一种兼容GNSS‑R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪的制作方法

本发明属于GNSS遥感探测和GNSS气象学领域，具体涉及一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪。

背景技术：

随着GNSS(Global Navigation Satellite System)日臻完善，GNSS遥感技术应运而生，并得到了长足的发展。GNSS遥感技术是利用无线电波在地球大气中传播，或被地物反射后的信号幅度、相位等物理量的变化，来反演地球大气、海洋和土壤等气象要素。目前，GNSS遥感技术主要包括GNSS掩星探测技术和GNSS-R(GNSS Reflectometry)探测技术。

GNSS掩星探测技术采用星载高动态GNSS接收机，对GNSS卫星进行临边观测获得相位值，结合GNSS和低轨卫星的位置、速度等信息计算弯曲角，然后用Abel积分变换反演得到大气折射率，进而计算地球大气的温度、密度和气压等大气参数剖面及电离层电子密度剖面。运用GNSS掩星探测技术可实现地球大气层和电离层探测，具有高精度、高垂直分辨率、长期稳定、全球覆盖、全天候探测等优势，其探测资料对数值天气预报、气候与全球变化研究、临近空间环境监测与研究等具有重要的科学意义。自1995年美国的GPS/MET掩星计划成功实施以来，多个国家竞相发展自己的掩星计划，目前已实施的掩星计划有20多个，如COSMIC、CHAMP、MetOp-A等。

另外，科学家在处理掩星观测数据的过程中，发现了反射信号观测量，随后开展了大量GNSS-R探测技术的相关研究，并证明了GNSS-R探测技术的可行性。GNSS-R探测技术的基本原理是：GNSS信号直接或经地面反射后，被卫星或机载平台上安装的GNSS-R接收机同时接收，以镜面反射点为基准产生反射信号的本地C/A码，将GNSS接收机接收到的反射信号与本地实时生成的反射信号C/A码相关后，可以得到反射信号的相关功率波形，由于GNSS的反射信号与地面参数密切相关，因此相关功率波形与地面物理参数也密切相关，比如，相关功率波形前沿的最大导数对应的码时延与海面高度密切相关，相关功率波形后沿斜率与海面风速大小密切相关，通过建立相关功率波形与对地面物理参量的一一对应关系，从而实现反演地面物理参数的目的。上述GNSS-R探测技术也得到了星载验证。

然而，目前GNSS掩星探测和GNSS-R探测是利用安装在不同地球低轨道卫星上的GNSS掩星接收机和GNSS-R接收机分别独立实现的，没有将GNSS掩星和GNSS-R探测有效的结合起来。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有的GNSS无线电掩星探测仪不能同时实现GNSS掩星探测和GNSS-R探测的问题，提供一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪，本发明的GNSS无线电掩星探测仪适合安装在地球低轨卫星上，能够同时接收GNSS卫星直射信号、掩星信号和GNSS-R反射信号。

为实现上述目的，本发明提供的一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪，该探测仪包括：定位天线、掩星天线、反射天线、射频单元和掩星处理单元。所述的定位天线探测并接收GNSS卫星发射的直射信号，所述的掩星天线包括大气掩星天线和电离层掩星天线，所述的大气掩星天线和电离层掩星天线分别探测并接收GNSS卫星发射的穿过大气和电离层的掩星信号，所述的反射天线接收GNSS-R反射信号；所述的射频单元将定位天线、大气掩星天线、电离层掩星天线和反射天线接收的信号进行放大、射频滤波处理后，将生成的射频信号输入至掩星处理单元；所述的掩星处理单元通过接收的射频信号进行GNSS卫星捕获和跟踪，并利用跟踪后的信号计算获得卫星位置及速度信息、GNSS掩星信号的载波相位和幅度，以及GNSS-R反射信号的二维延迟多普勒图(DDM)。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的射频单元包括：低噪声放大器和射频滤波器；所述的低噪声放大器用于将定位天线、反射天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的信号进行放大，并通过射频滤波器进行射频滤波。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的掩星处理单元包括：中频处理电路和基带处理电路；

所述的中频处理电路包括：混频器、中频滤波器和AGC放大器，所述的混频器用于将射频信号下变频至中频信号，并通过中频滤波器将该中频信号进行滤波处理，所述的AGC放大器用于将滤波后的中频信号进行放大处理后输出至基带处理电路；

所述的基带处理电路包括：AD转换器、FPGA芯片和CPU芯片，所述的AD转换器将AGC放大器输出的中频信号转换成数字信号后，通过CPU芯片控制FPGA芯片对该数字信号进行捕获和跟踪，对跟踪后的信号进行伪距、载波相位测量，并解算出卫星位置及速度信息、GNSS-R反射信号的二维延迟多普勒图。

本发明的一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪优点在于：

1)能够实现同一载荷、同一卫星同时进行GNSS掩星探测和GNSS-R遥感探测；

2)在传统GNSS无线电掩星探测仪的结构基础上，只添加一个反射天线和一个射频单元，并对掩星处理单元增加反射信号的处理功能就能实现GNSS掩星和GNSS-R一体化探测，大大节省了卫星所占空间和能源；

3)通过掩星处理单元将GNSS掩星探测数据和GNSS-R遥感探测数据相互融合，实现大气、海洋三维立体无缝探测，提高了大气和电离层反演数据的精度。

附图说明

图1是本发明中的一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪结构示意图。

图2是本发明中的一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪系统设计框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种兼容GNSS-R探测技术的GNSS无线电掩星探测仪，包括：定位天线、掩星天线、反射天线、射频单元和掩星处理单元。定位天线接收来自天顶GNSS卫星发射的直射信号，以实现其定位功能；所述的定位天线探测并接收GNSS卫星发射的直射信号，所述的掩星天线包括大气掩星天线和电离层掩星天线，所述的大气掩星天线和电离层掩星天线分别探测并接收GNSS卫星发射的穿过大气和电离层的掩星信号，所述的反射天线接收GNSS-R反射信号；所述的射频单元将定位天线、反射天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的信号进行放大、射频滤波处理后，将生成的射频信号输入至掩星处理单元；所述的掩星处理单元通过接收的射频信号进行GNSS卫星捕获和跟踪，并利用跟踪后的信号计算获得卫星位置及速度信息、GNSS掩星信号的载波相位和幅度，以及GNSS-R反射信号的二维延迟多普勒图。

基于上述结构的GNSS无线电掩星探测仪，如图1所示，在本实施例中，所述的GNSS无线电掩星探测仪由四副天线、四台射频单元和一台掩星处理单元组成。四副天线分别为定位天线、反射天线、前向掩星天线和后向掩星天线。四台射频单元分别为定位射频单元、反射射频单元、前向射频单元和后向射频单元。如图2所示，所述的前向掩星天线包括前向电离层掩星天线和前向大气掩星天线，所述的后向掩星天线包括后向电离层掩星天线和后向大气掩星天线。同时前向电离层掩星天线接收前向电离层掩星信号，后向电离层掩星天线接收后向电离层掩星信号，大气掩星信号则由对应的大气掩星天线接收，GNSS-R反射信号则由反射天线接收。天线接收的信号，经对应的射频单元放大滤波处理后，送至掩星处理单元进行信号处理。

前向掩星信号是指一开始被地球遮挡的GNSS卫星仰角为负角度，然后仰角逐渐上升变大过程中的接收信号。后向掩星信号是指运动的GNSS卫星仰角逐渐减小，最后被地球遮挡过程中的接收信号。例如：在由多颗卫星组成的GPS系统中，每颗卫星相对于定位和掩星天线的位置是实时变化的。如果卫星的仰角大于0°，为直接信号，由定位天线接收。如果仰角小于0°，为掩星信号，再通过方位角判断是用前向掩星天线还是后向掩星天线接收。

上述GNSS无线电掩星探测仪包含四个射频单元，四个射频单元中有一个定位射频单元处理定位天线输出的GNSS卫星直射信号；两个完全相同的前向射频单元和后向射频单元分别处理前向、后向大气掩星天线和电离层掩星天线输出的GNSS掩星信号，一个反射射频单元处理反射天线输出的GNSS-R反射信号。经四个射频单元接收放大处理的信号均发送给掩星处理单元进行处理。

掩星处理单元接收经射频单元放大滤波后的射频信号，掩星处理单元主要功能是实现射频信号的下变频、基带信号处理和观测量解算。

如图2所示，天线接收信号后均输出至射频单元电路进行处理。

所述的射频单元由低噪声放大器和射频滤波器组成，其主要功能是对各天线接收的信号进行放大、选频和滤波。所述的低噪声放大器和射频滤波器分别用于将定位天线、反射天线、大气掩星天线和电离层掩星天线接收的信号进行放大和带外滤波。射频单元首先对输入的信号进行低噪声放大，射频滤波处理后，将生成的射频信号输入至掩星处理单元。

所述的掩星处理单元由中频处理电路和基带处理电路组成。所述的中频处理电路由混频器、中频滤波器、AGC放大器构成。所述的混频器用于将射频信号下变频至中频信号，并通过中频滤波器将该中频信号进行滤波处理，所述的AGC放大器用于将滤波后的中频信号进行放大处理后输出至基带处理电路。

所述的基带处理电路由AD转换器、基带处理FPGA芯片和CPU芯片组成，基带处理FPGA芯片实现对下变频和AD采样后的GNSS信号进行捕获和跟踪。CPU芯片主要功能是对定位和掩星捕获跟踪后的GNSS信号进行伪距、载波相位观测量的高精度测量，对定位的伪距、载波相位或二者的组合观测量可进行实时的定位，对载波相位观测量可用于事后精密定轨和提取掩星信号附加相位信息。具体操作过程为：通过CPU芯片控制基带处理FPGA芯片对定位射频通道GNSS系统卫星进行捕获，将捕获成功的卫星放入跟踪通道进行跟踪。从基带处理FPGA芯片通道中读取原始测量值，并利用原始测量值计算出载波相位、码伪距和码相位，同时对成功跟踪的卫星信号进行电文解码，电文中包含GNSS卫星的相关信息，以获取实时的卫星位置及速度信息、大气和电离层物理参数，以及GNSS-R反射信号的二维延迟多普勒图(DDM)。

根据实时LEO卫星的位置和星历或历书计算而来的GNSS卫星的位置信息，以及掩星天线的观测范围，可以预报掩星事件，分配通道对掩星信号进行捕获和跟踪，获取掩星信号的伪距和载波相位观测量，在地面后处理过程中获取大气和电离层物理参量。同样，根据实时LEO卫星的位置和星历或历书计算而来的GNSS卫星的位置信息，以及反射天线的观测范围，可以计算GNSS反射信号的镜面反射点位置，并且要参考该GNSS定位通道信号的码相位和多普勒频率信息，对该GNSS反射信号进行二维码延迟和多普勒延迟相关计算，从而获取GNSS-R反射信号的二维延迟多普勒图(DDM)，在地面后处理过程中获取海洋表面或陆面的地球物理参数。此外，在临边掠射GNSS反射信号相位测高技术中，掩星信号的载波相位测量可以为反射信号载波相位测量提供初始参考；处理反射信号的基带二维相关器也可以用来处理掩星信号，从而实现掩星信号的二维跟踪，增强低层掩星信号的捕获和跟踪能力。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。