一种星地双基地差分干涉基线坐标以及形变量测量方法

1.一种星地双基地差分干涉基线坐标测量方法，其特征在于，采用S颗卫星向基准站和测量站发射信号，在需要进行坐标测量处放置测量站，所述基准站设置为雷达，接收每颗导航卫星发来的直达波信号；所述测量站设置为转发器，转发器接收每颗导航卫星的信号，该信号作为测量站信号转发至基准站；以基准站作为原点建立空间坐标系，该方法具体步骤如下：
步骤一：在基准站中，将所述直达波信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得直达波信号相位历史；
将所述测量站信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得测量站信号相位历史；
步骤二：利用测距码分别对所述直达波信号相位历史与所述测量站信号相位历史进行匹配滤波并提取峰值处的信号相位，分别获得直达波信号的方位向信号SR1和测量站信号的方位向信号St1；
步骤三：将SR1和St1共轭相乘，以实现基准站和测量站之间的空间差分；
步骤四：将步骤三中所获得的信号进行匹配滤波处理，并获取峰值处的相位，即为空间差分相位；
步骤五：选择一颗导航卫星作为参考卫星，将参考卫星除外的其他导航卫星的空间差分相位均减去参考卫星的空间差分相位，即实现导航卫星与参考卫星之间的星间差分，获得星间差分方程组；
步骤六：对于所述星间差分方程组，补偿一项由基准站到测量站的距离引起的基线延迟对应的相位；
步骤七：对于步骤六补偿后的空间差分方程组进行整数最小二乘估计，获得基线坐标的估计值。
2.如权利要求1所述的一种星地双基地差分干涉基线坐标测量方法，其特征在于，所述步骤四中，采用依据测量站的粗略测量位置和参考卫星位置构造的参考函数对步骤三中所获得的信号进行匹配滤波处理。
3.一种星地双基地差分干涉形变量测量方法，其特征在于，采用S颗卫星向基准站和测量站发射信号，在所需测量形变处设置测量站，所述基准站设置为雷达，接收每颗导航卫星发来的直达波信号；所述测量站设置为转发器，转发器接收每颗导航卫星的信号，该信号作为测量站信号转发至基准站；以基准站作为原点建立空间坐标系，该方法具体步骤如下：
步骤1：将所述直达波信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得直达波信号相位历史；
将所述测量站信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得测量站信号相位历史；
步骤2：利用测距码分别对所述直达波信号与所述测量站信号进行匹配滤波并提取峰值处的信号相位，分别获得直达波信号的方位向信号SR1和测量站信号的方位向信号St1；
步骤3：将SR1和St1共轭相乘，以实现基准站和测量站之间的空间差分；
步骤4：将步骤3中所获得的信号进行匹配滤波取峰值处的相位，即为空间差分相位；
步骤5：将所述步骤4中获得的空间差分相位，对相邻时间段的空间差分相位进行差分，获得时间差分方程组；
步骤6：对于所述时间差分方程组，补偿一项由基准站到测量站的距离引起的基线延迟对应的相位；
步骤7：采用如权利要求1所述的方法获得测量站的基线坐标，并在已知基线坐标的基础上，对时间差分方程组进行求解，得到形变量坐标。
4.如权利要求3所述的一种星地双基地差分干涉形变量测量方法，其特征在于，所述步骤4中，采用如权利要求1所述的基线坐标测量方法所获得的测量站的精确位置、以及参考卫星位置共同构造的参考函数对步骤三中所获得的信号进行匹配滤波处理。

一种星地双基地差分干涉基线坐标以及形变量测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于雷达信号处理技术领域。
背景技术
[0002] 差分GPS(DGPS)利用导航卫星作为发射平台，在需要测量坐标的位置处布置测量站差分GPS，在另一位置布置基准站的差分GPS，两DGPS同时接收导航信号，利用电离层，对流层延时和星历等误差的共模特性，利用高精度的载波相位，通过差分处理消除共模误差，从而实现测量值坐标的高精度估计，再进行时间差分即可对测量站相对于基准站的形变进行实时的监控。
[0003] 虽然一个基准站可以搭配多个测量站，但由于测量坐标时，在每个测量站都需要布置一个DGPS设备。而DGPS设备成本较高，不便于广泛应用。
[0004] 因此，开发一种低成本的形变监测方法，对于高精度形变测量领域具有重要意义。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种双基地差分干涉的基线坐标测量方法，利用转发器实现基线坐标的测量，其精度高、成本低且时间连续。为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0006] 采用S颗卫星向基准站和测量站发射信号，在需要进行坐标测量处放置测量站，基准站设置为雷达，接收每颗导航卫星发来的直达波信号；测量站设置为转发器，转发器接收每颗导航卫星的信号，该信号作为测量站信号转发至基准站；以基准站作为原点建立空间坐标系，该方法具体步骤如下：
[0007] 步骤一：在基准站中，将直达波信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得直达波信号相位历史。
[0008] 将测量站信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得测量站信号相位历史。
[0009] 步骤二：利用测距码分别对直达波信号相位历史与测量站信号相位历史进行匹配滤波并提取峰值处的信号相位，分别获得直达波信号的方位向信号SR1和测量站信号的方位向信号St1。
[0010] 步骤三：将SR1和St1共轭相乘，以实现基准站和测量站之间的空间差分。
[0011] 步骤四：将步骤三中所获得的信号进行匹配滤波处理，并获取峰值处的相位，即为空间差分相位。
[0012] 步骤五：选择一颗导航卫星作为参考卫星，将参考卫星除外的其他导航卫星的空间差分相位均减去参考卫星的空间差分相位，即实现导航卫星与参考卫星之间的星间差分，获得星间差分方程组。
[0013] 步骤六：对于星间差分方程组，补偿一项由基准站到测量站的距离引起的基线延迟对应的相位。
[0014] 步骤七：对于步骤六补偿后的空间差分方程组进行整数最小二乘估计，获得基线坐标的估计值。
[0015] 进一步地，步骤四中，采用依据测量站的粗略测量位置和参考卫星位置构造的参考函数对步骤三中所获得的信号进行匹配滤波处理。
[0016] 本发明同时提供了一种双基地差分干涉的形变量测量方法，利用转发器实现形变测量功能，具有高精度，低成本，时间连续的优点，为高精度形变测量提高了技术支持。
[0017] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：采用S颗卫星向基准站和测量站发射信号，在所需测量形变处设置测量站，基准站设置为雷达，接收每颗导航卫星发来的直达波信号；测量站设置为转发器，转发器接收每颗导航卫星的信号，该信号作为测量站信号转发至基准站；以基准站作为原点建立空间坐标系，该方法具体步骤如下：
[0018] 步骤1：将直达波信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得直达波信号相位历史。
[0019] 将测量站信号的相位与与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得测量站信号相位历史。
[0020] 步骤2：利用测距码分别对直达波信号与测量站信号进行匹配滤波并提取峰值处的信号相位，分别获得直达波信号的方位向信号SR1和测量站信号的方位向信号St1。
[0021] 步骤3：将SR1和St1共轭相乘，以实现基准站和测量站之间的空间差分。
[0022] 步骤4：将步骤3中所获得的信号进行匹配滤波取峰值处的相位，即为空间差分相位。
[0023] 步骤5：将步骤4中获得的空间差分相位，对相邻时间段的空间差分相位进行差分，获得时间差分方程组。
[0024] 步骤6：对于时间差分方程组，补偿一项由于卫星到测量站的距离引起的基线延迟对应的相位。
[0025] 步骤7：采用如权利要求1的方法获得测量站的基线坐标，并在已知基线坐标的基础上，对时间差分方程组进行求解，得到形变量坐标。
[0026] 进一步地，步骤4中，采用如权利要求1的基线坐标测量方法所获得的测量站的精确位置、以及参考卫星位置共同构造的参考函数对步骤三中所获得的信号进行匹配滤波处理。
[0027] 有益效果：
[0028] 1、本发明提出了一种基于导航卫星的星地双基地差分干涉基线坐标测量方法，该技术方案通过在需要测量坐标的位置处放置转发器，利用转发器将多颗导航卫星的信号转发至基准站，基准站同时对所接收到的多颗导航卫星直达波信号和转发器信号进行空间差分和时间积累，以充分消除共模误差和提高信噪比，再通过星间差分构造双差方程，求解得到基线坐标的估计值。
[0029] 2、本发明提出了一种基于导航卫星的星地双基地差分干涉形变量测量方法，该技术方案通过在需要测量形变的位置处放置转发器，利用转发器将多颗导航卫星的信号转发至基准站，基准站同时对所接收到的多颗导航卫星直达波信号和转发器信号进行空间差分和时间积累，以充分消除共模误差和提高信噪比，然后再通过时间差分构建关于形变量的双差方程，对多颗卫星组成的双差方程进行解算，来实现高精度的形变估计。
附图说明
[0030] 图1为系统构型示意图。
[0031] 图2为算法总流程图。
[0032] 图3为基线坐标估计流程图
[0033] 图4为形变量估计流程图
具体实施方式
[0034] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0035] 实施例1、如图1所示，采用S颗卫星向基准站和测量站发射信号，对测量站进行基准线坐标测量，基准站设置为雷达，接收每颗导航卫星发来的直达波信号；测量站设置为转发器，转发器接收每颗导航卫星的信号，该信号作为测量站信号转发至基准站；以基准站作为原点建立空间坐标系，如图2所示为本方法的流程，该方法包括两部分，分别为测量站的坐标估计流程和形变量的估计流程，其中步骤一～步骤七为测量站的坐标估计流程如图3，该方法具体步骤如下：
[0036] 步骤一、将直达波信号的相位与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得直达波信号相位历史；将测量站信号的相位与与基准站雷达本振信号相位进行混频处理，获得测量站信号相位历史。
[0037] 本实施例以具体的发射信号对该步骤一进行说明：
[0038] 设发射信号的相位为：
[0039]
[0040] 其中，t为时间，f0为标称载频，ΔfT(τ)为时变频率误差，τ为积分参变量， 为初相。
[0041] 转发器收到的信号相位为：
[0042]
[0043] 其中， 表示电离层、对流层、星历等引入的误差。Rm(t)为卫星到测量站的距离。
[0044] 雷达本振信号相位为：
[0045]
[0046] 其中，Δf1(τ)为接收机本振频率的时变误差。 为接收机本振的初始相位。
[0047] 雷达接收到的卫星直达波信号为：
[0048]
[0049] 其中， 表示发射机本振、电离层、对流层、星历等引入的误差，Rref(t)为雷达到卫星的距离。
[0050] 将接收到的信号混频后，相位历史为：
[0051]
[0052] 其中，从卫星到雷达的延时引入的相位：
[0053]
[0054] 雷达接收机引入的同步误差：
[0055]
[0056] 发射机引入的同步误差：
[0057]
[0058] 雷达接收到转发器的信号相位为：
[0059]
[0060] 其中，τtd为转发器延时，Rt(t)为雷达到转发器的距离。
[0061] 将接收到的转发器信号混频后，得到相位历史：
[0062]
[0063] 展开可得：
[0064]
[0065] 其中：
[0066] 表示从卫星到转发器的延时引入的相位，可写为：
[0067]
[0068] 表示从雷达到转发器的延时引入的相位，可写为：
[0069]
[0070] 表示转发器器件延时造成的相位。
[0071] 为发射本振频率误差引入的相位，可写为：
[0072]
[0073] 步骤二：利用测距码分别对直达波信号与测量站信号进行匹配滤波并提取峰值处的信号相位，分别获得直达波信号的方位向信号SR1和测量站信号的方位向信号St1。
[0074] 在本实施例中，利用CA码对直达波相位历史和转发器回波信号相位历史进行匹配滤波并提取峰值处的信号相位。设直达波对应的信号相位为：
[0075]
[0076] 其中，wR1(t)为直达波对应的信号相位中的噪声，NR1(t)为直达波对应的信号相位中的整周模糊度。
[0077] 转发器徙动曲线位置处的信号相位为：
[0078]
[0079] 其中，wt1(t)为转发器徙动曲线位置处的信号相位的噪声，Nt1(t)为转发器徙动曲线位置处的信号相位的整周模糊度。
[0080] 忽略幅度，直达波的方位向信号为：
[0081]
[0082] 转发器为：
[0083]
[0084] 步骤三：将SR1和St1共轭相乘，以实现基准站和测量站之间的空间差分。
[0085] 设：
[0086]
[0087] 其中，
[0088]
[0089] 其中，由发射机引入的同步误差为：
[0090]
[0091] 由于卫星的本振稳定度很高，并且经站间差分之后，式的积分时间很短，因此可认为 这也表明站间差分能够很好地消除卫星钟差。
[0092] 在基准站和转发器之间的距离很接近的情况下，转发器和直达波信号中电离层等误差可认为相同，即：
[0093]
[0094] 那么，有：
[0095]
[0096] 可见，空间差分消除了收发本振的初相、收发本振的同步误差以及雷达站和转发器对应的电离层误差等。但残留了转发器器件延迟引入的误差。而转发器的几何位置信息则保留在了 中。
[0097] 步骤四：将步骤三中所获得的信号进行匹配滤波取峰值处的相位，即为空间差分相位。
[0098] 本实施例中，设转发器的粗略位置为：
[0099]
[0100] 真实位置(形变前)为：
[0101]
[0102] 卫星参考位置为：
[0103]
[0104] 按照转发器的位置和参考卫星位置构造参考函数为：
[0105] S1_ref(t)＝exp[jθref_c(t)]   (27)
[0106] 其中，θref_c(t)为双站距离差对应的相位；
[0107] 利用S1_ref(t)作为参考函数对S1(t)进行匹配滤波处理，得到峰值处相位为：
[0108]
[0109] 其中，t1表示孔径中心时刻，wpeak(t1)为t1时刻峰值噪声,Npeak(t1)为t1时刻S1(t)峰值处整周模糊度。
[0110] 在另一时间段内，经过相同处理，得到峰值相位为：
[0111]
[0112] 其中，t2表示孔径中心时刻，wpeak(t2)为t2时刻峰值噪声,Npeak(t2)为t2时刻S1(t)峰值处整周模糊度。
[0113] 步骤五：选择一颗导航卫星作为参考卫星，将参考卫星除外的其他导航卫星的空间差分相位均减去参考卫星的空间差分相位，即实现导航卫星与参考卫星之间的星间差分，获得星间差分方程组。
[0114] 例如选取卫星j为参考卫星，对卫星i和j的匹配滤波后的峰值相位θpeak(t1)进行差分处理，得到：
[0115]
[0116] 可见，星间差分去除了转发器延时引入的相位以及基线引入的相位。
[0117] 步骤六：对于星间差分方程组，补偿一项由基准站到测量站的距离引起的基线延迟对应的相位。
[0118] 本实施例中，由于基准站接收到的信号中，卫星到转发器的距离对应的相位为：
[0119]
[0120] 即多了一个基线延迟时间，分析可知，该时间会引起最多大约1.2cm的误差，对于高精度的估计而言，应当进行补偿。
[0121] 对式(30)进行移项可得：
[0122]
[0123] 设：
[0124]
[0125]
[0126] 那么，有：
[0127]
[0128] 步骤七：对于步骤六补偿后的空间差分方程组进行整数最小二乘估计，获得基线坐标的估计值。
[0129] 等式左边为观测值、处理时人为构造的项以及可估计得到的项，等式右边和DGPS的双差观测量一样。因此，可套用DGPS的处理方法对测站坐标进行估计，由于是成熟算法，这里省略。
[0130] 实施例2、如图1所示，采用S颗卫星向基准站和测量站发射信号，对测量站进行形变测量，基准站设置为雷达，接收每颗导航卫星发来的直达波信号；测量站设置为转发器，转发器接收每颗导航卫星的信号，该信号作为测量站信号转发至基准站；以基准站作为原点建立空间坐标系，如图2所示为本方法的流程，该方法包括两部分，分别为测量站的坐标估计流程和形变量的估计流程，本实施例中形变量的测量流程如图4，其中步骤1～步骤4与实施例2中的步骤一～步骤四对应相等，步骤5～步骤7分别为：
[0131] 步骤5：将步骤四中获得的空间差分相位，对相邻时间段的空间差分相位进行差分，获得时间差分方程组；
[0132] 估计得到基线坐标之后，即进行形变量估计。该步骤中，站间差分和匹配滤波部分与测量测站坐标方案重复，差别仅在于，测站坐标方案中，所用的转发器位置为粗略位置，而形变测量中使用的是转发器的较精确的位置，因此不再赘述，将重复部分称为形变测量预处理。
[0133] 对匹配滤波后的相位进行时间差分，得到：
[0134]
[0135] 其中：
[0136] Npeak(t1,t2)＝Npeak(t1)-Npeak(t2)   (37)
[0137] w(t1,t2)＝wpeak(t1)-wpeak(t2)   (38)
[0138] 可见时间差分消除了转发器引入的延迟。时间差分保留了 该项含有形变信息。
[0139] 设t2相对于t1发生了形变，形变矢量为：
[0140]
[0141] 设转发器存在误差的位置矢量为：
[0142]
[0143] 可以证明，当时间间隔、测站的位置误差满足一定条件时，可认为：
[0144] Npeak(t1,t2)＝Npeak(t1)-Npeak(t2)＝0   (41)
[0145] 此时有：
[0146]
[0147] 步骤6：对于时间差分方程组，补偿一项由基准站到测量站的距离引起的基线延迟对应的相位。
[0148] 由于基准站接收到的信号中，卫星到转发器的距离对应的相位为：
[0149]
[0150] 即多了一个基线延迟时间，该时间会引起一定的误差，影响估计精度，因此应当进行补偿。
[0151] 设：
[0152]
[0153]
[0154] 设：
[0155]
[0156] 其中，下标i表示卫星编号。
[0157] 将(45)代入(46)得：
[0158]
[0159] 可见，在式(47)中，含有延迟误差的 项被不含有延迟误差的 所代替。
[0160] 步骤7：针对时间差分方程组进行求解，得到形变量坐标。
[0161] 对式(47)展开并做近似可得：
[0162]
[0163] 其中：
[0164]
[0165] 则最小二乘估计为：
[0166]
[0167] 其中：
[0168]
[0169] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。