雷达高度计频率基准漂移的在轨监视及测高数据修正方法

摘要

本发明公开了雷达高度计频率基准漂移的在轨监视及测高数据修正方法，所述雷达高度计频率基准漂移的在轨监视方法用于利用守时计数器监视星载雷达高度计的频率基准漂移；所述方法包括：采集雷达高度计两个秒脉冲下降沿到来时刻的GNSS授时及守时计数器读数，由此计算守时计数器时钟的周期，再根据守时计数器时钟的标称周期计算雷达高度计频率基准的精度S，由此监视频率基准仪器的工作状态。通过本发明的方法，频率基准的性能可以在轨监测，并代入数据产品进行修正，不需要长期的定期在轨定标过程，节省大量的人力财力物力。

说明书

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，特别涉及雷达高度计频率基准漂移的在轨监视及测高数据修正方法。

背景技术

雷达高度计是一种主要应用于海洋探测的微波遥感器，它可以测量仪器正下方海面的平均高度、海面的有效波高和后向散射系数，这些测量结果经过进一步处理可以获得海面高度、海面有效波高和海面风速等数据产品，这些产品在海洋学、地球物理学和军事上具有广泛而重要的应用。

雷达高度计使用的频率基准的准确度决定着雷达高度计的测高准确度。由于温度变化、器件老化等原因，频率基准的工作频率点会发生漂移，从而导致高度计的测高准确度发生变化。因此需要对频率基准的准确度进行长期在轨标定。

目前，雷达高度计频率基准的在轨标定包括利用海洋定标场或者有源定标器进行定期在轨标定等方法。

GNSS授时方法采用GNSS整秒时间和GNSS整秒脉冲对用户设备进行校时，该方法可使用户设备的时间与绝对时间的误差普遍小于100ns，该误差不随时间变化而改变。

发明内容

本发明的目的在于提出雷达高度计频率基准漂移的在轨监视及测高数据修正方法。

本发明的技术方案为：一种雷达高度计频率基准漂移的在轨监视方法，用于利用守时计数器监视星载雷达高度计的频率基准漂移；所述方法包括：采集雷达高度计两个秒脉冲下降沿到来时刻的GNSS授时及守时计数器读数，由此计算守时计数器时钟的周期，再根据守时计数器时钟的标称周期计算雷达高度计频率基准的精度S，由此监视频率基准仪器的工作状态。

作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：

步骤1)在雷达高度计某一秒脉冲下降沿到来时刻，记录GNSS授时整秒时间TN1，以及采用高度计守时计数器读数N1；在另一秒脉冲下降沿到来时刻，记录GNSS授时整秒时间TN2，以及对应的守时计数器读数N2；

步骤2)计算雷达高度计的守时计数器时钟的周期

步骤3)计算雷达高度计频率基准的精度S：

其中，T_p为雷达高度计守时计数器时钟标称周期；

步骤4)将步骤3)获得的精度S与雷达高度计频率基准的许可范围进行比较，若在许可范围内，则频率基准仪器在轨正常；否则，频率基准仪器在轨异常，将异常信息和精度S发送至卫星管理方。

本发明还提供了一种雷达高度计频率基准漂移的测高数据修正方法，当卫星管理方接收到异常信息和精度S时，所述方法包括：对雷达高度计测量的高度值进行修正：

H'＝H(1+S)(17)

其中，H为雷达高度计地面重跟踪处理获得的高度值，H'为修正频率基准漂移后的高度值。

本发明的优点在于：

通过本发明的方法，频率基准的性能可以在轨监测，并代入数据产品进行修正，不需要长期的定期在轨定标过程，节省大量的人力财力物力。

附图说明

图1(a)为雷达高度计发射和接收线性调频脉冲的示意图；

图1(b)为雷达高度计单个脉冲测高示意图；

图2为本发明的频率性能监测原理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

首先给出频率基准精度与雷达高度计测量的高度的关系。

图1(a)和图1(b)给出了雷达高度计单个脉冲测高过程示意。图1(a)表示雷达高度计在E1时刻向海面发射了一个线性调频脉冲，然后在E2时刻产生一个接收参考线性调频脉冲作为回波本振参考；E1、E2时间差采用周期为T的参考计数时钟进行计数。图1(b)表示回波信号与图1(a)中的接收参考Chirp混频后，其差频Δf被ADC采样，然后经FFT运算获得具体数值Δf_FFT。

由图1(b)可以看出回波信号与接收参考Chirp的相对时延满足时频关系对：

Δt＝Δf_FFT/K(1)

式中，Δt表示相对时延，K表示线性调频斜率。

因此，雷达高度计的测量高度H可以表示为：

由公式(2)可知，参考源的准确度可能从以下三个方面决定着雷达高度计的测高精度：a)、参考计数时钟周期T的准确度；b)、ADC参考时钟的准确度，进而影响数值Δf_FFT的准确度；c)、线性调频斜率K的准确度。下面对其进行详细讨论。

以HY-2A雷达高度计为例，Chirp信号采用直接数字频率合成(Direct DigitalFrequency Synthesizer，DDFS)方法产生。DDFS产生Chirp信号的机理可以简述为：1、获得理想的以标称时宽T_DDS为采样周期的数字Chirp信号；2、将数字Chirp信号以采样周期为T_DDS进行数模DAC转换。设参与DDFS的数字Chirp信号样本值为S[1]、S[2]、……S[n]，当以标称时宽T_DDS合成Chirp信号时，其带宽为B，则当以实际时宽T_D'_DS合成时，其带宽为：

因此，实际调频斜率K’与标称调频斜率K的关系为：

设ADC工作标称频率为F_ADC，实际频率为F_A'_DC，则实测值Δf_FFT与标称值Δf的关系可以表示为：

又由于时频关系对Δf＝K'.Δt，代入公式(5)可得：

因此，实测值Δf_FFT对应的标称相对时延Δt，实测时延Δt'分别为：

Δt＝Δf_FFT/K(7)

设参考计数时钟周期实际值为T’，雷达高度计的参考计数时钟、DDS参考时钟、ADC时钟都通过频率基准派生获得，因此满足关系：

上式中，为频率基准的相对精度。

联立公式(2)、(7)、(8)、(9)可得测量高度H与实际高度H’的关系：

公式(10)表明，频率基准的准确度直接决定着高度测量结果的准确度。若频率准确度为10^-9，轨道高度为900公里左右，则由频率准确度引起的误差为1mm左右，合成孔径雷达高度计的测量精度约为7mm，两者处于同一数量级别，若对频率基准漂移不加以修正，则会影响合成孔径雷达高度计的测量精度。

雷达高度计通过GPS授时获得准确的协调世界时间。GPS授时的时间准确度是由授时方法决定的，不会产生时间累积误差；若在高度计内部设立一个守时计数器，该计数器采用频率基准进行计时且不参与校时，则计数器的误差不断累积。如图2所示，秒脉冲及广播来自于GPS授时系统，高度计守时计数时钟由频率基准派生。因此，守时计数时钟周期的准确度即可表示频率基准的准确度。

基于GPS授时的频率基准的频率准确度的统计监测方法具体做法如下：

在某一秒脉冲下降沿到来时刻，记录GPS授时整秒时间TN1，以及采用高度计守时计数器读数N1；在另一秒脉冲下降沿到来时刻，记录GPS授时整秒时间TN2，以及对应的守时计数器读数N2。设高度计守时计数器时钟标称周期为T_p，则由守时计数时钟测量获得两次纪录之间的时间差为ΔT_pulse＝(N2-N1)*T_p；对应由GPS授时测量获得的时间差为ΔT_GPS＝TN2-TN1。

GPS秒脉冲下降沿能够提供的精度的典型值为100ns。则两次纪录之间的GPS授时时间差的误差ξ(ΔT_GPS)≤200ns。

记守时计数器时钟周期误差为ξ_Tp，则两次纪录之间的守时计数累积误差为ξ(ΔT_pulse)＝(N2-N1)×ξ(T_p)。当ξ(ΔT_pulse)远大于ξ(ΔT_GPS)时，可以用下式估计守时计数器时钟的周期：

其中，表示采用累积法对T_p的估计。

公式(11)的估计方法引入的绝对误差为：

公式(12)两端各除以T_P，得到估计方法的相对误差为：

根据公式(13)可以获得两次纪录之间需要累积的时间：

令η_TP≤1×10^-10，ξ(ΔT_GPS)＝200ns，可得需要的累积时间T_acc≥2000s，这表示当累积时间大于2000s时，采用以上累积对比监测估计守时计数时钟周期的准确度为1×10^-10。

采用公式(11)获得守时计数器时钟标称周期的估计之后，就可以估计雷达高度计频率基准的精度S，监测S是否在许可范围内，实现对频率基准的在轨性能监测；

将获得的S与频率基准的许可范围进行对比，若在许可范围内，则表明频率基准仪器的在轨性能良好；若超出许可范围，则表明频率基准仪器的在轨性能恶化，需要报告卫星管理方，且对测高数据进行修正。具体修正方法为：

记H为地面重跟踪处理获得的高度，H'为修正频率基准漂移后的高度，则由公式(9)、(10)可得

公式(15)代入公式(10)，获得最终的修正表达式：

修正高度H'还可以表示为：

H'＝H(1+S)(17)

假定GNSS授时误差为100ns，两次整秒脉冲间隔时间为2天，则以上估计方法的精度可达：

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。