radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-1-5-16radioelectronics-285Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ЭХОСИГНАЛА СПУТНИКОВОГО ВЫСОТОМЕРА МЕТОДАМИ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ПОДГОНКИ НА СТАДИИ ДООБРАБОТКИESTIMATION OF SATELLITE ALTIMETER ECHO-SIGNAL PARAMETERS BY STATISTICAL FITTING METHODS IN THE COURSE OF RETRACKINGБоровицкийД. С.BorovitskyD. S.

кандидат технических наук (2016), ведущий научный сотрудник

Cand. of Sci. (Engineering) (2016), leading research fellow

dmitry_nepogodin@mail.ruЖестеревА. Е.ZhesterevA. E.

кандидат технических наук (1982), начальник отдела

Cand. of Sci. (Engineering) (1982), Chief of the Department

zhesterev@mail.ruИпатовВ. П.IpatovV. P.

доктор технических наук (1983), профессор (1985) кафедры радиотехнических систем. Заслуженный деятель науки РФ (2001), почетный радист СССР (1983)

Dr. of Sci. (Engineering) (1983), Professor (1985) of the Department of Radio Engineering Systems. Honored scientist of the RF (2001), honorable radioman of the USSR (1983).

ival1941@yandex.ruМамчурР. М.MamchurR. M.

магистр техники и технологий по направлению "Радиотехника" (2015), аспирант и ассистент кафедры радиотехнических систем

Master of Science in Radio Engineering (2015), post-graduate student and assistant of the Department of Radio Engineering Systems

ruslan.mamchur@mail.ruАО "Российский институт радионавигации и времени"РоссияJSC "Russian Institute of Radionavigation and Time"Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian Federation20192702201901516Copyright © Боровицкий Д.С., Жестерев А.Е., Ипатов В.П., Мамчур Р.М., 20192019Боровицкий Д.С., Жестерев А.Е., Ипатов В.П., Мамчур Р.М.Borovitsky D.S., Zhesterev A.E., Ipatov V.P., Mamchur R.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/285

Спутниковым радиовысотомерам принадлежит ключевая роль во многих миссиях дистанционного зондирования Земли из космоса. Данные, поставляемые ими, используются при решении разнообразных фундаментальных и прикладных задач геофизики, океанографии, метеорологии и др. В современных измерительных комплексах обработка данных спутникового альтиметра осуществляется в несколько этапов. Одним из них является наземная дообработка переданной с космического аппарата информации. В настоящей статье исследуются алгоритмы оценки альтиметрических параметров в ходе дообработки данных спутникового высотомера наземным комплексом. Основной задачей петли автосопровождения по времени высотомера на борту космического носителя является надежное удержание принимаемого эхосигнала в следящем окне. Уточненные оценки информационных параметров вырабатываются в наземном сегменте, куда данные с борта космического аппарата сбрасываются по телеметрической линии. Дообработка данных может осуществляться как без опоры на физическую модель эхосигнала, так и с учетом механизма формирования отклика подстилающей поверхности на зондирующий сигнал. В последнем случае существенно повышается достоверность результатов измерения. В статье за основу принята физическая модель отраженного эхосигнала, близкая к классической модели Брауна, синтезированы алгоритмы статистической подгонки ее параметров под наблюдения, а также приведены результаты компьютерного моделирования процедур подгонки по максимуму правдоподобия (МП) и методу наименьших квадратов (МНК). Сопоставление данных моделирования с границами Крамера–Рао демонстрирует заметный проигрыш процедуры МНК по отношению к потенциалу, тогда как экспериментальная точность МП-подгонки практически совпадает с потенциальной.

Satellite radar altimeters play a key role in numerous space missions for the remote Earth sensing. The data they provide are used in solving various fundamental and applied problems of geophysics, oceanography, meteorology, etc. In many modern measuring systems the altimeter data is processed in several stages. One of them is the ground-based retracking of the information streamed from the spacecraft. The goal of this work is to study altimeter parameter estimators in the course of the satellite altimeter data retracking by ground-based complex. The main task of delay-lock loop onboard a satellite carrier is a reliable keeping of received echo-signal within the tracking window. More accurate estimates of information parameters are worked out by the ground segment where data from the satellite is delivered via telemetry. Retracking can be performed either without using any physical echo model, or relying on some mechanism under generation of response of an illuminated surface to the probing signal. In the latter case, the measuring results become more trustworthy. The paper deliberations are based on the model close to the classical Brown’s one, they include algorithms of its parameters statistical fitting to the observation and computer simulation of fitting according to the maximal likelihood (ML) and the least squares (LS) methods. The results obtained are compared to the potential attainable and show that while LS fitting yields noticeably to the potential, experimental accuracy of ML-fitting practically coincides with the potential one.

спутниковый высотомерэхосигналфизическая модельдообработкаподгонкадискриминатороценка по максимуму правдоподобияметод наименьших квадратовsatellite altimeterecho-signalphysical modelretrackingfittingdiscriminatormaximum likelihood estimateleast squares estimateReferencesCoastal Altimetry / ed. by S. Vignudelli, A. G. Kostianoy, P. Cipollini, J. Benveniste. Berlin: Springer, 2011. 565 p.Coastal Altimetry; ed. by S. Vignudelli, A. G. Kostianoy, P. Cipollini, J. Benveniste. Berlin, Springer, 2011, 565 p.Satellite Altimetry / D. B. Chelton, J. C. Ries, B. J. Haines et al. // Satellite Altimetry and Earth Sciences: a Handbook Of Techniques And Applications; ed. by L.-L. Fu and A. Cazenave. San Diego: Academic Press, 2001, P. 1–132.Chelton D. B., Ries J. C., Haines B. J. Fu L. L., Callahan P. S. Satellite Altimetry. Satellite Altimetry and Earth Sciences: a Handbook of Techniques and Applications; ed. by L.-L. Fu and A. Cazenave. San Diego, Academic Press, 2001, pp. 1–132.Вопросы построения радиоинтерфейса спутникового высотомера / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жесте-рев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур; под ред. В. П. Ипатова. СПб.: БХВ-Петербург, 2017. 192 с.Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Voprosy postroeniya radiointerfeisa sputnikovogo vysotomera [Problems of Satellite Altimeter Air Interface Construction], ed. by V. P. Ipatov. SPb., BKhVPeterburg, 2017, 192 p. (In Russian)Исследование характеристик робастных дискриминаторов запаздывания спутникового высотомера / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мам-чур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2018. №. 4. С. 13–23. doi: 10.32603/1993-8985-2018-21-4-13-23Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Study of Robust TOA Discriminators for Space-Based Radar Altimeter. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2018, no. 4, pp. 13–23. doi: 10.32603 /1993-8985-2018-21-4-13-23 (In Russian)Brown G. S. The Average Impulse Response of a Rough Surface and its Applications // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1977. Vol. AP-25, № 1. P. 67–74. doi: 10.1109 /TAP.1977.1141536Brown G. S. The Average Impulse Response of a Rough Surface and its Applications. IEEE Trans. on An-tennas and Propagation. 1977, vol. 25, no. 1, pp. 67–74. doi: 10.1109/TAP.1977.1141536Hayne G. S. Radar Altimeter Mean Return Waveforms from Near-Normal-Incidence Ocean Surface Scattering // IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1980. Vol. AP-28, № 5. P. 687–692. doi: 10.1109/TAP.1980.1142398Hayne G. S. Radar Altimeter Mean Return Waveforms from Near-Normal-Incidence Ocean Surface Scattering. IEEE Trans. on Ant. and Prop. 1980, vol. 28, no. 5, pp. 687–692. doi: 10.1109/TAP.1980.1142398Аналитическая модель эхосигнала спутникового высотомера / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. № 3. С. 39–45.Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Radar Altimeter Echo-Signal Analytical Model. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2017, no. 3, pp. 39–45. (In Russian)Improving the Jason-1 Ground Retracking to Better Account for Attitude Effects / L. Amarouche, P. Thibaut, O. Z. Zanife, J.-P. Dumont, P. Vincent, N. Steunou // Marine Geodesy. 2004. Vol. 27, № 1–2. P. 171–197. doi: 10.1080/01490410490465210Amarouche L., Thibaut P., Zanife O. Z., Dumont J.-P., Vincent P., Steunou N. Improving the Jason-1 Ground Retracking to Better Account for Attitude Effects. Marine Geodesy. 2004, vol. 27, no. 1–2, pp. 171–197. doi: 10.1080/01490410490465210Barrick D. E., Lipa B. J. Analysis and Interpretation of Altimeter Sea Echo // Advances in Geophysics. 1985. Vol. 27. P. 61–100. doi: 10.1016/S0065-2687(08)60403-3Barrick D. E., Lipa B. J. Analysis and Interpretation of Altimeter Sea Echo. Advances in Geophysics. 1985, vol. 27, pp. 61–100. doi: 10.1016/S0065-2687(08)60403-3Moore R. K., Williams C. S. Radar Terrain Return at near-Vertical Incidence // Proc. IRE. 1957. Vol. 45, № 2. P. 228–238. doi: 10.1109/JRPROC.1957.278394Moore R. K., Williams C. S. Radar Terrain Return at near-Vertical Incidence. Proc. IRE. 1957, vol. 45, no. 2. pp. 228–238. doi: 10.1109/JRPROC.1957.278394Потенциальная точность измерения запаздывания отраженного сигнала космическим альтиметром / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. № 2. С. 5–11.Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Potential Accuracy of Echo-Signal Delay Measurement by Space-Based Radar Altimeter. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2017, no. 2, pp. 5–11. (In Russian)Потенциальная точность совместной оценки параметров радиовысотомером космического базирования / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. № 4. С. 33–41.Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Potential Accuracy of Joint Parameter Estimate by Space-Based Radar Altimeter. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2017, no. 4, pp. 33–41. (In Russian)Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. 624 с.Tikhonov V. I. Statisticheskaya radiotekhnika [Statistical Radio Engineering]. Moscow, Radio i Svyaz’, 1982, 624 p. (In Russian)The U.K. EODC ERS-1 altimeter oceans processing scheme / R. T. Tokmakian, P. G. Challenor, T. H. Guymer, M. A. Srokosz // Intern. J. of Remote Sensing. 1994. Vol. 15, № 4. P. 939–962. doi: 10.1080 /01431169408954126Tokmakian R. T., Challenor P. G., Guymer T. H., Srokosz M. A. The U.K. EODC ERS-1 Altimeter Oceans Processing Scheme. Intern. J. of Remote Sensing. 1994, vol. 15, no. 4, pp. 939–962. doi: 10.1080/01431169408954126Challenor P. G., Srokosz M. A. The Extraction of Geophysical Parameters from Radar Altimeter Return from a Non-Linear Sea Surface // Mathematics in remote sensing / ed. by S. R. Brooks. Oxford: Clarendon Press, 1989. P. 257–268.Challenor P. G., Srokosz M. A. The Extraction of Geophysical Parameters from Radar Altimeter Return from a Non-Linear Sea Surface. Mathematics in remote sensing; ed. by S. R. Brooks. Oxford, Clarendon Press, 1989, pp. 257–268.Comparison of the Ku-Band Range Noise Level and the Relative Sea-State Bias of the Jason-1, TOPEX, and Poseidon-1 Radar Altimeters / O. Z. Zanife, P. Vincent, L. Amarouche, J.-P. Dumont, P. Thibaut, S. Labroue // Marine Geodesy. 2003. Vol. 26, №. 3–4. P. 201–238. (Special Issue: Jason-1 Calibration/Validation). doi: 10.1080 /714044519Zanife O. Z., Vincent P., Amarouche L., Dumont J.-P., Thibaut P., Labroue S. Comparison of the Ku-Band Range Noise Level and the Relative Sea-State Bias of the Jason-1, TOPEX, and Poseidon-1 Radar Altimeters. Marine Geodesy. 2003, vol. 26, pp. 201–238 (Special Issue: Jason-1 Calibration/Validation) doi: 10.1080/714044519Sandwell D. T., Smith W. H. F. Retracking ERS-1 Altimeter Waveforms for Optimal Gravity Field Recovery // Geophys. J. Int. 2005. Vol. 163, №. 1. P. 79–89. doi: 10.1111/j.1365-246X.2005.02724.xSandwell D. T., Smith W. H. F. Retracking ERS-1 Altimeter Waveforms for Optimal Gravity Field Recovery. Geophys. J. Int. 2005, vol. 163, pp. 79–89. doi: 10.1111 /j.1365-246X.2005.02724.xПлешаков Д. И. Определение высоты спутника "ГЕО-ИК-2" над морской поверхностью // Альманах современной метрологии. 2015. № 3. С. 132–141.Pleshakov D. I. Determining "GEO-IK-2" Satellite Altitude Above the Sea Surface. Al'manakh sovremennoi metrologii [Almanac of Modern Metrology]. 2015, no. 3, pp. 132–141. (In Russian)Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989. 656 с.Levin B. R. Teoreticheskie osnovy statisticheskoi radiotekhniki [Theory of Statistical Radioengineering]. Moscow, Radio i Svyaz’, 1989, 656 p. (In Russian)Радиотехнические системы: учеб. для вузов / под ред. Ю. М. Казаринова. М.: Высш. шк., 1990. 496 с.Kazarinov Yu. M. Radiotehnicheskie sistemy: uchebnik dlja vuzov [Radio Electronic Systems: Textbook for High School]. Moscow, Vysshaya Shkola, 1990, 496 p. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.