本發(fā)明屬于GNSS遙感探測和GNSS氣象學領域，具體涉及一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀。

背景技術：

隨著GNSS(Global Navigation Satellite System)日臻完善，GNSS遙感技術應運而生，并得到了長足的發(fā)展。GNSS遙感技術是利用無線電波在地球大氣中傳播，或被地物反射后的信號幅度、相位等物理量的變化，來反演地球大氣、海洋和土壤等氣象要素。目前，GNSS遙感技術主要包括GNSS掩星探測技術和GNSS-R(GNSS Reflectometry)探測技術。

GNSS掩星探測技術采用星載高動態(tài)GNSS接收機，對GNSS衛(wèi)星進行臨邊觀測獲得相位值，結合GNSS和低軌衛(wèi)星的位置、速度等信息計算彎曲角，然后用Abel積分變換反演得到大氣折射率，進而計算地球大氣的溫度、密度和氣壓等大氣參數(shù)剖面及電離層電子密度剖面。運用GNSS掩星探測技術可實現(xiàn)地球大氣層和電離層探測，具有高精度、高垂直分辨率、長期穩(wěn)定、全球覆蓋、全天候探測等優(yōu)勢，其探測資料對數(shù)值天氣預報、氣候與全球變化研究、臨近空間環(huán)境監(jiān)測與研究等具有重要的科學意義。自1995年美國的GPS/MET掩星計劃成功實施以來，多個國家競相發(fā)展自己的掩星計劃，目前已實施的掩星計劃有20多個，如COSMIC、CHAMP、MetOp-A等。

另外，科學家在處理掩星觀測數(shù)據(jù)的過程中，發(fā)現(xiàn)了反射信號觀測量，隨后開展了大量GNSS-R探測技術的相關研究，并證明了GNSS-R探測技術的可行性。GNSS-R探測技術的基本原理是：GNSS信號直接或經地面反射后，被衛(wèi)星或機載平臺上安裝的GNSS-R接收機同時接收，以鏡面反射點為基準產生反射信號的本地C/A碼，將GNSS接收機接收到的反射信號與本地實時生成的反射信號C/A碼相關后，可以得到反射信號的相關功率波形，由于GNSS的反射信號與地面參數(shù)密切相關，因此相關功率波形與地面物理參數(shù)也密切相關，比如，相關功率波形前沿的最大導數(shù)對應的碼時延與海面高度密切相關，相關功率波形后沿斜率與海面風速大小密切相關，通過建立相關功率波形與對地面物理參量的一一對應關系，從而實現(xiàn)反演地面物理參數(shù)的目的。上述GNSS-R探測技術也得到了星載驗證。

然而，目前GNSS掩星探測和GNSS-R探測是利用安裝在不同地球低軌道衛(wèi)星上的GNSS掩星接收機和GNSS-R接收機分別獨立實現(xiàn)的，沒有將GNSS掩星和GNSS-R探測有效的結合起來。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的GNSS無線電掩星探測儀不能同時實現(xiàn)GNSS掩星探測和GNSS-R探測的問題，提供一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀，本發(fā)明的GNSS無線電掩星探測儀適合安裝在地球低軌衛(wèi)星上，能夠同時接收GNSS衛(wèi)星直射信號、掩星信號和GNSS-R反射信號。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀，該探測儀包括：定位天線、掩星天線、反射天線、射頻單元和掩星處理單元。所述的定位天線探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的直射信號，所述的掩星天線包括大氣掩星天線和電離層掩星天線，所述的大氣掩星天線和電離層掩星天線分別探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的穿過大氣和電離層的掩星信號，所述的反射天線接收GNSS-R反射信號；所述的射頻單元將定位天線、大氣掩星天線、電離層掩星天線和反射天線接收的信號進行放大、射頻濾波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元；所述的掩星處理單元通過接收的射頻信號進行GNSS衛(wèi)星捕獲和跟蹤，并利用跟蹤后的信號計算獲得衛(wèi)星位置及速度信息、GNSS掩星信號的載波相位和幅度，以及GNSS-R反射信號的二維延遲多普勒圖(DDM)。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的射頻單元包括：低噪聲放大器和射頻濾波器；所述的低噪聲放大器用于將定位天線、反射天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的信號進行放大，并通過射頻濾波器進行射頻濾波。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的掩星處理單元包括：中頻處理電路和基帶處理電路；

所述的中頻處理電路包括：混頻器、中頻濾波器和AGC放大器，所述的混頻器用于將射頻信號下變頻至中頻信號，并通過中頻濾波器將該中頻信號進行濾波處理，所述的AGC放大器用于將濾波后的中頻信號進行放大處理后輸出至基帶處理電路；

所述的基帶處理電路包括：AD轉換器、FPGA芯片和CPU芯片，所述的AD轉換器將AGC放大器輸出的中頻信號轉換成數(shù)字信號后，通過CPU芯片控制FPGA芯片對該數(shù)字信號進行捕獲和跟蹤，對跟蹤后的信號進行偽距、載波相位測量，并解算出衛(wèi)星位置及速度信息、GNSS-R反射信號的二維延遲多普勒圖。

本發(fā)明的一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀優(yōu)點在于：

1)能夠實現(xiàn)同一載荷、同一衛(wèi)星同時進行GNSS掩星探測和GNSS-R遙感探測；

2)在傳統(tǒng)GNSS無線電掩星探測儀的結構基礎上，只添加一個反射天線和一個射頻單元，并對掩星處理單元增加反射信號的處理功能就能實現(xiàn)GNSS掩星和GNSS-R一體化探測，大大節(jié)省了衛(wèi)星所占空間和能源；

3)通過掩星處理單元將GNSS掩星探測數(shù)據(jù)和GNSS-R遙感探測數(shù)據(jù)相互融合，實現(xiàn)大氣、海洋三維立體無縫探測，提高了大氣和電離層反演數(shù)據(jù)的精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀結構示意圖。

圖2是本發(fā)明中的一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀系統(tǒng)設計框圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種兼容GNSS-R探測技術的GNSS無線電掩星探測儀，包括：定位天線、掩星天線、反射天線、射頻單元和掩星處理單元。定位天線接收來自天頂GNSS衛(wèi)星發(fā)射的直射信號，以實現(xiàn)其定位功能；所述的定位天線探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的直射信號，所述的掩星天線包括大氣掩星天線和電離層掩星天線，所述的大氣掩星天線和電離層掩星天線分別探測并接收GNSS衛(wèi)星發(fā)射的穿過大氣和電離層的掩星信號，所述的反射天線接收GNSS-R反射信號；所述的射頻單元將定位天線、反射天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的信號進行放大、射頻濾波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元；所述的掩星處理單元通過接收的射頻信號進行GNSS衛(wèi)星捕獲和跟蹤，并利用跟蹤后的信號計算獲得衛(wèi)星位置及速度信息、GNSS掩星信號的載波相位和幅度，以及GNSS-R反射信號的二維延遲多普勒圖。

基于上述結構的GNSS無線電掩星探測儀，如圖1所示，在本實施例中，所述的GNSS無線電掩星探測儀由四副天線、四臺射頻單元和一臺掩星處理單元組成。四副天線分別為定位天線、反射天線、前向掩星天線和后向掩星天線。四臺射頻單元分別為定位射頻單元、反射射頻單元、前向射頻單元和后向射頻單元。如圖2所示，所述的前向掩星天線包括前向電離層掩星天線和前向大氣掩星天線，所述的后向掩星天線包括后向電離層掩星天線和后向大氣掩星天線。同時前向電離層掩星天線接收前向電離層掩星信號，后向電離層掩星天線接收后向電離層掩星信號，大氣掩星信號則由對應的大氣掩星天線接收，GNSS-R反射信號則由反射天線接收。天線接收的信號，經對應的射頻單元放大濾波處理后，送至掩星處理單元進行信號處理。

前向掩星信號是指一開始被地球遮擋的GNSS衛(wèi)星仰角為負角度，然后仰角逐漸上升變大過程中的接收信號。后向掩星信號是指運動的GNSS衛(wèi)星仰角逐漸減小，最后被地球遮擋過程中的接收信號。例如：在由多顆衛(wèi)星組成的GPS系統(tǒng)中，每顆衛(wèi)星相對于定位和掩星天線的位置是實時變化的。如果衛(wèi)星的仰角大于0°，為直接信號，由定位天線接收。如果仰角小于0°，為掩星信號，再通過方位角判斷是用前向掩星天線還是后向掩星天線接收。

上述GNSS無線電掩星探測儀包含四個射頻單元，四個射頻單元中有一個定位射頻單元處理定位天線輸出的GNSS衛(wèi)星直射信號；兩個完全相同的前向射頻單元和后向射頻單元分別處理前向、后向大氣掩星天線和電離層掩星天線輸出的GNSS掩星信號，一個反射射頻單元處理反射天線輸出的GNSS-R反射信號。經四個射頻單元接收放大處理的信號均發(fā)送給掩星處理單元進行處理。

掩星處理單元接收經射頻單元放大濾波后的射頻信號，掩星處理單元主要功能是實現(xiàn)射頻信號的下變頻、基帶信號處理和觀測量解算。

如圖2所示，天線接收信號后均輸出至射頻單元電路進行處理。

所述的射頻單元由低噪聲放大器和射頻濾波器組成，其主要功能是對各天線接收的信號進行放大、選頻和濾波。所述的低噪聲放大器和射頻濾波器分別用于將定位天線、反射天線、大氣掩星天線和電離層掩星天線接收的信號進行放大和帶外濾波。射頻單元首先對輸入的信號進行低噪聲放大，射頻濾波處理后，將生成的射頻信號輸入至掩星處理單元。

所述的掩星處理單元由中頻處理電路和基帶處理電路組成。所述的中頻處理電路由混頻器、中頻濾波器、AGC放大器構成。所述的混頻器用于將射頻信號下變頻至中頻信號，并通過中頻濾波器將該中頻信號進行濾波處理，所述的AGC放大器用于將濾波后的中頻信號進行放大處理后輸出至基帶處理電路。

所述的基帶處理電路由AD轉換器、基帶處理FPGA芯片和CPU芯片組成，基帶處理FPGA芯片實現(xiàn)對下變頻和AD采樣后的GNSS信號進行捕獲和跟蹤。CPU芯片主要功能是對定位和掩星捕獲跟蹤后的GNSS信號進行偽距、載波相位觀測量的高精度測量，對定位的偽距、載波相位或二者的組合觀測量可進行實時的定位，對載波相位觀測量可用于事后精密定軌和提取掩星信號附加相位信息。具體操作過程為：通過CPU芯片控制基帶處理FPGA芯片對定位射頻通道GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星進行捕獲，將捕獲成功的衛(wèi)星放入跟蹤通道進行跟蹤。從基帶處理FPGA芯片通道中讀取原始測量值，并利用原始測量值計算出載波相位、碼偽距和碼相位，同時對成功跟蹤的衛(wèi)星信號進行電文解碼，電文中包含GNSS衛(wèi)星的相關信息，以獲取實時的衛(wèi)星位置及速度信息、大氣和電離層物理參數(shù)，以及GNSS-R反射信號的二維延遲多普勒圖(DDM)。

根據(jù)實時LEO衛(wèi)星的位置和星歷或歷書計算而來的GNSS衛(wèi)星的位置信息，以及掩星天線的觀測范圍，可以預報掩星事件，分配通道對掩星信號進行捕獲和跟蹤，獲取掩星信號的偽距和載波相位觀測量，在地面后處理過程中獲取大氣和電離層物理參量。同樣，根據(jù)實時LEO衛(wèi)星的位置和星歷或歷書計算而來的GNSS衛(wèi)星的位置信息，以及反射天線的觀測范圍，可以計算GNSS反射信號的鏡面反射點位置，并且要參考該GNSS定位通道信號的碼相位和多普勒頻率信息，對該GNSS反射信號進行二維碼延遲和多普勒延遲相關計算，從而獲取GNSS-R反射信號的二維延遲多普勒圖(DDM)，在地面后處理過程中獲取海洋表面或陸面的地球物理參數(shù)。此外，在臨邊掠射GNSS反射信號相位測高技術中，掩星信號的載波相位測量可以為反射信號載波相位測量提供初始參考；處理反射信號的基帶二維相關器也可以用來處理掩星信號，從而實現(xiàn)掩星信號的二維跟蹤，增強低層掩星信號的捕獲和跟蹤能力。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。