CN113031015A - 一种基于gnss-r载波相位的海冰检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GNSS‑R载波相位的海冰检测装置及方法。该装置包括：GNSS直射天线、GNSS反射天线、导航信号处理模块、海冰检测模块、无线传输模块、无线通信天线以及防护机箱；GNSS直射天线接收导航卫星的直射信号；GNSS反射天线接收经海面反射的导航卫星的反射信号；导航信号处理模块分别与GNSS直射天线和GNSS反射天线连接；导航信号处理模块捕获、跟踪以及定位直射信号；导航信号处理模块开环跟踪所述反射信号，得到不同时延下的复数相关值；海冰检测模块与导航信号处理模块连接；海冰检测模块根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据载波相位信息进行海冰检测；本发明能够有效的提升海水和海冰的识别率。

Description

一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋监测技术领域，特别是涉及一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置及方法。

背景技术

利用GNSS反射信号进行海洋遥感是卫星遥感技术的新型技术之一，具有信源多，重量轻，扩频处理，应用面宽等优势。GNSS-R(Global Navigation Satellite system-Reflected)技术通过采用岸基、机载以及空载的特殊接受设备接受GNSS直射信号和以及经反射面散射的回波信号，通过协同处得到反射面内时延多普勒单元对应的反射信号相关功率，然后通过一定的反演方法得出地球表面散射面的物理参数信息。

目前，应用最广泛的海冰检测手段主要有三种：目测法、器测法以及遥测法；目测法是眼睛对海冰进行检测，此方法不能对海冰进行长时间、大范围的持续观测；器测法通过测量工具和仪器对海冰进行检测，但观测的数据范围较小；遥测法利用遥感手段对海冰进行检测，成本较高。

因此，基于上述现有技术，亟需一种新的海冰检测方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置及方法，能够有效的提升海水和海冰的识别率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，包括：GNSS直射天线、GNSS反射天线、导航信号处理模块、海冰检测模块、无线传输模块、无线通信天线以及防护机箱；

所述GNSS直射天线垂直向天顶方向架设；所述GNSS直射天线用于接收导航卫星的直射信号；

所述GNSS反射天线朝着待观测海面斜向下架设；所述GNSS反射天线用于接收经海面反射的导航卫星的反射信号；

所述导航信号处理模块分别与所述GNSS直射天线和所述GNSS反射天线连接；所述导航信号处理模块用于捕获、跟踪以及定位所述直射信号，得到导航信息；所述导航信号处理模块还用于开环跟踪所述反射信号，得到不同时延下的复数相关值；所述导航信息包括：位置数据、时间数据以及每颗可见导航卫星的仰角和方位角；

所述海冰检测模块与所述导航信号处理模块连接；所述海冰检测模块用于根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果；所述载波相位信息与海冰相关；

所述无线传输模块与所述海冰检测模块连接；所述无线传输模块用于将所述检测结果以无线通信的方式传输至远程服务器；

所述无线通信天线与所述无线传输模块连接；所述无线通信天线用于为所述无线传输模块提供无线信号的接收和发送；

所述防护机箱内置所述导航信号处理模块、所述海冰检测模块以及所述无线传输模块。

可选的，所述导航信号处理模块包括：射频前端和基带处理单元；

所述射频前端分别与所述GNSS直射天线以及所述GNSS反射天线连接；所述射频前端用于对所述直射信号和所述反射信号进行采样量化，得到数字中频信号；所述数字中频信号包括直射中频信号以及反射中频信号；

所述基带处理单元为DSP和FPGA混合架构，并与所述射频前端连接；所述基带处理单元用于对所述直射中频信号进行捕获、跟踪以及定位，得到导航信息，得到导航信息；并用于将反射中频信号与本地多路复制信号进行运算得到不同时延下的复数相关值。

可选的，所述基带处理单元包括：FPGA处理器和DSP处理器；

所述FPGA处理器与所述射频前端连接；所述FPGA处理器用于完成本地载波与PRN码的生成，对所述数字中频信号进行运算；

所述DSP处理器分别与所述射频前端以及所述FPGA处理器连接；所述DSP处理器用于完成所述直射中频信号捕获、跟踪以及环路判定，并对所述FPGA处理器中的本地载波与伪码的生成进行控制，提取导航电文进行定位解算，配置反射通道。

可选的，所述FPGA处理器包括：锁存子单元与中继子单元；

所述锁存子单元与所述射频前端连接；所述锁存子单元用于对所述数字中频信号进行缓存与重编码，并将重编码后的直射信号以及重编码后的反射信号分别输入到直射通道和反射通道；

所述中断子单元采用计数器的方式生成1ms的积分清零信号，并用于进行直射通道和反射通道内结果累加，得到更新后的信号，进而将更新后的信号通过GPIO接口输入到DSP处理器中，激活DSP处理器中断程序，执行通道状态更新运算。

可选的，所述直射通道采用直接数字频率合成的方式生成两路相位相差90°的本地载波，并与所述直射中频信号进行混频，得到同向和正交两路信号。

可选的，所述反射通道对所述反射中频信号进行载波剥离，产生时延PRN码，获得不同时延下的复数相关值。

可选的，所述GNSS直射天线采用右旋圆极化天线。

可选的，所述GNSS反射天线采用左旋圆极化天线。

一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测方法，应用于所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置；包括：

获取导航卫星的直射信号以及经海面反射的导航卫星的反射信号；

利用射频前端对所述直射信号和所述反射信号进行采样量化，得到数字中频信号；所述数字中频信号包括直射中频信号以及反射中频信号；

对所述直射中频信号进行捕获、跟踪以及定位，得到导航信息，得到导航信息；所述导航信息包括：位置数据、时间数据以及每颗可见导航卫星的仰角和方位角；

将所述导航信息直接引入直射通道中生成的载波和码，实现直射信号复用；

反射通道通过倍频器获得码片延迟控制时钟，得到不同码时延的信号，并与反射通道中频信号进行载波剥离和伪随机码相关，得到不同时延下的复数相关值；

根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置及方法，通过GNSS直射天线和GNSS反射天线对应接收导航卫星的直射信号以及接收经海面反射的导航卫星的反射信号，即采集的GNSS导航卫星信号源丰富，无需发射机、设备体积小造价低，便于无人机搭载；并且利用海冰和海水反射信号相位的差异来识别海面类型，相比于传统的直反功率比识别法，对射频前端性能要求低；所述海冰检测模块根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果，即基于GNSS-R载波相位区分海水和海冰，模型简单，缩短时间，能够有效的提升海水和海冰的识别率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置结构示意图；

图2为本发明所提供的FPGA处理器结构示意图；

图3为本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置及方法，能够有效的提升海水和海冰的识别率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，包括：GNSS直射天线1、GNSS反射天线2、导航信号处理模块3、海冰检测模块4、无线传输模块5、无线通信天线6以及防护机箱7。

所述GNSS直射天线1垂直向天顶方向架设；所述GNSS直射天线1用于接收导航卫星的直射信号。具体的，GNSS直射天线1采用右旋圆极化天线。

所述GNSS反射天线2朝着待观测海面斜向下架设；所述GNSS反射天线2用于接收经海面反射的导航卫星的反射信号；具体的GNSS反射天线2采用左旋圆极化天线。

所述导航信号处理模块3分别与所述GNSS直射天线1和所述GNSS反射天线2连接；所述导航信号处理模块3用于捕获、跟踪以及定位所述直射信号，得到导航信息；所述导航信号处理模块3还用于开环跟踪所述反射信号，得到不同时延下的复数相关值；所述导航信息包括：位置数据、时间数据以及每颗可见导航卫星的仰角和方位角；

所述海冰检测模块4与所述导航信号处理模块3连接；所述海冰检测模块4用于根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果；所述载波相位信息与海冰相关；

所述无线传输模块5与所述海冰检测模块4连接；所述无线传输模块5用于将所述检测结果以无线通信的方式传输至远程服务器；

所述无线通信天线6与所述无线传输模块5连接；所述无线通信天线6用于为所述无线传输模块5提供无线信号的接收和发送；

所述防护机箱7内置所述导航信号处理模块3、所述海冰检测模块4以及所述无线传输模块5。

防护机箱7具备电源管理和防护功能，用于为信号处理模块、海面风浪探测模块、无线传输模块5的运行提供电源，并使终端具备一定的抗风、防水、防尘能力。

所述导航信号处理模块3包括：射频前端和基带处理单元。

所述射频前端分别与所述GNSS直射天线1以及所述GNSS反射天线2连接；所述射频前端用于对所述直射信号和所述反射信号进行采样量化，得到数字中频信号；所述数字中频信号包括直射中频信号以及反射中频信号；具体的，射频前端为四通道射频前端，对信号进行采样量化，得到16.368MHz采样和2bit量化的数字中频信号。

所述基带处理单元为DSP和FPGA混合架构，并与所述射频前端连接；所述基带处理单元用于对所述直射中频信号进行捕获、跟踪以及定位，得到导航信息，得到导航信息；并用于将反射中频信号与本地多路复制信号进行运算得到不同时延下的复数相关值。

所述基带处理单元包括：FPGA处理器和DSP处理器。

所述FPGA处理器与所述射频前端连接；所述FPGA处理器用于完成本地载波与PRN码的生成，对所述数字中频信号进行运算；

所述DSP处理器分别与所述射频前端以及所述FPGA处理器连接；所述DSP处理器用于完成所述直射中频信号捕获、跟踪以及环路判定，并对所述FPGA处理器中的本地载波与伪码的生成进行控制，提取导航电文进行定位解算，配置反射通道。

图2为本发明所提供的FPGA处理器结构示意图，如图2所示，所述FPGA处理器包括：锁存子单元与中继子单元。

所述锁存子单元与所述射频前端连接；所述锁存子单元用于对所述数字中频信号进行缓存与重编码，并将重编码后的直射信号以及重编码后的反射信号分别输入到直射通道和反射通道。

所述中断子单元采用计数器的方式生成1ms的积分清零信号，并用于进行直射通道和反射通道内结果累加，得到更新后的信号，进而将更新后的信号通过GPIO接口输入到DSP处理器中，激活DSP处理器中断程序，执行通道状态更新运算。

即FPGA首先由锁存模块对数字中频信号进行缓存与重编码，将2bit的直、反射信号扩充为3bit信号，即{-3、-1、+1、+3}。重编码后的直射信号以及重编码后的反射信号分别输入到直射通道和反射通道进行后续的相关运算。

所述直射通道采用直接数字频率合成的方式生成两路相位相差90°的本地载波，并与所述直射中频信号进行混频，得到同向和正交两路信号。

同时通过移位寄存器、延迟器生成间隔为0.5码片的E(超前)、P(即时)、L(滞后)三路本地PRN码，分别与直射I、Q路信号进行1ms的相关累加运算，并将运算结果通过EMIF接口输出到DSP中。DSP内的载波环、码环依据计算结果返回控制字，对直射通道生成的载波与伪码进行调整，使之与接收到的信号趋于一致，实现直射信号的捕获及跟踪。

所述反射通道对所述反射中频信号进行载波剥离，产生时延PRN码，获得不同时延下的复数相关值。具体的，与直射通道不同，反射通道中不含本地载波与码的生成模块，而是通过动态分配的方式，直接引入与之对应的直射通道中生成的载波与码，实现信号的复用。由于本课题所设计的反演***主要针对岸基应用，因此可忽略反射信号与直射信号间的多普勒频移。反射通道通过倍频器获得码片延迟控制时钟，得到0.25码片间隔的20路时延PRN码，范围为-2～3码片。该延迟范围及分辨率足以满足反演需求。各支路的相关运算过程与直射通道相同，最终获得20路时延相关值，相关时间为1ms。

图3为本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测方法流程示意图，如图3所示，本发明所提供的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测方法，应用于所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置；一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测方法包括：

S101，获取导航卫星的直射信号以及经海面反射的导航卫星的反射信号；

S102，利用射频前端对所述直射信号和所述反射信号进行采样量化，得到数字中频信号；所述数字中频信号包括直射中频信号以及反射中频信号；

S103，对所述直射中频信号进行捕获、跟踪以及定位，得到导航信息，得到导航信息；所述导航信息包括：位置数据、时间数据以及每颗可见导航卫星的仰角和方位角；

S104，将所述导航信息直接引入直射通道中生成的载波和码，实现直射信号复用；

S105，反射通道通过倍频器获得码片延迟控制时钟，得到不同码时延的信号，并与反射通道中频信号进行载波剥离和伪随机码相关，得到不同时延下的复数相关值。

利用公式

计算出反射信号的相位信息。

其中，I(t)为反射信号的复数相关值的实部；Q(t)为反射信号的复数相关值的虚部。

S106，根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，包括：GNSS直射天线、GNSS反射天线、导航信号处理模块、海冰检测模块、无线传输模块、无线通信天线以及防护机箱；

所述GNSS直射天线垂直向天顶方向架设；所述GNSS直射天线用于接收导航卫星的直射信号；

所述GNSS反射天线朝着待观测海面斜向下架设；所述GNSS反射天线用于接收经海面反射的导航卫星的反射信号；

所述导航信号处理模块分别与所述GNSS直射天线和所述GNSS反射天线连接；所述导航信号处理模块用于捕获、跟踪以及定位所述直射信号，得到导航信息；所述导航信号处理模块还用于开环跟踪所述反射信号，得到不同时延下的复数相关值；所述导航信息包括：位置数据、时间数据以及每颗可见导航卫星的仰角和方位角；

所述海冰检测模块与所述导航信号处理模块连接；所述海冰检测模块用于根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果；所述载波相位信息与海冰相关；

所述无线传输模块与所述海冰检测模块连接；所述无线传输模块用于将所述检测结果以无线通信的方式传输至远程服务器；

所述无线通信天线与所述无线传输模块连接；所述无线通信天线用于为所述无线传输模块提供无线信号的接收和发送；

所述防护机箱内置所述导航信号处理模块、所述海冰检测模块以及所述无线传输模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述导航信号处理模块包括：射频前端和基带处理单元；

所述射频前端分别与所述GNSS直射天线以及所述GNSS反射天线连接；所述射频前端用于对所述直射信号和所述反射信号进行采样量化，得到数字中频信号；所述数字中频信号包括直射中频信号以及反射中频信号；

所述基带处理单元为DSP和FPGA混合架构，并与所述射频前端连接；所述基带处理单元用于对所述直射中频信号进行捕获、跟踪以及定位，得到导航信息，得到导航信息；并用于将反射中频信号与本地多路复制信号进行运算得到不同时延下的复数相关值。

3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述基带处理单元包括：FPGA处理器和DSP处理器；

所述FPGA处理器与所述射频前端连接；所述FPGA处理器用于完成本地载波与PRN码的生成，对所述数字中频信号进行运算；

所述DSP处理器分别与所述射频前端以及所述FPGA处理器连接；所述DSP处理器用于完成所述直射中频信号捕获、跟踪以及环路判定，并对所述FPGA处理器中的本地载波与伪码的生成进行控制，提取导航电文进行定位解算，配置反射通道。

4.根据权利要求3所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述FPGA处理器包括：锁存子单元与中继子单元；

所述锁存子单元与所述射频前端连接；所述锁存子单元用于对所述数字中频信号进行缓存与重编码，并将重编码后的直射信号以及重编码后的反射信号分别输入到直射通道和反射通道；

所述中断子单元采用计数器的方式生成1ms的积分清零信号，并用于进行直射通道和反射通道内结果累加，得到更新后的信号，进而将更新后的信号通过GPIO接口输入到DSP处理器中，激活DSP处理器中断程序，执行通道状态更新运算。

5.根据权利要求4所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述直射通道采用直接数字频率合成的方式生成两路相位相差90°的本地载波，并与所述直射中频信号进行混频，得到同向和正交两路信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述反射通道对所述反射中频信号进行载波剥离，产生时延PRN码，获得不同时延下的复数相关值。

7.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述GNSS直射天线采用右旋圆极化天线。

8.根据权利要求1所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置，其特征在于，所述GNSS反射天线采用左旋圆极化天线。

9.一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测方法，应用于权利要求1-8任意一项所述的一种基于GNSS-R载波相位的海冰检测装置；其特征在于，包括：

获取导航卫星的直射信号以及经海面反射的导航卫星的反射信号；

利用射频前端对所述直射信号和所述反射信号进行采样量化，得到数字中频信号；所述数字中频信号包括直射中频信号以及反射中频信号；

对所述直射中频信号进行捕获、跟踪以及定位，得到导航信息，得到导航信息；所述导航信息包括：位置数据、时间数据以及每颗可见导航卫星的仰角和方位角；

将所述导航信息直接引入直射通道中生成的载波和码，实现直射信号复用；

反射通道通过倍频器获得码片延迟控制时钟，得到不同码时延的信号，并与反射通道中频信号进行载波剥离和伪随机码相关，得到不同时延下的复数相关值；

根据不同时延下的复数相关值确定载波相位信息，并根据所述载波相位信息进行海冰检测，得到检测结果。

Images