一种基于双频反射信号组合的GNSS-R载波相位海面测高的方法技术

本发明专利技术提供一种基于双频反射信号组合的GNSS

【技术实现步骤摘要】
一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法


[0001]本专利技术属于卫星测高学、海洋测绘学等交叉
，尤其是涉及一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法。

技术介绍

[0002]欧空局的Mart
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Neira等人最早提出了双天线GNSS
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R海面测高的概念，并利用GPS L1测距码实现了米极的海面测高经度。山东大学高凡等使用更大的带宽和码率的B1C和B2a信号，实现了分米级的海面测高精度。相比之下，使用载波相位的海岸测高获得了更高的精度。GNSS
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R海面测高中，“瑞利准则”被广泛用于区分光滑表面和粗糙表面。根据该定律，在低仰角下观察到的实际粗糙度被有效地降低。Cardellach等在GNSS反射信号入射角很低的情况下，实现了星载载波相位测高，20Hz采样时，精度为4.1厘米；1Hz采样时，精度为厘米级，与专用雷达高度计相当。然而，对于信号组合，该陈述不成立。只有当L1和L2的单独波长可用时，在平静的池塘实验中才能达到1cm的测高精度。实验中的载波相位测量是通过跟踪L1和L2反射信号单独生成的，这在恶劣的海况下很难实现。Nguyen等利用Spire卫星观测的掠海反射数据，分别采用双频相位观测值，测高精度为3厘米。目前，大多数载波相位测高需要严格的相干条件，通常利用低仰角GNSS信号降低海面粗糙度对GNSS反射信号载波相位的连续跟踪的影响，且风和浪应低于6m/s和1.5m有效波高，极大地限制了其应用领域。
[0003]总的来说，利用载波相位进行海面测高可以达到很高的精度，但是目前对于观测主要是在平静海面低掠角下。虽然部分研究获取了双频观测值，但是并没有采用双频反射信号组合方法提高其实用范围，而如何实现更高卫星高度角和高海况下GNSS
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R载波相位测高是制约其走向实际应用的重要难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要解决当GNSS卫星高度角较高或海面海况较差时，GNSS
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R载波相位无法实现海面测高的问题。该方法利用双频GNSS反射信号间的相关性，通过对双频反射信号进行组合，从而实现干涉载波相位观测值的有效恢复和提取，同时允许更长的相干积分时长，以便获取高精度GNSS
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R载波相位海面测高结果。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法，该方法包括以下步骤：步骤一：处理直射信号；步骤二：建立参考信号；步骤三：反射信号波形生成及复数相关结果提取；步骤四：双频组合干涉相位提取；步骤五：载波相位海面高度反演。
[0006]进一步地，步骤一中所述的“处理直射信号”，其具体实现过程如下：（1）分别利用上视右旋天线接收GNSS直射信号，下视左旋天线接收GNSS反射信号，进行下变频和采样量化；（2）同时对双频直射信号进行处理，采用PLL和DLL三阶跟踪环路，获取双频直射信号的码相位，载波频率，载波相位，导航电文信息；（3）利用多颗GNSS卫星进行定位获取接收机准确位置和大地高，计算GNSS卫星高度角和方位角；（4）根据下视天线安装位置设置方位角范围，选择能够有效接收被海面反射的卫星信号，标记并进行下一步处理。
[0007]进一步地，步骤二中所述的“建立参考信号”，其具体实现过程如下：（1）利用GNSS卫星星历和接收机定位结果，估算镜面反射点的位置；（2）根据镜面反射点位置计算直射信号与反射信号间伪码路径差：（3）根据直射信号和反射信号几何差异，将直射信号和反射信号进行同步，建立本地参考信号；（4）将本地参考信号与反射信号进行相关，实现对反射信号载波的精确跟踪。
[0008]进一步地，步骤三中所述的“反射信号波形生成及复数相关结果提取”，其具体实现过程如下：（1）以参考信号频率为载波频率，参考信号载波相位为载波相位，码相位为中心，前后各取两个码片范围窗口，窗口内以0.1个码片为步长，生成信号集合，与步骤二中完成跟踪的反射信号进行相关，生成反射信号波形：（2）采用一阶导数法，获取反射信号波形上镜面反射点的位置；（3）选择波形前缘距离镜面反射点最近的采样点作为参考点，提取不同频点波形参考点处反射信号干涉复数场的同相和正交分量。
[0009]进一步地，步骤四中所述的“双频组合干涉相位提取”，其具体实现过程如下：（1）对反射信号进行组合；（2）利用长时间相干积分提高信号信噪比；（3）采用四象限反正切函数提取组合信号载波相位观测值；（4）计算载波相位观测值的均方根无差，对粗差进行探测和消除，将载波相位观测值进行解缠，获得连续的载波相位观测值。
[0010]进一步地，步骤五中所述的“载波相位海面高度反演”，其具体实现过程如下：（1）利用步骤二中获得的伪码路径延迟和步骤四中获得的载波延迟，计算整周模糊度；（2）通过步骤一中的卫星高度角，计算海面高度。
[0011]本专利技术的有益效果体现在：（1）本专利技术方法，首先通过直射信号和反射信号间的关系，对反射信号采用开环跟踪方法，保证载波相位跟踪精度，选择反射信号波形上合适的参考点，控制海面反射信号区域的范围；采用信号组合的方法将双频反射信号进行宽带组合，利用同一区域不同频点间反射信号的相关性，削弱海面粗糙度产生的误差，从而改善载波相位测高在高海面粗糙度下的表现，并提高海面平静情况下可用卫星高度角范围；
（2）本专利技术提供的方法可以显著改善载波相位观测值质量，相比于已有GNSS
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R海面测高，本方法采用直射信号辅助的反射信号开环跟踪方法，能够获取包括伪码和载波相位在内的多类观测值：主要包括平静海面下时，能够获取更高卫星高度角范围下的载波相位观测值；当海况较大时，在较低高度角下，能够有效提取并恢复载波相位观测值，并获取高精度海面测高结果。
附图说明
[0012]图1是本专利技术方法的整体流程示意图；图2是本专利技术方法中步骤一到步骤三的具体流程图；图3是本专利技术方法中步骤四到步骤五的具体流程图；图4是本专利技术实施例中直射信号跟踪示意图，其中（a）为L1和L5频点码相位跟踪误差，（b）为L1和L5频点载波相位跟踪误差，（c）为L5频点导频通道和数据通道跟踪结果，（d）为L1和L5频点信噪比；图5是高风速下，播发L1和L5信号的GNSS卫星的卫星高度角变化示意图；图6是本专利技术实施例生成的反射信号波形图；图7是本专利技术实施例GEO卫星单频反射信号和组合信号干涉复数场；图8是本专利技术实施例GEO卫星单频反射信号和组合信号载波相位观测值；图9是本专利技术实施例高海况下载波相位测高结果；图10为岸基实验中获得的海面高度和海面风速。
具体实施方式
[0013]以下结合附图对本专利技术做进一步描述：实施例1参照图1
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图3所示，一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法，基于双频反射信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一：处理直射信号；步骤二：建立参考信号；步骤三：反射信号波形生成及复数相关结果提取；步骤四：双频组合干涉相位提取；步骤五：载波相位海面高度反演。2.根据权利要求1所述的一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法，其特征在于，步骤一中所述的“处理直射信号”，其具体实现过程如下：（1）分别利用上视右旋天线接收GNSS直射信号，下视左旋天线接收GNSS反射信号，进行下变频和采样量化；（2）同时对双频直射信号进行处理，采用PLL和DLL三阶跟踪环路，获取双频直射信号的码相位，载波频率，载波相位，导航电文信息；（3）利用多颗GNSS卫星进行定位获取接收机准确位置和大地高，计算GNSS卫星高度角和方位角；（4）根据下视天线安装位置设置方位角范围，选择能够有效接收被海面反射的卫星信号，标记并进行下一步处理。3.根据权利要求1所述的一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方法，其特征在于，步骤二中所述的“建立参考信号”，其具体实现过程如下：（1）利用GNSS卫星星历和接收机定位结果，估算镜面反射点的位置；（2）根据镜面反射点位置计算直射信号与反射信号间伪码路径差：；其中，为GNSS卫星位置，为LEO卫星位置，为镜面反射点位置，为直射信号和反射信号间的路径延迟，为光速；（3）根据直射信号和反射信号几何差异，将直射信号和反射信号进行同步，建立本地参考信号：；；；其中，为反射信号的码相位，为直射信号的码相位，为码频率，为反射信号载波相位，为直射信号载波相位，为载波频率，为反射信号频率，为直射信号载波频率，为路径时延，表示为：；（4）将本地参考信号与反射信号进行相关，实现对双频反射信号载波的精确跟踪。4.根据权利要求1所述的一种基于双频反射信号组合的GNSS
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R载波相位海面测高的方
法，其特征在于，步骤三中所述的“反射信号波形生成及复数相关结果提取”，其具体实现过程如下：（1）以参考信号频率为载波频率，参考信号载波相位为载波相位，码相位为中心，前后各取两个码片范围窗口，窗口内以0.1个码片为...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺匀峤，徐天河，高凡，孟馨悦，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：