基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置及方法
阅读说明：本技术 基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置及方法 (Device and method for evaluating ocean atmospheric waveguide potential energy based on satellite system ) 是由 田斌 孙立东 范润龙 察豪 何小光 陈子豪 张厶允 于 2021-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置及方法,评估装置中,左旋圆极化天线和右旋圆极化天线分别用于接收经海面散射及高角度直射或反射的卫星信号；卫星信号高精度接收机模块接收卫星信号,并进行信号处理,得到原始观测信息；数据采集和存储模块接收并存储原始观测信息,并转载至主机模块；主机模块中的数据处理模块根据原始观测信息计算信号经过电离层和对流层的延迟量,从而反演得到大气波导势能。通过本发明的技术方案,能够反演各个类型的大气波导势能以评估大范围内空间维度上的海洋大气折射环境体,且不受地理因素影响,可岸基、可船载、可随身携带,无需信号源,可对海洋大气折射环境进行无源评估。(The invention discloses a satellite system-based ocean atmospheric waveguide potential energy evaluation device and a satellite system-based ocean atmospheric waveguide potential energy evaluation method, wherein in the evaluation device, a left-hand circularly polarized antenna and a right-hand circularly polarized antenna are respectively used for receiving satellite signals scattered by the sea surface and directly transmitted or reflected by a high angle; the satellite signal high-precision receiver module receives a satellite signal and performs signal processing to obtain original observation information; the data acquisition and storage module receives and stores original observation information and transfers the original observation information to the host module; and a data processing module in the host module calculates the delay amount of the signal passing through the ionosphere and the troposphere according to the original observation information, so that the atmospheric waveguide potential energy is obtained through inversion. Through the technical scheme of the invention, the ocean atmospheric refraction environment body in large-range spatial dimension can be evaluated by inverting each type of atmospheric waveguide potential energy, is not influenced by geographic factors, can be shore-based, shipborne and portable, does not need a signal source, and can be passively evaluated.)
技术领域
本发明涉及海洋大气折射环境体评估技术领域，尤其涉及一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置及一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估方法。
背景技术
海上大气环境特性研究对海上的一切军事活动以及民用通信都具有极其重要的战略意义和应用前景，对电子武器系统作战性能的发挥具有重要的参考及应用价值。对大气波导的探测不但可以提高电子信息武器系统的抗干扰能力，使己方在复杂电磁环境中的作战行动免受影响，而且还可以充分利用大气波导的传播特性进行低空突防和提高反舰巡航导弹飞行的隐蔽性和突防性等方面的重要应用；对满足我国微波频段的雷达、通信和侦测等无线电系统的设计及工作性能评估、对无线电波频谱的管理等方面都具有重大的理论和现实意义。
目前，国内外进行大气波导实时评估监测的方法主要分为直接测量技术、模型诊断技术、反演监测技术三类。其中反演监测技术中，基于全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System，GNSS)的反演监测技术为本发明主要研究方法，也就是我国自主研制的北斗卫星导航系统。虽然国内外研究人员开展了很多基于全球导航卫星系统反演监测技术的研究，丰富了大气波导的监测手段，但在实际运用中仍存在不足，具体表现为：一是对卫星以及接收位置有一定的要求，同时需要高灵敏度接收机，现有舰载接收机无法满足；二是对低空大气波导的反演精度较弱，无法提供中低空垂直方向上高分辨率的大气波导信息。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置及方法，通过接收来自不同方位的导航卫星信号，在大范围内的空间维度上可以做到对散射、反射及直射信号的接收和分析，反演各个类型的大气波导势能及其特征量，以评估大范围内空间维度上的海洋大气折射环境体以及其对于电磁波传播的效能；且该设备不受地理因素影响，可岸基、可船载、可随身携带，无需信号源，可对海洋大气折射环境进行无源评估。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置，包括：卫星信号接收天线模块、卫星信号高精度接收机模块、数据采集和存储模块、主机模块和电源模块；所述卫星信号接收天线模块包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线，所述左旋圆极化天线用于接收经海面散射的卫星信号，所述右旋圆极化天线用于接收高角度直射或反射的卫星信号；所述卫星信号高精度接收机模块与所述卫星信号接收天线模块相连接，用于接收所述卫星信号接收天线模块发送来的卫星信号，并对所述卫星信号进行信号处理，得到所述卫星信号的原始观测信息；所述数据采集和存储模块接收并存储所述卫星信号高精度接收机模块中的所述原始观测信息，并将所述原始观测信息转载至所述主机模块；所述主机模块包括数据处理模块，所述数据处理模块根据所述原始观测信息计算信号经过电离层和对流层的延迟量，从而反演得到大气波导势能；所述电源模块为所述数据采集和存储模块及所述主机模块供电。
在上述技术方案中，优选地，所述卫星信号高精度接收机模块包括接口板卡和核心定位板卡；所述接口板卡与所述卫星信号接收天线模块相连接，所述接口板卡接收所述卫星信号接收天线模块发送来的卫星信号并传输至所述核心定位板卡；所述核心定位板卡对所述卫星信号进行解调解扩、导航解算以获取自身位置，同时获得所述卫星信号的功率、伪距和载波相位观测值作为原始观测信息。
在上述技术方案中，优选地，所述数据采集和存储模块包括数据采集器和数据存储器，所述数据采集器接收所述卫星信号高精度接收机模块输出的所述原始观测信息，并发送至所述数据存储器中存储，并转载至所述主机模块中进行数据处理。
在上述技术方案中，优选地，所述主机模块还包括加固工控机和触屏式终端显示器，所述数据处理模块装载于所述加固工控机内，所述数据处理模块通过所述加固工控机的接口与所述数据采集和存储模块相连接，所述数据处理模块与所述触屏式终端显示器相连接，所述触屏式终端显示器对所述数据处理模块解析处理后的数据进行可视化显示，同时接收外部触控指令。
在上述技术方案中，优选地，所述电源模块包括交流稳压电源和交流直流电源，所述交流稳压电源为所述主机模块提供交流电，所述交流直流电源为所述数据采集和存储模块提供直流电。
在上述技术方案中，优选地，所述数据处理模块将所述原始观测信息中信号经过电离层的延迟量抵消，并将信号经过对流层的延迟量提取出来，将信号中包含的气压、温度和水汽信息提取出来，反演得到对流层中的大气修正折射率廓线图，进而反演得到不同类型的大气波导。
在上述技术方案中，优选地，所述左旋圆极化天线和所述右旋圆极化天线内置有低噪声放大模块，所述低噪声放大模块采用前置及多级滤波器滤除干扰信号。
本发明还提出一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估方法，应用于如上述技术方案中任一项提出的基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置，包括：通过卫星信号接收天线的左旋圆极化天线接收经海面散射的卫星信号，通过右旋圆极化天线接收高角度直射或反射的卫星信号；将所述左旋圆极化天线和所述右旋圆极化天线接收到的卫星信号发送至卫星信号高精度接收机模块进行信号处理，得到所述卫星信号的原始观测信息；通过数据采集和存储模块接收并存储所述原始观测信息，并将所述原始观测信息转载至主机模块；通过所述主机模块的信息处理模块对所述原始观测信息进行数据处理，计算信号经过电离层和对流层的延迟量，从而反演得到大气波导势能。
在上述技术方案中，优选地，所述通过所述主机模块的信息处理模块对所述原始观测信息进行数据处理，计算信号经过电离层和对流层的延迟量，从而反演得到大气波导势能的具体过程包括：
将所述原始观测信息中信号经过电离层的延迟量抵消；将信号经过对流层的延迟量提取出来；将信号中包含的气压、温度和水汽信息提取出来；反演得到对流层中的大气修正折射率廓线图，进而反演得到不同类型的大气波导。
在上述技术方案中，优选地，所述卫星信号高精度接收机模块进行信号处理以得到所述卫星信号的原始观测信息的具体过程包括：对所述卫星信号进行解调解扩，导航解算以获取自身位置；根据所述卫星信号计算得到功率、伪距和载波相位观测值，作为原始观测信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过接收来自不同方位的导航卫星信号，在大范围内的空间维度上可以做到对散射、反射及直射信号的接收和分析，反演各个类型的大气波导势能及其特征量，以评估大范围内空间维度上的海洋大气折射环境体以及其对于电磁波传播的效能；且该设备不受地理因素影响，可岸基、可船载、可随身携带，无需信号源，可对海洋大气折射环境进行无源评估。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的基于卫星系统的海洋大气波导势能评估方法的流程示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
11.卫星信号接收天线模块，12.卫星信号高精度接收机模块，13.数据采集和存储模块，14.主机模块，15.电源模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置，包括：卫星信号接收天线模块11、卫星信号高精度接收机模块12、数据采集和存储模块13、主机模块14和电源模块15；
卫星信号接收天线模块11包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线，左旋圆极化天线用于接收经海面散射的卫星信号，右旋圆极化天线用于接收高角度直射或反射的卫星信号；
卫星信号高精度接收机模块12与卫星信号接收天线模块11相连接，用于接收卫星信号接收天线模块11发送来的卫星信号，并对卫星信号进行信号处理，得到卫星信号的原始观测信息；
数据采集和存储模块13接收并存储卫星信号高精度接收机模块12中的原始观测信息，并将原始观测信息转载至主机模块14；
主机模块14包括数据处理模块，数据处理模块根据原始观测信息计算信号经过电离层和对流层的延迟量，从而反演得到大气波导势能；
电源模块15为数据采集和存储模块13及主机模块14供电。
在该实施例中，通过接收来自不同方位的导航卫星信号，如北斗导航卫星信号，在大范围内的空间维度上可以做到对散射、反射及直射信号的接收和分析，反演各个类型的大气波导势能及其特征量，以评估大范围内空间维度上的海洋大气折射环境体以及其对于电磁波传播的效能；且该设备不受地理因素影响，可岸基、可船载、可随身携带，无需信号源，可对海洋大气折射环境进行无源评估。
具体地，左旋圆极化天线和右旋圆极化天线分别用于接收卫星直射信号、卫星反射信号和经海面后的散射信号，不单单是针对低仰角的海面散射掩星信号进行收集分析，还考虑到来自高仰角的穿透非掩星信号进行收集分析，从而能够反演不同高度和层次下各个大气波导的类型及其特征量，评估大范围内空间维度上的海洋大气折射环境体，并且不受信号入射角的影响，对海上环境做到实时监控和评估。
此外，该装置的各模块组合能够完整实现海洋大气波导势能评估，不受地理因素影响，可岸基、可船载、可随身携带。
在上述实施例中，优选地，卫星信号高精度接收机模块12包括接口板卡和核心定位板卡；接口板卡与卫星信号接收天线模块11相连接，接口板卡接收卫星信号接收天线模块11发送来的卫星信号并传输至核心定位板卡；核心定位板卡是核心部分，对卫星信号进行解调解扩、导航解算以获取自身位置，同时获得卫星信号的功率、伪距和载波相位观测值作为原始观测信息。
具体地，硬件设计主要分为3个方面，即射频前端、FPGA(Field ProgrammableGate Array，现场可编程逻辑门阵列)、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)。天线接收的卫星直射信号与散射信号分别经过射频前端处理转换成中频信号后送入到FPGA中。FPGA进行信号基带的捕获跟踪，并将基带输出的观测量信息通过EMIF总线送入到DSP中，DSP进行PVT解算，并将解算结果、卫星相关信息通过串口输出，并通过EMIF总线控制FPGA对GNSS散射信号的捕获、跟踪及时延功率测量等。
在上述实施例中，优选地，数据采集和存储模块13包括数据采集器和数据存储器，数据采集器接收卫星信号高精度接收机模块12输出的原始观测信息，并发送至数据存储器中存储，并转载至主机模块14中进行数据处理。
在上述实施例中，优选地，主机模块14还包括加固工控机和触屏式终端显示器，数据处理模块装载于加固工控机内，数据处理模块通过加固工控机的接口与数据采集和存储模块13相连接，为突出便携式的优势性，数据处理模块与触屏式终端显示器相连接，触屏式终端显示器对数据处理模块解析处理后的数据进行可视化显示，同时接收外部触控指令。
在上述实施例中，优选地，电源模块15包括交流稳压电源和交流直流电源，交流稳压电源为主机模块14提供220V交流电，交流直流电源为数据采集和存储模块13提供12V直流电。
在上述实施例中，优选地，数据处理模块基于某些假设和采用某种数学模型，估算出天顶对流层延迟的大小，具体地，将原始观测信息中信号经过电离层的延迟量抵消，并将信号经过对流层的延迟量提取出来，将信号中包含的气压、温度和水汽信息提取出来，反演得到对流层中的大气修正折射率廓线图，进而反演得到不同类型的大气波导势能。
具体地，数据处理模块包括一个高精度GNSS数据处理软件，该软件装载于加固工控机中，可做到采集与处理实时进行的优势，软件功能包括数据文件读取，北斗非差数据的预处理，IGS(International GNSS Service，国际GNSS服务)精密卫星星历和钟差数据的差值计算，各种误差的模型改正与计算，双频伪距精密单点定位，双频相位精密单点定位，最终输出接收机坐标、钟差及其方差-协方差信息。
在上述实施例中，优选地，左旋圆极化天线和右旋圆极化天线内置有低噪声放大模块，低噪声放大模块采用前置及多级滤波器滤除干扰信号，保证在恶劣电磁环境下正常工作；且体积小巧，重量轻。
如图2所示，本发明还提出一种基于卫星系统的海洋大气波导势能评估方法，应用于如上述实施例中任一项提出的基于卫星系统的海洋大气波导势能评估装置，包括：
通过卫星信号接收天线的左旋圆极化天线接收经海面散射的卫星信号，通过右旋圆极化天线接收高角度直射或反射的卫星信号；
将左旋圆极化天线和右旋圆极化天线接收到的卫星信号发送至卫星信号高精度接收机模块12进行信号处理，得到卫星信号的原始观测信息；
通过数据采集和存储模块13接收并存储原始观测信息，并将原始观测信息转载至主机模块14；
通过主机模块14的信息处理模块对原始观测信息进行数据处理，计算信号经过电离层和对流层的延迟量，从而反演得到大气波导势能。
在上述实施例中，优选地，通过主机模块14的信息处理模块对原始观测信息进行数据处理，计算信号经过电离层和对流层的延迟量，从而反演得到大气波导势能的具体过程包括：
将原始观测信息中信号经过电离层的延迟量抵消；将信号经过对流层的延迟量提取出来；将信号中包含的气压、温度和水汽信息提取出来；反演得到对流层中的大气修正折射率廓线图，进而反演得到不同类型的大气波导势能。
在上述实施例中，优选地，卫星信号高精度接收机模块12进行信号处理以得到卫星信号的原始观测信息的具体过程包括：对卫星信号进行解调解扩，导航解算以获取自身位置；根据卫星信号计算得到功率、伪距和载波相位观测值，作为原始观测信息。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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