专利名称：利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋微波遥感技术，更特别地说，是指一种利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统。

背景技术：
海洋遥感监测范围大、动态性高、气象条件复杂，微波遥感成为区域性和全球性海洋环境遥感监测的重要手段。目前，已有的SAR(Synthetic Aperture Radar)、散射计、高度计等微波遥感手段均利用后向散射同源观测的方式，数据收发成本高，时效性尚不能满足监测应用需求。全球卫星定位系统不仅为空间信息用户提供了导航定位信息，还提供了源源不断的L波段微波信号资源。基于全球卫星定位系统的GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)海洋微波遥感系统以其全天候、全天时、多信号源、宽覆盖、高时空分辨率等应用优势，在海洋环境遥感监测中展现出广阔的应用前景，将与现有的微波遥感手段协同对海观测，提高海洋环境信息的采集效率。


发明内容
本发明的目的是提供一种利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，该系统包括GNSS-R微波遥感器、任务监控工作站、数据处理与应用工作站和仿真分析工作站四部分内容。本发明系统有效解决了目前海洋遥感设备缺乏、数据利用时效性不高等问题，将为有人/无人机航空平台提供全天候、全天时、多信号源、宽覆盖、高时空分辨率的新型任务设备及处理分析手段。
GNSS-R微波遥感器具有多源导航卫星直射和回波散射信号同步接收、海量原始信号采样与相关处理、导航定位求解、不同时延/多普勒频移/相关功率计算、数据实时输出功能。
任务监控工作站具有对GNSS-R微波遥感器工作模式和参数设定、任务规划、遥感器采集数据存储与管理、任务状态实时监控等功能。
数据处理与应用工作站具有海面观测点位置和信号路径延迟计算、不同时延多普勒相关功率谱成像处理及海面风场、有效波高、海面高程等海洋环境要素反演功能。
仿真分析工作站通过参数输入、模型选择、数值计算，具有遥感探测几何关系、海面入射信号、海面散射回波信号、遥感器采集信号模拟功能。
本发明机载海洋微波遥感系统具有如下优点 ①本发明将为海洋环境监测提供新型的微波遥感手段，利用导航卫星L波段信号进行全天候、全天时对海观测。
②GNSS-R微波遥感器采用双基雷达模式，无须高功率发射机和相关电子设备，遥感器的复杂度和成本大大下降，而且体积小、重量轻、功耗低，有利于与其他设备同机协同观测。
③GNSS-R微波遥感器对各类导航卫星系统的多源多角度直射和海面回波信号同步接收与机上实时处理，输出的多普勒/时延相关功率数据便于实时传输，任务监控系统可自动实时显示导航卫星信号分布、遥感器工作状态、飞行平台状态信息。
④数据处理与应用工作站首次实现了对GNSS-R遥感器采集的不同时延/多谱勒相关功率及导航定位解等遥感数据快速自动预处理和成像处理，并可自动进行海面风速风向、海面高程、有效波高等海洋环境要素反演计算。
⑤仿真分析工作站可实现GNSS直射信号、海面散射信号、几何动态关系、遥感器采集信号的全路径仿真，为遥感器设计与应用提供仿真分析手段，降低对海试数据的依赖。
⑥海洋薇波遥感能够作为海洋、气象部门的有人/无人机载及地面配套设备装备，高时效、低成本采集海洋环境监测信息，服务于海洋防灾减灾、海洋经济发展、海上安全保障。



图1是本发明机载海洋微波遥感系统的结构框图。
图2是本发明机数据处理与应用工作站的结构框图。
图3是卫星、接收机和镜面反射点空间几何关系示意图。
图4是本发明海洋环境要素反演界面。
图4A是本发明不同风速风向相关功率理论波形图。
图4B是本发明海面相对高程反演结果图。
图4C是本发明有效波高的模式函数表征示意图。
图5是本发明成像处理模块界面。
图5A是本发明三维相关功率图。
图6是本发明仿真分析工作站的参数设置界面。
图6A是GNSS-R海洋遥感信号传输路径图。
图6B是本发明海面概率坡度密度分布图。
图6C是本发明海面前向散射系数分布图。
图6D是本发明海面菲涅尔反射系数与入射角关系图。
图6E是本发明海面散射信号时延相关功率的二维曲线。
图6F是本发明海面散射信号多谱勒相关功率的二维曲线。

具体实施例方式 下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，该系统包括有GNSS-R微波遥感器、任务监控工作站、数据处理与应用工作站和仿真分析工作站四部分。
一、GNSS-R微波遥感器 GNSS-R微波遥感器包括有右旋天线、左旋天线和延迟映射接收机，所述延迟映射接收机包括有双射频前端、模数转换器、直射信号处理模块和回波信号处理模块。所述延迟映射接收机为FPGA芯片+DSP芯片+编程构成。FPGA芯片选取EP2S60F672C5型号，DSP芯片选取TMS320C6713BGDP300型号。编程使用DK-DSP-2S60-N开发工具，在Quartus II软件环境下，采用Verlog硬件描述语言开发。
右旋天线对接收到的GNSS卫星的L波段的直射信号，并将该直射信号进行增益放大后形成右旋圆极化信号RFR输出给双射频前端。在本发明中，右旋天线为单阵列航空型天线，该天线的增益为3dB，波束角180°。
左旋天线对接收到的海面反射GNSS卫星的L波段的回波信号，并将该回波信号进行增益放大后形成左旋圆极化信号RFL输出给双射频前端。在本发明中，左旋天线为四阵列天线，该天线的增益为12dB，波束角30°。该左旋天线具有以下特点通过单馈点结构，实现天线阵列单元的组阵；通过采用连续旋转馈电结构，降低各天线单元之间的互耦系数；通过旋转串行馈电技术，增加天线阻抗带宽，降低E面和H面的旁瓣并利用其寄生辐射提高天线的圆极化特性。
双射频前端具有双输入结构，一方面对右旋圆极化信号RFR进行变频、放大和滤波处理后输出直射信号的模拟中频信号IFR；另一方面左旋圆极化信号RFL进行变频、放大和滤波处理后输出回波信号的模拟中频信号IFL。在本发明中，对于双射频前端中的独立通道，具有精密的变频、放大、滤波和增益控制电路。为了防止镜像干扰，射频前端采用超外差结构，并采用双级下变频方案。
导航卫星发送的1575.42MHz信号，通过其两级下变频后转换为模拟中频信号。第1级片内锁相环产生2456MHz本振信号与接收到的1575.42MHz混频为881MHz的第1级中频信号；第2级是将第1级产生的881MHz中频信号与本振频率为927MHz本振信号混频为46.42MHz，即输出模拟中频信号。
模块输出频率的-3dB带外抑制为同信号带宽，输出电平各路均为0dBm±1dB/50Ω。同时该模块集成10MHz的温补晶振，为后端数字化电路提供基准时钟，其参考频率稳定度±5×10-7Hz，与数字化模块采用反级性公头天线接口连接，并实现物理屏蔽隔离，有效的降低高频模拟与数字电路之间的噪声，使信号质量得到进一步的优化。自动增益控制(AGC)也是射频前端重要的组成部分，其作用是当输入信号电压变化很大时，保持射频前端输出电压几乎不变。作为一种反馈控制环路，其基本组成为AGC检波、低通滤波、直流放大三部分。
延迟映射接收机中的模数转换器用于对IFR和IFL进行转换，从而输出直射数字采样信号IFDR和回波数字采样信号IFDL。
直射信号处理模块对接收的IFDR进行捕获、跟踪，当跟踪卫星多于4颗时可实现接收机的定位，输出导航定位解信息FB给任务监控与数据管理；另一方面将处于跟踪状态的1～12个直射通道的数字中频信号FA输出给回波信号处理模块。
回波信号处理模块首先依据任务监控工作站中任务规划订制的通道信息IDn(n表示1，2，…，12个通道)对其进行通道配置，然后将FA经时间延迟和多谱勒频移后的信号与IFDL进行二维相关运算得到时延多谱勒二维相关功率FD输出给任务监控与数据管理模块。
在本发明中，FPGA芯片EP2S60F672C5主要作为直射通道与反射通道专用相关器和模块接口逻辑控制使用，其中包括12个直射通道专用相关器和12个反射通道专用相关器。DSP芯片TMS320C6713BGDP300主要完成信号处理工作和直射信号和反射信号的通道及环路控制功能。
二、任务监控工作站 任务监控工作站包括显示器、任务监控工控机、数据处理工控机和切换器。
在本发明中，任务监控工控机第一方面输出通道信息IDn对回波信号处理模块进行通道配置； 第二方面接收导航定位解信息FB和二维相关功率FD，并通过显示器中的图形显示来，对GNSS-R微波遥感器的工作状态进行监控； 第三方面对载机的飞行航线进行监控； 第四方面对导航定位解信息FB和二维相关功率FD分别进行野值剔除处理后输出修正后导航定位解NFB、二维相关功率NFD。
在本发明中，数据处理工控机通过双串口接收直射数字采样信号IFDR和回波数字采样信号IFDL，并将数据进行存储。
在本发明中，小型化任务监控工作站的技术难点在于使用一套键盘、鼠标、显示器对任务监控和数据管理两台工控机进行分时管理和操作。采用一分二多功能切换器将工业化显示器和一套键盘、鼠标与两台工控机连接，用户通过外部设计的双按钮结构可方便的实现对2台工控机计算与显示内容的切换控制。
本发明的任务监控工作站能够为GNSS-R微波遥感器提供数据存储、任务规划与状态监控、数据管理保障。在遥感器实时输出串口数据的正确读取与存储，利用显示器中设置的任务监控界面与数据处理与应用工作站进行通信、并记录数据的图形化回放显示、后台数据格式转换等，与遥感器实现了一体化集成。
三、数据处理与应用工作站 数据处理与应用工作站由计算机(也称A计算机)和运行在该A计算机中的海洋环境要素计算程序组成，所述的海洋环境要素计算程序包括有数据预处理模块、要素反演模块(海面风场反演、海面高程反演和有效波高反演)和成像处理模块。
参见图2所示，在本发明中，数据预处理模块包括有接收机天线位置估算模型、GNSS卫星内插模型、海面观测点位置计算模型、路径延迟模型和多普勒频移模型。
将从GNSS-R微波遥感器输出的修正二维相关功率NFD数据进行规整与筛选噪声滤波处理，以提高NFD中数据质量和可靠性。将修正导航定位解NFB分别进行接收天线位置估算、导航卫星位置内插、海面观测点位置计算、多普勒频移计算、信号路径延迟计算等处理，从而为要素反演模块和成像处理模块提供精确的参数。接收机天线位置模块 接收机左旋天线位置估算模型为 接收机右旋天线位置估算模型为 角标L为左旋天线(LHCP)； 角标R为右旋天线(RHCP)；


分别为左旋天线和右旋天线估算坐标； (XLD，YLD，ZLD)、(XRD，YRD，ZRD)分别为左旋、右旋天线与双频接收机天线之间的位移；

为接收机伪距差分坐标； MLR为机体空间旋转矩阵MLR＝[cosθ+(1-cosθ)x2，随机体姿态变化而变化。



为旋转角，为旋转轴的方向矢量。
GNSS卫星内插模型 在本发明中，采用切比雪夫多项式实现GNSS卫星位置的内插运算，设插值的初始时刻为t0，拟合时间长度为Δt，首先将计算GNSS卫星位置的时刻t归化到[-1，1]区间，则归化时刻τ有，且t∈[t0，t0+Δt]；则卫星坐标(x(τ)，y(τ)，z(τ)，)的切比雪夫参数方程为n表示多项式的阶数，i表示所需计算的项数，Cxi，Cyi，Czi表示多项式系数，Ti(τ)表示切比雪夫参数的递推中间量。
则Ti(τ)的递推关系式为Tn(τ)表示第n个切比雪夫参数的递推量。
在本发明中，利用Ti(τ)的递推关系式求出递推矩阵n表示多项式的阶数，m表示差值基点的个数。
式中，τ1，τ2，…，τm为给定时刻，设系数矩阵坐标矩阵则有A＝B·C。根据最小二乘原理，可得系数矩阵为C＝(BT·B)-1·B·A。将该系数矩阵C＝(BT·B)-1·B·A引入至切比雪夫参数方程 中计算出在区间[t0，t0+Δt]内任意时刻的GNSS卫星位置(x(τ)，y(τ)，z(τ))。
海面观测点位置计算模型 在假定地球为一个理想球体和不考虑地面起伏的条件下，只需知道GNSS卫星和接收机位置即可由空间几何关系求得海面观测点位置。
海面观测点(也称镜面反射点)是到发射机和接收机的距离之和最小的海面散射点。因GNSS卫星、接收机和镜面反射点在同一平面内，其空间几何关系如图3所示。图中，T，R，S，O分别表示GNSS卫星发射机、接收机、镜面反射点和地心；

分别为发射机、接收机和镜面反射点的矢量表示；H，h，γ分别为发射机高度、接收机高度和GNSS卫星相对于局部海平面的高度角。
镜面反射点在如图3所示的空间几何关系为 ，式中， (XT，YT，ZT)，(XR，YR，ZR)，(XS，YS，ZS)分别为发射机、接收机和海面散射点在地心坐标系下的坐标。当且仅当上式取得最小值时，(XS，YS，ZS)为镜面点。ρ表示信号经海面观测点到达接收机的路径。(LS，BS)是海面散射点(即海面观测点)在大地坐标系下的经纬度坐标 其中，a表示地球椭体的长半轴，b表示地球椭体的短半轴，N为参考椭球体卯酉圈曲率半径，且e表示地球椭球体的偏心率。
多普勒频移模型 多普勒频移是由于发射机与散射点、以及接收机与散射点之间的相对运动产生的。在地面局部坐标系统下，位于水平面上的任一散射点在某一时刻t所对应的多普勒频移计算模型为其中，

为散射点位置矢量，

分别为发射机和接收机的速度矢量，

为信号入射方向和散射方向的单位矢量，λ为GNSS卫星发射信号的载波波长。
路径延迟模型 在地面坐标系下实现路径延迟的计算。设局部海平面上某一散射点为

则路径延迟模型为式中，

为接收机位置矢量，

为GNSS卫星位置矢量，c电磁波传播速度，取3.0×108米/秒。
当

为镜面点时，路径延迟为 A计算机的最低配置为CPUPIII 500MHz以上；内存256MB系统内存及以上，最大支持内存4GB；硬盘容量＞250G；显卡标准VGA，24位真彩色；光驱、鼠标。Windows2000/XP/2003/Vista的操作系统。
成像处理模块 在本发明中，根据界面(参见图5所示)输入的相关数据，在A计算机中显示出二维和三维相关功率构形图(参见图5A所示)。
要素反演模块 在本发明中，要素反演根据界面(参见图4所示)输入的相关数据，在A计算机中进行下列功能反演 (A)风场反演风场反演包括有风速和风向计算，反演结果可以通过具有理论功率曲线进行表征。如图4A所示，图中的相关功率曲线能够较为直观地显示出不同风速和风向情况下的差别。
(B)海面测高反演海面测高反演包括有海面的相对高程和动力高度反演，反演结果可以通过具有理论功率曲线进行表征。如图4B所示，图中曲线表示出相对高程的反演结果。
相对高程反演具有计算平均海平面相对高程功能。
动力高度反演具有计算观测点相对于平均观测海平面高程功能。
(C)海浪有效波高反演具有有效波高等海浪要素反演功能。反演结果可以应用模式函数参数进行表征，如图4C所示。
四、仿真分析工作站 仿真分析工作站由计算机(也称B计算机)和运行在该B计算机中的GNSS-R仿真程序组成，所述的GNSS-R仿真程序包括有参数设置模块、模型选择模块和仿真计算模块。模型选择模块包括有海面入射信号仿真模型、海面散射信号仿真和遥感器采集信号仿真模型。在本发明中，每选取一个模型则对应有相应的参数设置，该参数设置通过界面(参见图6所示)进行数字登录。
GNSS-R信号传输路径见图6A。仿真分析系统通过参数设定、模型选择、仿真计算，输出GNSS-R遥感探测全流程仿真数据。
海面入射信号仿真模型 入射信号功率计算计算入射信号经过大气衰减后到达海面时的功率。
入射角计算入射信号相对地球椭球的入射角。
入射信号载噪比计算根据相应信噪比计算模型到达海面的入射信号载噪比。
海面散射信号仿真模型 海面坡度密度计算在设定的海况条件、GNSS卫星参数、接收平台参数、海浪谱模型和散射模型的条件下，计算海面散射区域内海面坡度概率密度的分布，如图6B所示。海面坡度密度计算关系其中sx、sy分别为沿x、y方向的海面坡度；σsx2、σsy2和bx，y分别为沿x、y方向的坡度均方差和协方差。
前向散射系数计算在设定的海况条件、GNSS卫星参数、接收平台参数、海浪谱模型和散射模型的条件下，计算海面散射区域内前向散射系数的分布，如图6C所示。前向散射系数计算关系R(r)为r＝(x，y)处的菲涅尔反射系数；Ppdf为海面坡度分布的概率密度函数(PDF)；q为散射矢量，其表达式为其中k＝2π/λ为GNSS载波波数；qx，qy，qz分别为散射矢量的x，y，z分量；q⊥＝(qx，qy)表示散射矢量的水平分量；

分别为发射器T到散射点S，散射点S到接收器R的单位矢量，其具体表示式为Rt＝|S-T|和Rr＝|R-S|分别是发射器和接收器到散射点的距离。
海面散射信号相关计算在设定的海况条件、GNSS卫星参数、接收平台参数、海浪谱模型和散射模型的条件下，海面散射区域内散射信号的定性分析(极化方式、功率大小和散射方向)，如图6D所示。海面散射信号相关计算关系从菲涅尔反射系数计算极化方式，式中，RVV、RHH分别为竖直和水平极化反射系数，ε为海水的复介电常数；θ为电磁波发射源的高度角。
遥感器采集信号仿真模型 天线增益计算软件仿真所用的左旋天线增益为12dB，波束角30度(厂家在提供时的产品说明书中有)。
相关功率等延迟二维计算在设定的仿真条件下，直射和散射信号相关功率波形峰值的延迟量；散射信号的时间延迟(相对于镜面点)-相关功率二维曲线。(参见图6E所示) 相关功率多普勒二维计算在设定的仿真条件下，直射和散射信号相关功率波形峰值对应的多普勒频率；散射信号的多普勒频移(相对于镜面点)-相关功率二维曲线。(参见图6F所示) B计算机的最低配置为CPUPIII 500MHz以上；内存256MB系统内存及以上，最大支持内存4GB；硬盘容量＞250G；显卡标准VGA，24位真彩色；光驱、鼠标。Windows2000/XP/2003/Vista的操作系统。
权利要求
1.一种利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于该机载海洋微波遥感系统包括GNSS-R微波遥感器、任务监控工作站、数据处理与应用工作站和仿真分析工作站四部分内容；
GNSS-R微波遥感器具有多源导航卫星直射和回波散射信号同步接收、海量原始信号采样与相关处理、导航定位求解、不同时延/多普勒频移/相关功率计算、数据实时输出功能；
任务监控工作站具有对GNSS-R微波遥感器工作模式和参数设定、任务规划、遥感器采集数据存储与管理、任务状态实时监控等功能；
数据处理与应用工作站具有海面观测点位置和信号路径延迟计算、不同时延多普勒相关功率谱成像处理及海面风场、有效波高、海面高程的海洋环境要素反演功能；
仿真分析工作站通过参数输入、模型选择、数值计算，具有遥感探测几何关系、海面入射信号、海面散射回波信号、遥感器采集信号模拟功能。
2.根据权利要求1所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于GNSS-R微波遥感器包括有右旋天线、左旋天线和延迟映射接收机，所述延迟映射接收机包括有双射频前端、模数转换器、直射信号处理模块和回波信号处理模块。
3.根据权利要求2所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于左旋天线为四阵列天线，能够满足500m～8000m航空遥感高度对海面回波信号的有效接收。
4.根据权利要求2所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于延迟映射接收机采用FPGA芯片+DSP芯片+编程构成；FPGA芯片选取EP2S60F672C5型号，DSP芯片选取TMS320C6713BGDP300型号；编程使用DK-DSP-2S60-N开发工具，在Quartus II软件环境下，采用Verlog硬件描述语言开发。
5.根据权利要求1或2所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于右旋天线对接收到的GNSS卫星的L波段的直射信号，并将该直射信号进行增益放大后形成右旋圆极化信号RFR输出给双射频前端；左旋天线对接收到的海面反射GNSS卫星的L波段的回波信号，并将该回波信号进行增益放大后形成左旋圆极化信号RFL输出给双射频前端；双射频前端具有双输入结构，一方面对右旋圆极化信号RFR进行变频、放大和滤波处理后输出直射信号的模拟中频信号IFR；另一方面左旋圆极化信号RFL进行变频、放大和滤波处理后输出回波信号的模拟中频信号IFL；延迟映射接收机中的模数转换器用于对IFR和IFL进行转换，从而输出直射数字采样信号IFDR和回波数字采样信号IFDL；直射信号处理模块对接收的IFDR进行捕获、跟踪，当跟踪卫星多于4颗时可实现接收机的定位，输出导航定位解信息FB给任务监控与数据管理；另一方面将处于跟踪状态的1～12个直射通道的数字中频信号FA输出给回波信号处理模块；回波信号处理模块首先依据任务监控工作站中任务规划订制的通道信息IDn对其进行通道配置，然后将FA经时间延迟和多谱勒频移后的信号与IFDL进行二维相关运算得到时延多谱勒二维相关功率FD输出给任务监控与数据管理模块。
6.根据权利要求1所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于任务监控工作站包括显示器、任务监控工控机、数据处理工控机和切换器；任务监控工控机第一方面输出通道信息IDn对回波信号处理模块进行通道配置；第二方面接收导航定位解信息FB和二维相关功率FD，并通过显示器中的图形显示来，对GNSS-R微波遥感器的工作状态进行监控；第三方面对载机的飞行航线进行监控；第四方面对导航定位解信息FB和二维相关功率FD分别进行野值剔除处理后输出修正后导航定位解NFB、二维相关功率NFD；数据处理工控机通过双串口接收直射数字采样信号IFDR和回波数字采样信号IFDL，并将数据进行存储。
7.根据权利要求1所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于数据处理与应用工作站由计算机和运行在该计算机中的海洋环境要素计算程序组成，所述的海洋环境要素计算程序包括有数据预处理模块、海面风场反演、海面高程反演和有效波高反演和成像处理模块；数据预处理模块包括有接收机天线位置估算模型、GNSS卫星内插模型、海面观测点位置计算模型、路径延迟模型和多普勒频移模型；
接收机左旋天线位置估算模型为
接收机右旋天线位置估算模型为
GNSS卫星内插模型采用切比雪夫多项式实现GNSS卫星位置的内插运算，设插值的初始时刻为t0，拟合时间长度为Δt，首先将计算GNSS卫星位置的时刻t归化到[-1，1]区间，则归化时刻τ有且t∈[t0，t0+Δt]；则卫星坐标(x(τ)，y(τ)，z(τ)，)的切比雪夫参数方程为n表示多项式的阶数，i表示所需计算的项数，Cxi，Cyi，Czi表示多项式系数，Ti(τ)表示切比雪夫参数的递推中间量；
则Ti(τ)的递推关系式为Tn(τ)表示第n个切比雪夫参数的递推量；
利用Ti(τ)的递推关系式求出递推矩阵n表示多项式的阶数，m表示差值基点的个数；
式中，τ1，τ2，...，τm为给定时刻，设系数矩阵坐标矩阵则有A＝B·C；根据最小二乘原理，可得系数矩阵为C＝(BT·B)-1·B·A；将该系数矩阵C＝(BT·B)-1·B·A引入至切比雪夫参数方程中计算出在区间[t0，t0+Δt]内任意时刻的GNSS卫星位置(x(τ)，y(τ)，z(τ))；
海面观测点位置计算模型中的海面观测点是到发射机和接收机的距离之和最小的海面散射点；因GNSS卫星、接收机和镜面反射点在同一平面内；
镜面反射点的空间几何关系为
式中，(XT，YT，ZT)，(XR，YR，ZR)，(XS，YS，ZS)分别为发射机、接收机和海面散射点在地心坐标系下的坐标；当且仅当上式取得最小值时，(XS，YS，ZS)为镜面点；ρ表示信号经海面观测点到达接收机的路径；(LS，BS)是海面散射点在大地坐标系下的经纬度坐标
其中，a表示地球椭体的长半轴，b表示地球椭体的短半轴，N为参考椭球体卯酉圈曲率半径，且e表示地球椭球体的偏心率；
多普勒频移是由于发射机与散射点、以及接收机与散射点之间的相对运动产生的；在地面局部坐标系统下，位于水平面上的任一散射点在某一时刻t所对应的多普勒频移计算模型为其中，
为散射点位置矢量，
分别为发射机和接收机的速度矢量，
为信号入射方向和散射方向的单位矢量，λ为GNSS卫星发射信号的载波波长；
路径延迟模型在地面坐标系下实现路径延迟的计算；设局部海平面上某一散射点为
则路径延迟模型为式中，
为接收机位置矢量，
为GNSS卫星位置矢量，c电磁波传播速度，取3.0×108米/秒；
当
为镜面点时，路径延迟为
8.根据权利要求1所述的利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，其特征在于仿真分析工作站由计算机和运行在该计算机中的GNSS-R仿真程序组成，所述的GNSS-R仿真程序包括有参数设置模块、模型选择模块和仿真计算模块；模型选择模块包括有海面入射信号仿真模型、海面散射信号仿真和遥感器采集信号仿真模型；仿真分析系统通过参数设定、模型选择、仿真计算，输出GNSS-R遥感探测全流程仿真数据；
海面入射信号仿真模型
入射信号功率计算计算入射信号经过大气衰减后到达海面时的功率；
入射角计算入射信号相对地球椭球的入射角；
入射信号载噪比计算根据相应信噪比计算模型到达海面的入射信号载噪比；
海面散射信号仿真模型
海面坡度密度计算在设定的海况条件、GNSS卫星参数、接收平台参数、海浪谱模型和散射模型的条件下，计算海面散射区域内海面坡度概率密度的分布；海面坡度密度计算关系其中sx、sy分别为沿x、y方向的海面坡度；σsx2、σsy2和bx，y分别为沿x、y方向的坡度均方差和协方差；
前向散射系数计算在设定的海况条件、GNSS卫星参数、接收平台参数、海浪谱模型和散射模型的条件下，计算海面散射区域内前向散射系数的分布；前向散射系数计算关系R(r)为r＝(x，y)处的菲涅尔反射系数；Ppdf为海面坡度分布的概率密度函数(PDF)；q为散射矢量，其表达式为其中k＝2π/λ为GNSS载波波数；qx，qy，qz分别为散射矢量的x，y，z分量；q⊥＝(qx，qy)表示散射矢量的水平分量；
分别为发射器T到散射点S，散射点S到接收器R的单位矢量，其具体表示式为Rt＝|S-T|和Rr＝|R-S|分别是发射器和接收器到散射点的距离；
海面散射信号相关计算在设定的海况条件、GNSS卫星参数、接收平台参数、海浪谱模型和散射模型的条件下，海面散射区域内散射信号的定性分析；海面散射信号相关计算关系从菲涅尔反射系数计算极化方式，式中，RVV、RHH分别为竖直和水平极化反射系数，ε为海水的复介电常数；θ为电磁波发射源的高度角；
遥感器采集信号仿真模型
天线增益计算软件仿真所用的左旋天线增益为12dB，波束角30度；
相关功率等延迟二维计算在设定的仿真条件下，直射和散射信号相关功率波形峰值的延迟量；散射信号的时间延迟-相关功率二维曲线；
相关功率多普勒二维计算在设定的仿真条件下，直射和散射信号相关功率波形峰值对应的多普勒频率；散射信号的多普勒频移-相关功率二维曲线。
全文摘要
本发明公开了一种利用全球卫星定位系统信号源的机载海洋微波遥感系统，GNSS-R遥感器接收和处理导航卫星直射和海面回波信号，输出不同时延多普勒相关功率和导航定位解；任务监控工作站进行航路规化、遥感器任务状态实时监控和数据存储管理；数据处理与应用工作站对遥感器采集的数据进行筛选、规整、降噪预处理，将处理后数据进行成像处理和要素反演得到海面风场、海面高程、有效波高等海洋环境监测信息；仿真分析工作站提供GNSS-R全路径仿真信号。本发明系统有效解决了目前海洋微波遥感设备缺乏、数据应用时效性不高等问题，将为有人/无人机航空平台提供全天候、全天时、多信号源、宽覆盖、高时空分辨率的新型任务设备及处理分析手段。
文档编号G01S13/00GK101833090SQ20101012296
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者李紫薇, 周晓中, 顾行发, 张红雷, 王晋年, 杨东凯, 张益强, 路勇, 杨晓峰, 周翔, 于暘, 叶小敏, 刘书明, 李伟强, 王炎, 周雅楠, 李明里 申请人:中国科学院遥感应用研究所