基于gnss反射信號探測海洋參數(shù)的一體工控裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于GNSS反射信號探測海洋參數(shù)的一體工控裝置，具體地說，是 指首先通過一個右旋天線和左旋天線接收GNSS直射、經(jīng)海洋反射的信號；然后通過射頻、 基帶處理得到GNSS直射、反射信號復(fù)數(shù)相關(guān)值，并利用復(fù)數(shù)相關(guān)值進行海洋參數(shù)的反演。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)反射信號進行海洋參數(shù)的反 演是海洋遙感領(lǐng)域的新型手段之一，是一種無源被動式探測方式，具有設(shè)備重量輕，體積小 等優(yōu)勢，在進二十年，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。該技術(shù)基本機理是導(dǎo)航信號在經(jīng)歷海 洋反射時，信號特征發(fā)生改變，通過接收、處理裝置提取被海面改變的信號特征進行海洋參 數(shù)反演。
[0003] GNSS反射信號的接收、處理裝置是GNSS反射信號技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)配置 平臺以及探測環(huán)境的不同，可分為陸基、岸基、機載和星載裝置，不同的裝置，具有不同設(shè)計 要求和標準。就目前國內(nèi)GNSS反射信號的海洋探測而言，岸基裝置應(yīng)用最為成熟和廣泛， 尤其是利用北斗GE0反射信號的海洋參數(shù)探測。
[0004] 但是，已有裝置有以下不足：1)安裝環(huán)境局限于觀測站，對于遠海岸或無人島嶼 的惡劣野外環(huán)境不支持；2)反演數(shù)據(jù)局限于現(xiàn)場存儲和顯示，對于數(shù)據(jù)的遠程傳輸和存儲 不支持；3)裝置控制局限于現(xiàn)場控制，對于遠程控制不支持。
[0005] 基于上述的不足，開發(fā)和研制一套支持野外環(huán)境安裝、遠程數(shù)據(jù)傳輸存儲以及遠 程控制的GNSS反射信號海洋參數(shù)探測系統(tǒng)顯得非常必要，對國內(nèi)遠海岸或無人島嶼的海 洋觀測具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種基于GNSS反射信號探測海洋參數(shù)的一體工控裝置，其特征在于 包括，接收信號天線組（1)、太陽能供電單元（2)，信號與信息處理一體工控機（3)，接收信 號天線組（1)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的直射信號和由海面反射的反射信號；信號與信息處理一 體工控機（3)對直射信號和反射信號進行相關(guān)運算反演海洋參數(shù)，信號與信息處理一體工 控機（3)具有信息傳輸模塊（35)，通過信息傳輸模塊（35)實時的將反演的海洋參數(shù)傳輸?shù)?遠程控制端存儲。
[0007] 該系統(tǒng)采用一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)，具有良好的封閉性，支持遠距離數(shù)據(jù)傳輸，適于野外 惡劣環(huán)境的觀測，為不易建站的邊緣海岸和島嶼觀測提供了便利。
【附圖說明】
[0008] 附圖1為基于GNSS反射信號探測海洋參數(shù)一體化工控裝置的系統(tǒng)組成架構(gòu)圖；
[0009] 附圖2為信號與信息處理一體工控機的組成架構(gòu)圖；
[0010] 附圖3為基帶信號處理母板布局圖；
[0011] 附圖4為FPGA+DSP基帶處理單元框圖；
[0012] 附圖5為FPGA運算器中的相關(guān)器實現(xiàn)方式框圖；
[0013] 附圖6為工業(yè)計算機的信息處理框圖；
[0014] 附圖7為短波通訊板卡遠程數(shù)據(jù)傳輸時的流程圖；
[0015] 附圖8為遠程控制流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式做出詳細說明。
[0017] 圖1為基于GNSS反射信號探測海洋參數(shù)一體化工控裝置（以下簡稱裝置）的系 統(tǒng)組成架構(gòu)圖。如圖1所示，本實施方式的裝置包括一個接收信號天線組1，一個太陽能供 電單元2, 一個信號與信息處理一體工控機3, 一個短波通訊天線4。
[0018] 接收信號天線組1、太陽能供電單元2、信號與信息處理一體工控機3、短波通訊天 線4構(gòu)成本實施方式的裝置，設(shè)置在遠海岸或無人島嶼上。接收信號天線組1接收GPS和 北斗的直射信號和由海面反射的反射信號；信號與信息處理一體工控機3對直射信號和反 射信號進行相關(guān)運算并反演得到海洋參數(shù)，并通過短波通訊天線4將海洋參數(shù)傳輸?shù)娇刂?終端（未圖示）。短波通訊天線4既是發(fā)射天線又是接收天線，在接收到控制終端發(fā)出的控 制信號時，信號與信息處理一體工控機3執(zhí)行控制終端的遠程控制。
[0019] 接收信號天線組1包括一個支持GPSL1和北斗B1雙頻點的右旋天線11，一個支 持GPSL1和北斗B1雙頻點的左旋天線12, 一個天線架13。右旋天線11接收GNSS直射信 號，將電磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；左旋天線12接收GNSS海洋反射信號，將電磁信號轉(zhuǎn)換為 電壓信號；天線架13將右旋天線11固定在其頂部并指向天頂方向，將左旋天線12固定其 頂部以下一段距離（距離可調(diào)）并指向海洋方向（方向可調(diào)）。接收信號天線組1通過信 號電纜與信號與信息處理一體工控機3連接，接收到的直射信號和反射信號由信號電纜輸 入到信號與信息處理一體工控機3。
[0020] 太陽能供電單元2包括一個太陽能電池板21，一個控制器22,一個蓄電池23。太 陽能電池板21固定在天線架13中部，指向太陽照射方向，接收太陽能并將其轉(zhuǎn)換為電能； 控制器22控制整個太陽能供電單元2的工作狀態(tài)和蓄電池23的過充電保護；在陽光充足 時，太陽能電池板21 -邊對信號與信息處理一體工控機3供電，一邊對蓄電池23充電，由 蓄電池23將多余的電能存儲，在無陽光或陽光不足時，由蓄電池23為整個裝置供電。
[0021] 附圖2為信號與信息處理一體工控機的組成架構(gòu)圖，包括兩個功分器31 (31a、 31b)、一個射頻子板32、一個基帶處理母板33、一個工業(yè)計算機34、一個短波通訊板卡35。 信號與信息處理一體工控機3采用一體化結(jié)構(gòu)，各個組成部分封裝于一個工控機箱內(nèi)，具 有良好的封閉性（防水、防塵）和輕巧性，適合安裝在惡劣的野外環(huán)境。
[0022] 信號與信息處理一體工控機3包括，功分器31a(功分器1)將一路GNSS直射信號 分成三路直射信號射頻1、射頻2以及射頻3,功分器31b(功分器2)將一路GNSS反射信號 分為兩路反射信號射頻4和射頻5。射頻子板32接收兩路直射射頻2、射頻3,兩路反射信 號射頻4、射頻5,通過下變頻、濾波、自動增益控制、采樣以及量化，將一路射頻2變?yōu)?bit 的GPSL1數(shù)字中頻信號，射頻3變?yōu)?bit的北斗B1數(shù)字中頻信號，一路射頻4變?yōu)?bit 的GPSL1反射數(shù)字中頻信號，射頻5變?yōu)?bit的北斗B1反射數(shù)字中頻信號。射頻子板32 通過兩個2XSpin的插針固定在基帶處理母板33上，并與之進行數(shù)據(jù)通信。
[0023] 附圖3為基帶處理母板布局圖，包括兩個射頻底座區(qū)338、339、一個UM220導(dǎo)航模 塊331，一個FPGA+DSP基帶處理單元332，一個D型電源接口 333，一個串口RS232接口 334， 一個網(wǎng)口 335, 一個USB2.0接口 336, 5個螺絲固定孔337 (其中一個未示出）。射頻底座區(qū) 338、339均提供兩個2X8pin的插槽，用于固定射頻子板32并進行數(shù)據(jù)交互，其中一個射 頻底座區(qū)為常用，另一個作為備用，在后續(xù)系統(tǒng)擴展時應(yīng)用；UM220導(dǎo)航模塊331是一個支 持GPSL1和北斗B1雙頻定位的導(dǎo)航S0C芯片，接收一路直射射頻信號進行定位，為整個裝 置提供位置、時間信息；FPGA+DSP基帶處理單元332通過SPI配置管腳對插在射頻底座區(qū) 338、或339插槽中的射頻子板32進行配置，將其配置為射頻1對應(yīng)的輸出為GPSL1直射 數(shù)字中頻信號，射頻3對應(yīng)的輸出為北斗B1直射數(shù)字中頻信號，射頻2對應(yīng)的輸出為GPS L1反射數(shù)字中頻信號，射頻4對應(yīng)的輸出為北斗B1反射數(shù)字中頻信號，同時，接收射頻子板 32輸出的中頻數(shù)字流，進行相關(guān)運算分別得到GPSL1直射、反射信號，北斗直射、反射信號 的復(fù)數(shù)相關(guān)值，整個單元的輸入時鐘由射頻子板32提供；D型電源接口 333與太陽能供電 單元2連接，為整個基帶處理母板提供12V電壓；USB2. 0接口 336連接FPGA+DSP基帶處理 單元332與工業(yè)計算機34,將復(fù)數(shù)相關(guān)值傳輸給工業(yè)計算機34并接收工業(yè)計算機34傳輸 的控制信息；網(wǎng)口 335作為備用的數(shù)據(jù)傳輸擴展接口；5個螺絲固定孔用于將整個基帶信號 母板固定在工控機箱內(nèi)。
[0024] 附圖4為FPGA+DSP基帶處理單元框圖。FPGA+DSP基帶處理單元332包括兩個 SDRAM緩存a、b，一個FPGA運算器c，一個DSP控制器d，一個FLASH存儲器e，一個數(shù)據(jù)傳 輸控制f。兩個SDRAM緩存a、b對射頻子板32輸出的中頻數(shù)據(jù)流進行緩存，采用交替存取 模式，即SDRAM1進行中頻數(shù)據(jù)存操作時，SDRAM2進行中頻數(shù)據(jù)的寫操作，交替時間為lms， 存取操作通過FPGA的IP核實現(xiàn)；FPGA運算器c由一系列相關(guān)器組成，主要完成四路數(shù)字 中頻信號與本地信號的相關(guān)運算，在實現(xiàn)方式上，為了節(jié)省硬件資源，一方面采用時分復(fù)用 模式，即通過FPGA的IP核提高FPGA的運算主頻到輸入時鐘頻率的10倍，在不同的處理周 期內(nèi)，將四路數(shù)字中頻信號與不同碼相位或頻率的本地信號進行相關(guān)運算，另一方面用與 或運算代替乘法運算。
[0025] 附圖5為FPGA運算器中的相關(guān)器實現(xiàn)框圖，包括一個符號判決模塊h，一個幅度判 決模塊i，一個編譯器（編碼）j，一個累加器k。符號判決模塊h通過本地載波符號位、本地 碼以及中頻數(shù)據(jù)符號位判斷乘法運算后數(shù)據(jù)的符號位，是一個連續(xù)異或運算的過程，即本 地載波符號位?本地碼?中頻數(shù)據(jù)符號位，其中，?表示異或符號，具體映射關(guān)系為：
[0026]
[0027] 幅度判決模塊i是根據(jù)本地載波幅度位和中頻數(shù)據(jù)符號位判斷乘法運算結(jié)果的 幅度位，通過位拼接運算實現(xiàn)，即幅度位={本地載波幅度位中頻數(shù)據(jù)符號位};編譯器j 是將符號判決模塊h和幅度判決模塊i的輸出編譯為有符號數(shù)，具體映射關(guān)系為：
[0028]
[0029] 累加器k將1ms的乘法結(jié)果進行累加，得到最后的相關(guān)運算結(jié)果。
[0030] 在附圖4中，DSP控制器d首先根據(jù)工業(yè)計算機34傳輸?shù)目刂菩畔⑴袛嘈枰幚?的衛(wèi)星信號，對FPGA相關(guān)器進行配置，使相關(guān)器內(nèi)產(chǎn)生的本地碼為相應(yīng)衛(wèi)星的碼，其次對 GNSS直射、反射信號的相關(guān)運算進行控制，實現(xiàn)不同處理目的，即實現(xiàn)直射信號的捕獲和閉 環(huán)跟蹤，得到精確的直射信號碼相位和載波多普勒頻率，實現(xiàn)反射信號的開環(huán)跟蹤，得到一 維時延復(fù)數(shù)相關(guān)值，其與FPGA運算器c通過32bitEMIF(ExternalMemoryInterface)連 接。FLASH存儲器e用于存儲DSP控制器d的運行程序，與DSP控制器d通過8bitEMIF連 接。數(shù)據(jù)傳輸控制f用于控制FPGA運算器c和工業(yè)計算機34之間的數(shù)據(jù)交互，一方面FPGA 運算器c通過數(shù)據(jù)傳輸控制f將復(fù)數(shù)相關(guān)值上傳到工業(yè)計算機34進行后續(xù)的信息處理，另 一方面工業(yè)計算機34將控制信息下傳給FPGA運算器c，并在DSP控制器d內(nèi)產(chǎn)生控制FPGA 運算器