沿轨空间分辨率重构方法，其特征在于，根据对流层延迟，对镜面点时延进行改正，并反演得到接收机星下点海面到参考椭球面的垂直距离，包括：采用DER算法，估算得到镜面点时延τ
spec
：其中，表示从实测波形中计算的导数最大值点对应的时延，表示仿真波形的镜面点时延，表示从仿真波形中计算的导数最大值点对应的时延...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟，吴凡，刘宗强，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：