专利名称：一种海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星雷达高度计跟踪器，特别是涉及一种最大似然跟踪算法 (maximum likelihood estimation, MLE)和重心跟踪算法(off center of gravity, OCOG) 两种算法并行工作的雷达高度计跟踪器。
背景技术：
卫星雷达高度计是用于海洋动力环境测量的重要遥感器，其直接测量的产品包 括卫星到海面的高度，海面有效波高和海面后向散射系数，雷达高度计测量数据的 进一步反演结果，可以应用于海洋地球物理学、海洋动力学、海洋气候与环境、海 冰监测等方面。除此以外，雷达高度计还可以测量海冰、海陆交界处地形和陆地地 表高度。自1973年Skylab试验以来，以美国和欧洲为代表，雷达高度计卫星已经 发展成为系列化的应用卫星(如GEOSAT、 Topex/poseidon、 Jason-l、 ERS-1、 ERS-2 和Envisat等)，技术日趋成熟。
现有在轨运行的雷达高度计跟踪器在同一时刻只有一种跟踪算法在工作，如 GEOSAT和Topex/poseidon高度计只采用了门跟踪算法。门跟踪算法测量精度较高 但健壮性较差，比较适合海洋测量，而在海陆交界、陆地和海冰的测量方面能力较 差，容易失锁。Jason-1高度计跟踪器是一个基于MLE算法的跟踪器，图2为基于 MLE的跟踪器结构图，该跟踪器由FFT功率谱分析器、MLE误差鉴别器、a-P滤波 器和时序生成器组成。其中，FFT功率谱分析器分别与MLE误差鉴别器和a-P滤波 器电连接，MLE误差鉴别器与a-P滤波器之间电连接，cx-p滤波器还与时序生成器电 连接。该跟踪器从高度计的接收机接收I、 Q信号，生成波形数据、MLE跟踪参数、 信号带宽、高度值、浪高值、AGC和工作时序等多种数据，并产生距离精调和距离 粗调值，用于对跟踪器本身的调节。
Erwisat高度计只采用了 OCOG算法。OCOG算法跟踪精度较差但健壮性较强， 比较适合海陆交界、陆地和海冰的测量；用OCOG算法进行海洋测量，需要在地面
进行二次跟踪，但是存在累积误差，降低了海洋测量精度。图3为基于OCOG的跟 踪器结构图。该跟踪器由FFT功率谱分析器、OCOG误差鉴别器、a-P滤波器和时 序生成器组成。
ERS-1和ERS-2高度计在海洋测量时采用了准最大似然算法，而在海陆交界、 陆地和海冰测量时采用了OCOG算法。这是一种比较好的方式，问题是这两种跟踪 算法不是同时工作的，两种算法相互切换，特别是由准最大似然算法向OCOG算法 切换时，再次捕获回波会使跟踪器一段时间内失锁，从而造成测量的不连续性。
发明内容
本发明的目的是克服现有的雷达高度计跟踪器无法很好地兼容于海洋和陆地的 缺陷，从而提供一种既可用于海洋测量，又可同时用于陆地测量，且测量精度高、 健壮性强的雷达高度计跟踪器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器，包 括第一FFT功率谱分析器1、 MLE误差鉴别器3和第一a-p滤波器5，其特征在于， 还包括第二FFT功率谱分析器2、 OCOG误差鉴别器4、第二a-(3滤波器6和数据合 成处理单元7;其中，所述的第一 FFT功率谱分析器1电连接到所述的MLE误差 鉴别器3、所述的第一a-(5滤波器5和所述的数据合成处理单元7上，所述的MLE 误差鉴别器3分别与所述的第一a-p滤波器5和所述的数据合成处理单元7电连接， 所述的第一a-p滤波器5与所述的数据合成处理单元7电连接；所述的第二 FFT功 率谱分析器2电连接到所述的OCOG误差鉴别器4、所述的第二oc-p滤波器6和所 述的数据合成处理单元7上，所述的OCOG误差鉴别器4分别与所述的第二cc-p滤 波器6和所述的数据合成处理单元7电连接，所述的第二a-p滤波器6与所述的数 据合成处理单元7电连接；所述的第一a-p滤波器5还与所述的第二a-(5滤波器6电 连接。
上述技术方案中，所述的第二 FFT功率谱分析器2、所述的OCOG误差鉴别器 4和所述的第二a-P滤波器6在DSP芯片上编程实现。
上述技术方案中，所述的第一FFT功率谱分析器1、所述的MLE误差鉴别器3 和所述的第一a-(5滤波器5在DSP芯片上编程实现。
上述技术方案中，所述的数据合成处理单元7在DSP芯片和FPGA电路上编程实现。
本发明的优点在于-
1、 本发明的海陆兼容的卫星雷达髙度计跟踪器既适合于海洋测量，又适合于陆 地和海冰的测量。
2、 本发明的海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器具备跟踪精度高、跟踪健壮性强 的优点，对提高卫星雷达高度计跟踪器的跟踪性能具有重要意义。
3、 本发明的海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器在测量海陆交界处时，由于MLE 和OCOG并行工作，不存在由于两种算法切换造成的跟踪测量的不连续。
图l本发明跟踪器的结构图； 图2为基于MLE算法的跟踪器的结构图； 图3为基于OCOG算法的跟踪器的结构图。 1 第一FFT功率谱分析器 2
3 MLE误差鉴别器 4
5 第一a-(3滤波器 6
7 数据合成处理单元 8
第二 FFT功率谱分析器 OCOG误差鉴别器 第二a-p滤波器 时序生成器
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器进 行说明。
如图1所示，本发明的跟踪器由3部分组成。其中第一部分完成MLE跟踪功 能，第二部分完成OCOG跟踪功能，第三部分完成两个跟踪器的数据合成处理。所 述的第一部分包括第一 FFT功率谱分析器1、 MLE误差鉴别器3和第一a-P滤波器 5，所述的第二部分包括第二FFT功率谱分析器2、 OCOG误差鉴别器4和第二a-p 滤波器6，所述的第三部分包括数据合成处理单元7。第一 FFT功率谱分析器1与 高度计的接收机相连，并电连接到MLE误差鉴别器3、第一a-p滤波器5和数据合 成处理单元7上，MLE误差鉴别器3分别与第一a-(3滤波器5和数据合成处理单元 7电连接，第一ot-P滤波器5与数据合成处理单元7电连接。第二 FFT功率谱分析器
2也与高度计的接收机相连，并电连接到OCOG误差鉴别器4、第二oc-P滤波器6和 数据合成处理单元7上，OCOG误差鉴别器4分别与第二a-p滤波器6和数据合成 处理单元7电连接，第二a-p滤波器6与数据合成处理单元7电连接，所述的第一 a-(i滤波器5还与第二a-p滤波器6电连接。
其中第一FFT功率谱分析器1,接收来自高度计接收机采集的正交信号I和Q， 并构成复信号I-jQ。利用第一a-p滤波器5传送来的距离精调值①对I-jQ信号进行 相位旋转，对旋转后的I-jQ信号进行FFT变换求功率谱，这个功率谱即为波形数据 ①。第一 FFT功率谱分析器1将波形数据①分别传送给数据合成单元7和MLE误 差鉴别器3。
第二 FFT功率谱分析器2，接收来自高度计接收机采集的正交信号I和Q，并 构成复信号I-jQ。利用第二a-p滤波器6传送来的距离精调值②对I-jQ信号进行相 位旋转，对旋转后的I-jQ信号进行FFT变换求功率谱，这个功率谱即为波形数据②。 第二 FFT功率谱分析器2将波形数据②分别传送给数据合成单元7和OCOG鉴别 器4。
MLE误差鉴别器3接收数据合成处理单元7的状态控制①，当状态控制①为待 机状态时，MLE误差鉴别器3处于待机状态。当状态控制①为工作状态时进行如下 操作MLE误差鉴别器3对来自第一 FFT功率谱分析器1的波形数据①进行MLE 估计处理，并将输出的误差信号发送到第一a-p滤波器5; MLE误差鉴别器3根据 MLE估计处理的结果，判定MLE处于跟踪锁定状态还是失锁状态，并将这一鉴别 器状态①传送给数据合成处理单元7; MLE误差鉴别器3根据MLE估计的结果选 定高度计工作的信号带宽①(320MHz、 80MHz和20MHz中的一种)，并将信号带 宽①送给数据合成处理单元7。
OCOG误差鉴别器4接收来自第二 FFT功率谱分析器2的波形数据②进行 OCOG处理，并将输出的误差信号发送到第二a-p滤波器6; OCOG误差鉴别器4 根据OCOG处理结果，判定OCOG处于跟踪锁定状态还是失锁状态，并将这一鉴 别器状态②传送给数据合成处理单元7; OCOG误差鉴别器4将处理后选定的信号 带宽②G20MHz、 80MHz和20MHz中的一种)传送给数据合成处理单元7。
第一a,滤波器5接收数据合成处理单元7的状态控制①，如果状态控制①是 待机状态，此时第一a-p滤波器5接收来自第二a-(3滤波器6的高度②和AGC②，并 以此值作为工作状态的初始值,同时第一a-P滤波器5将输出的距离精调①设定为0，
并处于待机状态。当状态控制①为工作状态时进行如下操作第一a-(3滤波器5接 收MLE误差鉴别器3的误差信号，将滤波处理后输出的高度①和AGC①值分别送 到数据合成处理单元7和第二a-(3滤波器6;滤波处理后输出的浪高值送到数据合成 处理单元7;滤波处理后输出的高度①分成距离粗调①和距离精调①两部分，其中 距离粗调①送到数据合成处理单元7,距离精调①送到第一 FFT功率谱分析器1 。
第二oc-P滤波器6接收数据合成处理单元7的状态控制②，当状态控制②为被 动工作状态时进行入下操作第二a-p滤波器6接收来自OCOG误差鉴别器4输出 的误差信号并进行滤波，滤波处理后输出的高度②和AGC②送到数据合成处理单元 7;滤波处理后输出的高度②分成距离粗调②和距离精调②两部分，其中距离粗调② 送到数据合成处理单元7，距离精调②送到第二 FFT功率谱分析器2;完成上述操 作后，第二a-(i滤波器6接收来自第一a-p滤波器5的高度①和AGC①，并复位第二 a-(3滤波器6的当前输出，使得高度②-高度①，且AGC②-AGC①。
第二a-p滤波器6接收数据合成处理单元7的状态控制②，当状态控制②为主 动工作状态时进行入下操作第二a-p滤波器6接收来OCOG误差鉴别器4输出的 误差信号并进行滤波，滤波处理后输出的高度②和AGC②分别送到数据合成处理单 元7和第一a-p滤波器5;滤波处理后输出的高度②分成距离粗调②和距离精调②两 部分，其中距离粗调②送到数据合成处理单元7，距离精调②送到第二FFT功率谱 分析器2。
上述的第一FFT功率谱分析器1、 MLE误差鉴别器3、第一a-p滤波器5、第二 FFT功率谱分析器2、 OCOG误差鉴别器4和第二a-j3滤波器6均可在一个DSP芯 片上通过编程实现。
数据合成处理单元7接收来自OCOG误差鉴别器4的鉴别器状态②和信号带宽 ②，如果鉴别器状态②表明OCOG处于锁定状态且信号带宽②为320MHz,此时设 定系统工作模式为模式2，否则系统工作模式为模式1。在工作模式1情况下，数据 合成处理单元7送出的状态控制①为待机状态，而状态控制②为主动工作状态；在 工作模式2情况下，数据合成处理单元7送出的状态控制①为工作状态，而状态控 制②为被动工作状态。
数据合成处理单元7在DSP芯片和FPGA电路上通过编程实现。 在工作模式1情况下，数据合成处理单元7输出的波形数据为接收来自第二 FFT 功率谱分析器2的波形数据②；数据合成处理单元7输出的AGC值为来自第二a-p
滤波器6的AGC②；数据合成处理单元7根据来自第二a-P滤波器6的距离粗调② 生成对应的工作时序；数据合成处理单元7输出的跟踪高度为来自第二a-P滤波器6 的高度②；数据合成处理单元7输出的OCOG跟踪参数为来自OCOG误差鉴别器4 的鉴别器状态②；数据合成处理单元7输出的信号带宽为来自OCOG误差鉴别器4 的信号带宽②。
在工作模式2情况下,数据合成处理单元7输出的波形数据为接收来自第一 FFT 功率谱分析器l的波形数据①；数据合成处理单元7输出的AGC值为来自第一a-P 滤波器5的AGC①；数据合成处理单元7根据来自第一a-[3滤波器5的距离粗调① 生成对应的工作时序；数据合成处理单元7输出的信号带宽为来自MLE误差鉴别 器3的信号带宽①；数据合成处理单元7输出的跟踪高度为来自第一a-P滤波器5 的高度①；数据合成处理单元7输出的MLE跟踪参数为来自MLE误差鉴别器3的 鉴别器状态①；数据合成处理单元7输出的跟踪浪高为来自第一a-(5滤波器5的浪 高；数据合成处理单元7输出的OCOG跟踪参数为来自OCOG误差鉴别器4的鉴 别器状态②。
在系统处于工作模式2的时候，当数据合成处理单元7检测到鉴别器状态①为 失锁状态时，系统将工作状态切换到工作模式l。
本发明涉及的海陆兼容跟踪器釆用MLE和OCOG并行工作的方式，在海洋测 量时采用MLE的跟踪结果，在海陆交界、陆地和海冰的测量方面采用OCOG的跟 踪结果。由于OCOG跟踪器的健壮性强，所以该跟踪器参与全程跟踪。当OCOG 进入海洋测量区域时，其工作带宽会调整到最大工作带宽G20MHz)并且跟踪器 处于锁定状态，此时启动MLE跟踪器工作；当进入海陆交界、陆地和海冰的测量 区域时，MLE跟踪失锁，此时以OCOG工作为主。具体的工作过程如下 步骤l，工作模式l:
该模式下数据合成单元7输出的状态控制①为待机状态，状态控制②为主动工 作状态。
该模式下第二 FFT功率谱分析器2接收来自高度计接收机采集的正交信号I和 Q，并构成复信号I-jQ。利用第二a-p滤波器6传送来的距离精调值②对I-jQ信号进 行相位旋转，对旋转后的I-jQ信号进行FFT变换求功率谱，这个功率谱即为波形数 据②。第二 FFT功率谱分析器2将波形数据②分别传送给数据合成单元7和OCOG 鉴别器4。
第一FFT功率谱分析器1，接收来自高度计接收机采集的正交信号I和Q，并 构成复信号I-jQ。利用第一a-p滤波器5传送来的距离精调①对I-jQ信号进行相位 旋转，对旋转后的I-jQ信号进行FFT变换求功率谱，这个功率谱即为波形数据①。 第一 FFT功率谱分析器1将波形数据①分别传送给数据合成单元7和MLE误差鉴 别器3。
OCOG误差鉴别器4接收来自第二 FFT功率谱分析器2的波形数据②进行 OCOG处理，并将生成的输出误差信号送到第二a-(3滤波器6; OCOG误差鉴别器4 根据处理结果，判定OCOG处于跟踪锁定状态还是失锁状态，并将这一鉴别器状态 ②传送给数据合成处理单元7; OCOG误差鉴别器4将处理后选定的信号带宽② G20MHz、 80MHz和20MHz中的一种)传送给数据合成处理单元7。
第二a-P滤波器6接收来自OCOG误差鉴别器4输出的误差信号并进行滤波， 滤波处理后输出的高度②和AGC②分别送到数据合成处理单元7和第一a-p滤波器 5;滤波处理后输出的高度②分成距离粗调②和距离精调②两部分，其中距离粗调② 送到数据合成处理单元7，距离精调②送到第二 FFT功率谱分析器2。
数据合成处理单元7输出的波形数据为来自第二 FFT功率谱分析器2的波形数 据②；数据合成处理单元7输出的AGC值为来自第二a-p滤波器6的AGC②；数据 合成处理单元7输出的信号带宽为来自0C0G误差鉴别器4的信号带宽②；数据合 成处理单元7根据来自第二a-p滤波器6的距离粗调②生成对应的工作时序；数据 合成处理单元7输出的跟踪高度为来自第二a-p滤波器6的高度②；数据合成处理 单元7输出的OCOG跟踪参数为来自OCOG误差鉴别器4的鉴别器状态②。
第一a-p滤波器5接收来自第二a-p滤波器6的高度②和AGC②，并以此作为工 作状态的初始值，此时第一a-p滤波器5输出的距离精调①设定为0。
步骤2、工作模式2:
该模式下数据合成单元7输出的状态控制①为工作状态，状态控制②为被动工 作状态。
该模式下第一 FFT功率谱分析器1，接收来自高度计接收机采集的正交信号I 和Q，并构成复信号I-jQ。利用第一a-p滤波器5传送来的距离精调①对I-jQ信号 进行相位旋转，对旋转后的I-jQ信号进行FFT变换求功率谱，这个功率谱即为波形 数据①。第一FFT功率谱分析器1将波形数据①分别传送给数据合成单元7和MLE 误差鉴别器3。
第二 FFT功率谱分析器2，接收来自高度计接收机采集的正交信号I和Q,并 构成复信号I-jQ。利用第二a-p滤波器6传送来的距离精调②对I-jQ信号进行相位 旋转，对旋转后的I-jQ信号进行FFT变换求功率谱，这个功率谱即为波形数据②。 第二 FFT功率谱分析器2将波形数据②分别传送给数据合成单元7和OCOG鉴别 器4。
MLE误差鉴别器3对来自第一 FFT功率谱分析器1的波形数据①进行MLE估 计处理，并将生成的输出误差信号送到第一a-p滤波器5; MLE误差鉴别器3根据 处理结果，判定MLE处于跟踪锁定状态还是失锁状态，并将这一鉴别器状态①传 送给数据合成处理单元7; MLE误差鉴别器3同时将当前信号带宽①(320MHz、 80MHz和20MHz中的一种)送给数据合成处理单元7。
OCOG误差鉴别器4接收来自第二 FFT功率谱分析器2的波形数据②进行 OCOG处理，并将生成的输出误差信号送到第二a-(5滤波器6; OCOG误差鉴别器4 根据处理结果，判定OCOG跟踪器处于跟踪锁定状态还是失锁状态，并将这一鉴别 器状态②传送给数据合成处理单元7; OCOG误差鉴别器4同时将当前信号带宽② (320MHz、 80MHz和20MHz中的一种)送给数据合成处理单元7。
第一a-p滤波器5接收MLE误差鉴别器3的误差信号，进行滤波处理后输出的 高度①和AGC①分别送到数据合成处理单元7和第二a-p滤波器6;第一a-p滤波器 5输出的浪高送到数据合成处理单元7;第一a-p滤波器5输出的高度①分成距离粗 调①和距离精调①两部分，其中距离粗调①送到数据合成处理单元7，距离精调① 送到第一 FFT功率谱分析器1。
第二cc-P滤波器6接收来自OCOG误差鉴别器4输出的误差信号并进行滤波， 滤波处理后输出的高度②和AGC②送到数据合成处理单元7;滤波处理后输出的高 度②分成距离粗调②和距离精调②两部分，其中距离粗调②送到数据合成处理单元 7，距离精调②送到第二 FFT功率谱分析器2;完成上述操作后，第二a-(3滤波器6 接收来自第一a-P滤波器5的高度①和AGC①，并复位第二a-p滤波器6的当前输出， 使得高度②-高度①，且AGCd^AGC①。
数据合成处理单元7输出的跟踪高度为来自第一a-p滤波器5的高度①；数据 合成处理单元7输出的跟踪浪高为来自第一cH3滤波器5的浪高；数据合成处理单 元7输出的MLE跟踪参数为来自MLE误差鉴别器3的鉴别器状态①；数据合成处 理单元7输出的波形数据为来自第一FFT功率谱分析器1的波形数据①；数据合成 处理单元7输出的AGC值为来自第一a-p滤波器5的AGC①；数据合成处理单元7 根据来自第一oc-P滤波器5的距离粗调①生成对应的工作时序；数据合成处理单元7 输出的信号带宽为来自MLE误差鉴别器3的信号带宽①；数据合成处理单元7输 出的OCOG跟踪参数为来自OCOG跟踪器的鉴别器状态②。
步骤3,工作模式的转换
启始工作的时候，跟踪器工作于模式l。当鉴别器状态②表明OCOG跟踪处于 锁定状态且信号带宽②为320MHz时，系统工作模式转换为模式2。转换过后系统 的工作带宽仍为320MHz，此时第一oc-p滤波器5接收来自第二a-(3滤波器6的高度 ②和AGC②，并以此作为工作状态的初始值；在该模式下此后第一a-(3滤波器5不 再接收来自第二a-l3滤波器6的高度②和AGC②，而是将生成的高度①和AGC①传 送给第二a-(5滤波器6。
当鉴别器状态①表明MLE跟踪处于失锁状态时，系统工作模式转换为模式1。 转换过后OCOG的工作带宽为20MHz，此后第二ot-p滤波器6不再接收来自第一a-(3 滤波器5的高度①和AGC①，相反第二a-J5滤波器6将高度②和AGC②输送到第一 a-p滤波器5，并以此作为第一a-(3滤波器5工作状态的初始值。
权利要求
1、一种海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器，包括第一FFT功率谱分析器(1)、MLE误差鉴别器(3)和第一α-β滤波器(5)，其特征在于，还包括第二FFT功率谱分析器(2)、OCOG误差鉴别器(4)、第二α-β滤波器(6)和数据合成处理单元(7)；其中，所述的第一FFT功率谱分析器(1)电连接到所述的MLE误差鉴别器(3)、所述的第一α-β滤波器(5)和所述的数据合成处理单元(7)上，所述的MLE误差鉴别器(3)分别与所述的第一α-β滤波器(5)和所述的数据合成处理单元(7)电连接，所述的第一α-β滤波器(5)与所述的数据合成处理单元(7)电连接；所述的第二FFT功率谱分析器(2)电连接到所述的OCOG误差鉴别器(4)、所述的第二α-β滤波器(6)和所述的数据合成处理单元(7)上，所述的OCOG误差鉴别器(4)分别与所述的第二α-β滤波器(6)和所述的数据合成处理单元(7)电连接，所述的第二α-β滤波器(6)与所述的数据合成处理单元(7)电连接；所述的第一α-β滤波器(5)还与所述的第二α-β滤波器(6)电连接。
2、根据权利要求1所述的海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器，其特征在于， 所述的第二FFT功率谱分析器(2)、所述的OCOG误差鉴别器(4)和所述的第二 a-P滤波器(6)在DSP芯片上编程实现。
3、 根据权利要求1所述的海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器，其特征在于，所 述的数据合成处理单元(7)在DSP芯片和FPGA电路上编程实现。
4、 根据权利要求1所述的海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器，其特征在于，所述的第一 FFT功率谱分析器(1)、所述的MLE误差鉴别器(3)和所述的第一a-(3 滤波器(5)在DSP芯片上编程实现。
全文摘要
本发明公开了一种海陆兼容的卫星雷达高度计跟踪器，包括第一FFT功率谱分析器、MLE误差鉴别器和第一α-β滤波器，还包括第二FFT功率谱分析器、OCOG误差鉴别器、第二α-β滤波器和数据合成处理单元；其中，第一FFT功率谱分析器电连接到MLE误差鉴别器、第一α-β滤波器和数据合成处理单元上，MLE误差鉴别器分别与第一α-β滤波器和数据合成处理单元电连接，第一α-β滤波器与数据合成处理单元电连接；第二FFT功率谱分析器电连接到OCOG误差鉴别器、第二α-β滤波器和数据合成处理单元上，OCOG误差鉴别器分别与第二α-β滤波器和数据合成处理单元电连接，第二α-β滤波器与数据合成处理单元电连接；第一α-β滤波器还与第二α-β滤波器电连接。
文档编号G01S13/08GK101178436SQ20061011449
公开日2008年5月14日 申请日期2006年11月10日 优先权日2006年11月10日
发明者刘和光, 可 许 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心