一种提取海面卫星导航反射信号的相干观测量的方法与流程

本发明涉及一种提取海面卫星导航反射信号的相干观测量的方法，可用于全球卫星导航系统(GNSS)反射信号进行海面高度监测，属于海洋气象监测的应用领域。

背景技术：

全球卫星导航系统(GNSS)经历了几十年的发展，已经在国家的社会、军事和经济生活发挥越来越重要的作用。在众多的GNSS应用领域中，利用GNSS经过反射后的导航卫星信号(GNSS‐R)，对反射面的物理特性和参数进行反演已经成为导航应用领域的新的研究热点，主要应用包括海面高度、海浪、海风、海水盐度、海冰、土壤湿度、森林覆盖、移动目标探测等。

海平面高度是海洋的重要参数，也是海洋气象监测和预报领域一直的关注重点之一。利用GNSS反射信号代替传统的验潮仪已经成为一种新兴的技术手段。利用GNSS反射信号进行海面测高主要是通过布设接收机天线连续接收导航直射信号和海面反射信号，根据反射信号和直射信号之间的路径传播时延，利用GNSS卫星、接收机以及反射信号在海面的镜面反射点进行反演，从而得到接收机天线距离地球参考面的高度，将该高度减去所接收机的高度而获得海平面高度。GNSS‐R测高仪获取反射信号和直射信号之间的路径传播时延主要有两个途径，一是利用直射信号的码相位与反射信号进行相关，通过寻找相关的峰值对应的码延迟来获得时延，另外一种是直接将反射信号和直射信号的载波相位相减来获得时延。由于扩频码码长较长的特性，基于码延迟的GNSS‐R测高仪所获得的海面高度精度不高；而由于载波波长较短，基于反射信号和直射信号的载波相位的GNSS‐R测高仪可以获得较高的精度。以往的载波相位观测量的GNSS‐R测高仪采用的是直接将反射信号相位与直接信号相位相减而获取时延，由于导航信号经过海面反射后的反射信号观测量存在着非相干和相干观测量，非相干观测量影响着海面测高的精度，特别是在海风比较大的粗糙海面测高精度影响严重。

本发明提出一种提取海面卫星导航反射信号的相干观测量的方法。首先，将接收到反射信号的同相观测量(I)和正交相观测量(Q)进行移动平均滤波；将超过幅度阈值的观测量滤除；然后进行连续相位和相位均匀分布的并行搜索，根据所设置的相位搜索阈值剔除非相干分量，最后获得可用于海面测高的相干观测量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提取海面卫星导航反射信号的相干观测量的方法。它是一种可接收和处理某

一海面区域内可视卫星的反射信号的相干观测量。首先，将接收到反射信号的同相观测量(I)和正交相观测量(Q)进行移动平均滤波；将超过幅度阈值的观测量滤除；然后进行连续相位和相位均匀分布的并行搜索，根据所设置的相位搜索阈值剔除非相干分量，最后获得可用于海面测高的相干观测量。

步骤一：将接收到反射信号的同相观测量(I)和正交相观测量(Q)通过移动平均滤波器滤除噪声，由于移动平均滤波器是一个低通滤波器，为了避免滤除有用的高频率信息，需要严格控制移动平均滤波器所用的采样个数；

步骤二：通过设置同相观测量(I)和正交相观测量(Q)所获得的振幅阈值，将低于阈值的观测量剔除，随时间变化的观测量振幅A(t)采用如下计算公式

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

步骤三：进行连续相位和相位均匀分布的并行搜索，随时间变化的观测量相位采用反正切公式

在并行搜索的过程中，需要遵守如下两个原则：1)随时间变化的观测量相位在四象限复平面的变化顺序只能是升序或降序，顺序可为i.e.I，II，III，IV，I，II...或IV，III，II，I，IV，III...；2)每个象限的相位采样点个数均匀分布，假设四个象限总的采样点个数为N，每个象限的采样点需保持在N_q＝N/4±0.1N。

步骤四：通过连续相位和相位均匀分布的并行搜索，判断是否满足相位升序或降序、采样点是否满足上述均匀分布原则，若不满足则重新进行并行搜索；并行搜索所获得的相干观测量采样点个数需要满足测高系统时间分辨率的要求，假设测高系统的时间分辨率为T，同相观测量(I)和正交相观测量(Q)的采样率为m Hz，则相干观测量采样点个数K需满足：

K≥T·m (3)；

与现有技术相比，本发明提出的提取海面卫星导航反射信号的相干观测量的方法，可将导航信号经过海面反射后的反射信号观测量中的非相干剔除，从而可利用相干观测量反演获得高精度的海面测高结果，特别是在海风比较大的粗糙海面也可获得高精度的反演结果。

附图说明

图1本发明的流程框图。

图2同相观测量(I)和正交相观测量(Q)平面的相位分布图。

图3随时间变化的相干相位图。

图4不同海面风速下测高结果的均方根误差(RMSE)图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例首先根据GNSS‐R测高系统的需求，确定时间分辨率为T，同相观测量(I)和正交相观测量(Q)的采样率为m Hz，具体步骤如下：

步骤一：将接收到反射信号的同相观测量(I)和正交相观测量(Q)通过移动平均滤波器滤除噪声，由于移动平均滤波器是一个低通滤波器，为了避免滤除有用的高频率信息，需要严格控制移动平均滤波器所用的采样个数；

步骤二：通过设置同相观测量(I)和正交相观测量(Q)所获得的振幅阈值，将低于阈值的观测量剔除，随时间变化的观测量振幅A(t)采用如下计算公式

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

步骤三：进行连续相位和相位均匀分布的并行搜索，随时间变化的观测量相位采用反正切公式

在并行搜索的过程中，需要遵守如下两个原则：(1)随时间变化的观测量相位在四象限复平面的变化顺序只能是升序或降序，顺序可为i.e.I，II，III，IV，I，II...或IV，III，II，I，IV，III...；(2)每个象限的相位采样点个数均匀分布，假设四个象限总的采样点个数为N，每个象限的采样点需保持在N_q＝N/4±0.1N。

步骤四：通过连续相位和相位均匀分布的并行搜索，判断是否满足相位升序或降序、采样点是否满足上述均匀分布原则，若不满足则重新进行并行搜索；并行搜索所获得的相干观测量采样点个数需要满足测高系统时间分辨率的要求，假设测高系统的时间分辨率为T，同相观测量(I)和正交相观测量(Q)的采样率为m Hz，则相干观测量采样点个数K需满足：

K≥T·m (3)；

如图2所示，给出2015年7月1日03:35‐04:35时间段(UTC时间)GPS PRN 9卫星的同相观测量(I)和正交相观测量(Q)平面的相位分布情况，本例测高系统时间分辨率为T＝20分钟，同相观测量(I)和正交相观测量(Q)的采样率为m＝0.1Hz，可以发现，每个象限均匀分布，每个象限的采样点保持10个左右，相干观测量采样点个数K＞120。

如图3所示，给出2015年7月1日03:35‐04:35时间段(UTC时间)GPS PRN 9卫星随时间变化的相干相位图，可以发现随时间变化相干相位保持连续升序。

如图4所示，采用本发明提出的提取海面卫星导航反射信号的相干观测量的方法，可将导航信号经过海面反射后的反射信号观测量中的非相干剔除，利用相干观测量反演获得高精度的海面测高结果，特别是在海风为12-13m/s的粗糙海面获得2.56cm的精度。