陆面星载GNSS反射信号镜面反射点校准方法及系统

陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法及系统
技术领域
1.本发明涉及镜面反射点校准技术领域，特别是涉及一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法及系统。


背景技术：

2.星载gnss-r(全球导航卫星系统反射测量)几何关系是gnss-r分析时空和信号特性的基础，主要描述了gnss-r的空间体系分别与gnss卫星、镜面反射点以及低轨卫星三者在空间体系中的绝对关系和相对关系。星载gnss-r是一种镜向探测技术，不管是利用窄波束天线指向镜面反射点接收反射信号，还是选择在天线覆盖范围内对镜面反射信号进行处理，均需基于对gnss-r镜面反射点的估计进行指向角计算、信号时延选取、以及多普勒范围内信号捕获处理，因此镜面反射点是星载gnss-r几何关系的重要参考点。
3.在星载场景下必须考虑地球曲率的影响：反射面为一个曲面，而现有星载gnss-r任务的设计初始目标均为海洋探测，而海洋可建模为符合某种概率分布的随机粗糙表面，所以常用坐标系(如wgs-84坐标系)将地球模型等同为椭球模型能够很好的适用海洋遥感。但是对于陆地表面而言，地形地貌复杂且不符合随机分布特性，使用椭球模型计算出的镜面反射点与实际镜面反射点的偏差较大：目前星载gnss-r任务根据椭球模型计算得到的镜面反射路径、根据椭球模型计算得到的原始镜面反射点、实际真实镜面反射路径和实际镜面反射点如图1所示。由图1可看出：真实镜面反射点和根据椭球模型计算的原始镜面反射点有较大出入。
4.现有的镜面反射点搜索方法包括：黄金分割法、二分法、gleason算法、wu算法、wagner算法、椭球面算法以及adagrad自适应算法等，这些算法均能够实现对圆球面或椭球面上镜面反射点的位置估计。但陆地的实际反射面不是光滑的圆球面和椭球面，陆面的地势起伏在计算中需要利用高程模型对真实的地形进行模拟，而地面高程数据产品均具有有限的分辨率，是不连续的函数，无法实现镜面反射点在实际陆面反射面上的位置估计。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法及系统，能够对利用高程数据对基于圆球面模型或椭球面模型确定的镜面反射点进行校正，提高陆面星载gnss的测量精度。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法，包括：
8.获取初始镜面反射点集合；所述初始镜面反射点集合是由全球导航卫星系统将待测陆地区域等效为圆球面模型或椭球面模型确定的；
9.获取任一初始镜面反射点为当前初始镜面反射点；
10.根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面；
11.根据所述当前近似反射面确定所述当前初始镜面反射点的判决变量；
12.根据所述判决变量校准所述当前初始镜面反射点。
13.可选的，所述根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面，包括：
14.以所述当前初始镜面反射点为中心，以预设距离为边长构建当前九宫格；
15.确定当前九宫格中所有边缘格对应区域的平均高程；所述边缘格为九宫格中除当前初始镜面反射点所在格之外的格子；
16.确定所述平均高程所在平面为当前近似反射面。
17.可选的，所述根据所述当前近似反射面确定所述当前初始镜面反射点的判决变量，包括：
18.获取入射信号的入射角θi；
19.获取出射信号的出射角θr；
20.确定入射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第一夹角φi；
21.确定出射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第二夹角φr；
22.根据所述入射角、所述出射角、所述第一夹角和所述第二夹角，根据公式ψ＝|θ
i-θr| r|φ
i-φr|确定当前初始镜面反射点的判决变量；其中，ψ为判决变量；r为惩罚系数；0＜r＜1。
23.可选的，所述根据所述判决变量校准所述当前初始镜面反射点，包括：
24.判断所述判决变量是否小于判决阈值，得到第一判断结果；
25.若所述第一判断结果为是，则确定当前初始镜面反射点为陆面镜面反射点；
26.若所述第一判断结果为否，则根据当前九宫格中所有边缘格校准所述当前初始镜面反射点。
27.可选的，所述根据当前九宫格中所有边缘格校准所述当前初始镜面反射点，包括：
28.确定当前九宫格中所有边缘格的中点为伪镜面反射点；
29.根据所述当前近似反射面，确定每个伪镜面反射点的判决变量为伪判决变量；
30.判断最小伪判决变量是否小于判决阈值，得到第二判断结果；
31.若所述第二判断结果为是，则确定最小伪判决变量对应的伪镜面反射点为陆面镜面反射点；
32.若所述第二判断结果为否，则确定当前初始镜面反射点为类漫反射点。
33.可选的，在所述根据所述判决变量校准所述当前初始镜面反射点之后，还包括：
34.当前初始镜面反射点并返回步骤“根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面”直至历遍初始镜面反射点集合，得到陆面镜面反射点集合和类漫反射点集合。
35.一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准系统，包括：
36.初始镜面反射点集获取模块，用于获取初始镜面反射点集合；所述初始镜面反射点集合是全球导航卫星系统将待测陆地区域等效为圆球面模型或椭球面模型确定的；
37.当前初始镜面反射点获取模块，用于获取任一初始镜面反射点为当前初始镜面反射点；
38.当前近似反射面确定模块，用于根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面；
39.判决变量确定模块，用于根据所述当前近似反射面确定所述当前初始镜面反射点的判决变量；
40.校准模块，用于根据所述判决变量校准所述当前初始镜面反射点。
41.可选的，所述当前近似反射面确定模块包括：
42.当前九宫格构建单元，用于以所述当前初始镜面反射点为中心，以预设距离为边长构建当前九宫格；
43.平均高程确定单元，用于确定当前九宫格中所有边缘格对应区域的平均高程；所述边缘格为九宫格中除当前初始镜面反射点所在格之外的格子；
44.当前近似反射面确定单元，用于确定所述平均高程所在平面为当前近似反射面。
45.可选的，所述判决变量确定模块包括：
46.入射角获取单元，用于获取入射信号的入射角θi；
47.出射角获取单元，用于获取出射信号的出射角θr；
48.第一夹角确定单元，用于确定入射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第一夹角φi；
49.第二夹角确定单元，用于确定出射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第二夹角φr；
50.判决变量确定单元，用于根据所述入射角、所述出射角、所述第一夹角和所述第二夹角，根据公式ψ＝|θ
i-θr| r|φ
i-φr|确定当前初始镜面反射点的判决变量；其中，ψ为判决变量；r为惩罚系数；0＜r＜1。
51.可选的，所述校准模块包括：
52.第一判断单元，用于判断所述判决变量是否小于判决阈值，得到第一判断结果；若所述第一判断结果为是，则调用陆面镜面反射点确定单元；若所述第一判断结果为否，则调用校准单元；
53.陆面镜面反射点确定单元，用于确定当前初始镜面反射点为陆面镜面反射点；
54.校准单元，用于根据当前九宫格中所有边缘格校准所述当前初始镜面反射点。
55.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：
56.本发明提供了一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法及系统，包括获取初始镜面反射点集合；初始镜面反射点集合是全球导航卫星系统将待测陆地区域等效为圆球面模型或椭球面模型确定的；获取任一初始镜面反射点为当前初始镜面反射点；根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面；根据当前近似反射面确定当前初始镜面反射点的判决变量；根据判决变量校准当前初始镜面反射点。本发明通过反射点的高程数据构建当前近似反射面，并基于当前近似反射面校正将待测陆地区域等效为圆球面模型或椭球面模型确定镜面反射点，校正后的镜面反射点适用于陆面星载gnss，提高了陆面星载gnss的测量精度。
附图说明
57.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。
58.图1为本发明现有技术中真实镜面反射点和根据椭球模型的原始镜面反射点的关
系
59.图2为本发明实施例1中陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法流程图；
60.图3为本发明实施例2中地表区域待反演信息和观测量的关联图；
61.图4为本发明实施例3中第一校准原理图；
62.图5为本发明实施例3中第二校准原理图。
具体实施方式
63.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。
64.本发明的目的是提供一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法及系统，能够对利用高程数据对基于圆球面模型或椭球面模型确定的镜面反射点进行校正，提高陆面星载gnss的测量精度。
65.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。
66.实施例1
67.如图2，本实施例提供了一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准方法，包括：
68.步骤101：获取初始镜面反射点集合；初始镜面反射点集合是全球导航卫星系统将待测陆地区域等效为圆球面模型或椭球面模型确定的；
69.步骤102：获取任一初始镜面反射点为当前初始镜面反射点；
70.步骤103：根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面；
71.步骤103包括：以当前初始镜面反射点为中心，以预设距离为边长构建当前九宫格；确定当前九宫格中所有边缘格对应区域的平均高程；边缘格为九宫格中除当前初始镜面反射点所在格之外的格子；确定平均高程所在平面为当前近似反射面。
72.步骤104：根据当前近似反射面确定当前初始镜面反射点的判决变量；
73.步骤104包括：获取入射信号的入射角θi；获取出射信号的出射角θr；确定入射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第一夹角φi；确定出射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第二夹角φr；根据入射角、出射角、第一夹角和第二夹角，根据公式ψ＝|θ
i-θr| r|φ
i-φr|确定当前初始镜面反射点的判决变量；其中，ψ为判决变量；r为惩罚系数；0＜r＜1。
74.步骤105：根据判决变量校准当前初始镜面反射点。
75.步骤105包括：判断判决变量是否小于判决阈值，得到第一判断结果。若第一判断结果为是，则确定当前初始镜面反射点为陆面镜面反射点。
76.若第一判断结果为否，则根据当前九宫格中所有边缘格校准当前初始镜面反射点。
77.根据当前九宫格中所有边缘格校准当前初始镜面反射点包括：确定当前九宫格中所有边缘格的中点为伪镜面反射点；根据当前近似反射面，确定每个伪镜面反射点的判决变量为伪判决变量；判断最小伪判决变量是否小于判决阈值，得到第二判断结果；若第二判
断结果为是，则确定最小伪判决变量对应的伪镜面反射点为陆面镜面反射点；若第二判断结果为否，则确定当前初始镜面反射点为类漫反射点。
78.在步骤105之后，还包括：当前初始镜面反射点并返回步骤103直至历遍初始镜面反射点集合，得到陆面镜面反射点集合和类漫反射点集合。
79.实施例2
80.本实施例提供一种算法效率高，结果偏差小的校准方法，分别基于夹角和最短路径，利用gnss-r几何关系和非线性规划方法，创建镜点搜索的迭代算法，从而实现对真实镜面反射点位置的估计。
81.步骤1：获取星载gnss-r最重要的观测量：双基散射相关功率的时延-多普勒二维变量，即时延多普勒图(delay doppler map，ddm)，如公式所示：
[0082][0083]
此处，《|y(τ,f)|2》表示gnss多径反射信号中时延大小为τ、多普勒频率为f的反射信号分量与接收机本地伪随机码之间的相关功率，ti为接收机的相干积分时间；λ为gnss信号的载波波长；p
t
是gnss卫星发射功率；g
t
为gnss卫星发射天线增益；gr(ρ)为gnss反射信号接收天线增益；r0(ρ)是发射机到地面的范围r1(ρ)是地面到接收机的范围；为直射信号为p极化时反射信号采用q极化接收时的双基雷达散射系数；a表示信号照射区域。
[0084]
步骤2：ddm包含了反射面的待反演信息。结合节中等延时区与等多普勒区，建立地表区域待反演信息和ddm特征参数(观测量)之间的联系。映射关系如图3。
[0085]
步骤3：设星载gnss-r ddm最大功率点的时延为τ
max
，多普勒频移为d
max
。则定义反射点s的时延为：
[0086]
τs＝τ
dir-δp
ꢀꢀꢀ
(2)
[0087]
其中τs为gnss信号到达点s的码延时，τ
dir
为直射信号的码延时，δp为直射反射信号的码延时：
[0088][0089]
式中，为地心发射信号的gnss卫星向量，接收信号的gnss-r卫星向量，为初始镜面反射点s点的向量，δp的物理意义为反射信号路径与直射路径的差值。其中可以表示：
[0090][0091]
式中，为地球椭球模型(如wgs84)上具有维度(lat
′
)和经度偏移量(lon
′
)对应点的向量，δh为dem模型给出的高程。
[0092]
由此可以定义初始镜面反射点s到功率极大值点的时延为：
[0093]
δτ＝τ
max-τsꢀꢀꢀ
(5)
[0094]
步骤4：定义初始镜面反射点s的多普勒频移ds：
[0095]ds
＝dr d
t
d
clk
ꢀꢀꢀ
(6)
[0096]
式中，d
t
为gnss卫星运动引起的多普勒频移，dr为gnss-r卫星运动引起的频移，d
clk
为卫星式中偏移引起的多普勒频移。d
t
和dr可以分别通过公式(7)和(8)计算：
[0097][0098][0099]
式中，为gnss-r接收机的速度，为gnss卫星的速度，f为gnss信号的载波频率，c为光速。gnss-r卫星在当前近似反射面rst运动的单位向量，为gnss卫星在当前近似反射面rst运动的单位向量，其中：
[0100][0101][0102]
由此，反射点s相对于ddm功率极大值点的多普勒差值可以表示为：
[0103]
δd＝d
max-dsꢀꢀꢀ
(11)
[0104]
步骤5：考虑地形影响，对地面做网格化划分，s1，s2，s3，s4分别为反射点s在北、南、东西四个方向的临接点(伪镜面反射点)，如图4-5所示。
[0105]
图4-5中，p1为gnss信号的入射向量；p2为gnss信号出射向量，p
′1，p
′2为二者在真实地表的投影。由于初始镜面反射点s的位置是根据椭圆模型推算，不满足斯涅尔定律(即不满足θi≠θr)。
[0106]
为方便分析，以初始镜面反射点s为中心定义一个参考坐标系enu，指正东方向的单位向量；指正北方向的单位向量；指天顶方向的单位向量：
[0107][0108][0109][0110]
将入射向量p1和出射向量p2投影到enu坐标系中的反射平面：
[0111]
[0112]
p
′
1,e
、p
′
1,n
和p
′
1,u
分别表示入射向量p1投影到e坐标轴、n坐标轴和坐标系轴后的入射向量。
[0113][0114]
p
′
2,e
、p
′
2,n
和p
′
2,u
分别表示入射向量p2投影到e坐标轴、n坐标轴和坐标系轴后的入射向量。
[0115]
进而求得θi，θr，φi和φr：
[0116][0117][0118][0119][0120]
步骤6：基于θi，θr，φi和φr建立迭代算法，进行陆面镜面反射点的修正，描述如下：
[0121]
算法第一步：
[0122]
1.1)如图4-5，取数据集中第一个初始伪镜面反射点s点，利用dem计算八个相邻单元平均高程，并取近似反射面。基于近似反射面计算法线、各种角度(包括θi，θr，φi和φr)。
[0123]
1.2)定义判决变量ψ＝|θ
i-θr| r|φ
i-φr|，0＜r＜1为惩罚系数。设t0为判决阈值，若ψs＞t0，计算s点八个邻域单元中心点的ψ值。
[0124]
否则终止循环，确定s点为镜面反射点的最佳近似，将该点收入镜面反射集合。
[0125]
1.3)取八个邻域的最小判决变量ψ
′
，若ψ
′
＜ψs，将该点作为新的s点。否则终止循环，将该点数据收入非镜面反射集合。
[0126]
1.4)取数据集中下一个伪镜面反射点s点，回到步骤1.1)。若数据集中所有伪镜面反射点s点均已运算完毕，结束算法，得到镜面反射集合和类漫反射集合，后续在反演土壤湿度或植被参数时，可对两类集合采取不同的算法，并确定不同的精度级别。
[0127]
算法第二步：
[0128]
2.1)将类漫反射集合中的反射事件的ddm进行预处理，消除噪声或过校正影响，并计算类漫反射集合总能量其中，m
i,j
表示ddm第i行第j列元素的值。
[0129]
2.2)设定能量阈值e0＝ratio_k
×
e,(0＜ratio_k＜1)，将ddm中的元素值m
i,j
进行
排序，计算出能量之和大于阈值的前m个元素值，记为[m0,m1,...,mm]，即其中m0为ddm元素的最大值，m为满足条件最小的值。其中参数ratio_k是一个大于0小于1的分数。
[0130]
2.3)统计[m0,m1,...,mm]出现的位置分布概率，m0位置所在的极大概率区间即为反射能量主区域。
[0131]
最终得到镜面反射集合的校正后反射点以及类漫反射集合的反射能量主区域。反射能量主区域用于确定探测的主区域，进而建立反演模型。
[0132]
实施例3
[0133]
本实施例提供了一种陆面星载gnss反射信号镜面反射点校准系统，包括：
[0134]
初始镜面反射点集获取模块，用于获取初始镜面反射点集合；初始镜面反射点集合是全球导航卫星系统将待测陆地区域等效为圆球面模型或椭球面模型确定的。
[0135]
当前初始镜面反射点获取模块，用于获取任一初始镜面反射点为当前初始镜面反射点。
[0136]
当前近似反射面确定模块，用于根据当前初始镜面反射点的高程数据确定当前近似反射面。
[0137]
判决变量确定模块，用于根据当前近似反射面确定当前初始镜面反射点的判决变量。
[0138]
校准模块，用于根据判决变量校准当前初始镜面反射点。
[0139]
其中，当前近似反射面确定模块包括：当前九宫格构建单元，用于以当前初始镜面反射点为中心，以预设距离为边长构建当前九宫格；平均高程确定单元，用于确定当前九宫格中所有边缘格对应区域的平均高程；边缘格为九宫格中除当前初始镜面反射点所在格之外的格子；当前近似反射面确定单元，用于确定平均高程所在平面为当前近似反射面。
[0140]
具体的，判决变量确定模块包括：入射角获取单元，用于获取入射信号的入射角θi；出射角获取单元，用于获取出射信号的出射角θr；第一夹角确定单元，用于确定入射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第一夹角φi；第二夹角确定单元，用于确定出射信号在当前近似反射面上的投影与正东方向的第二夹角φr；判决变量确定单元，用于根据入射角、出射角、第一夹角和第二夹角，根据公式ψ＝|θ
i-θr| r|φ
i-φr|确定当前初始镜面反射点的判决变量；其中，ψ为判决变量；r为惩罚系数；0＜r＜1。
[0141]
此外，校准模块包括：第一判断单元，用于判断判决变量是否小于判决阈值，得到第一判断结果；若第一判断结果为是，则调用陆面镜面反射点确定单元；若第一判断结果为否，则调用校准单元；陆面镜面反射点确定单元，用于确定当前初始镜面反射点为陆面镜面反射点；校准单元，用于根据当前九宫格中所有边缘格校准当前初始镜面反射点。
[0142]
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。对于实施例公开的系统而言，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。
[0143]
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，本说明书内容不应理
解为对本发明的限制。