radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-2-13-21radioelectronics-308Research ArticleРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВRADIO ELECTRONIC FACILITIES FOR SIGNAL TRANSMISSION, RECEPTION AND PROCESSINGФИЛЬТРАЦИЯ И СГЛАЖИВАНИЕ ДАННЫХ СПУТНИКОВОГО ВЫСОТОМЕРА ПРИ НАЗЕМНОЙ ДООБРАБОТКЕSATELLITE ALTIMETER DATA FILTERING AND SMOOTHING IN THE COURSE OF GROUND-BASED RETRACKINGБоровицкийД. С.BorovitskyD. S.

кандидат технических наук (2016), ведущий научный сотрудник

Cand. of Sci. (Engineering) (2016), leading researcher

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

Dr. of Sci. (Engineering) (1983), Professor (1985) of the Department of Radio Engineering Systems

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), postgraduate 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 Federation2019240420192221321Copyright © 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/308Введение

Введение. Спутниковый радиовысотомер является основным элементом космических аппаратов, функционирующих в составе комплексов дистанционного мониторинга поверхности Земли. Бортовая петля слежения за запаздыванием в спутниковом высотомере, согласно утвердившимся воззрениям, функционально служит лишь инструментом надежного удержания принимаемого эхосигнала в следящем окне, тогда как "чистовое" измерение альтиметрических параметров (высоты орбиты носителя, значимой высоты волны, отражающей способности зондируемой поверхности и др.) возлагается на наземную дообработку данных. В ходе указанной процедуры данные с высотомера подвергаются, в частности, фильтрации и сглаживанию.

Цель работы

Цель работы. Исследование алгоритмов дообработки данных, транслируемых с высотомера, в наземном измерительном сегменте.

Методы и материалы

Методы и материалы. Известно, что фильтрация данных выполняется уже на борту космического аппарата и реализована в контуре автосопровождения эхосигнала по времени на базе α–β-фильтра. Тем не менее, на этапе наземной дообработки более целесообразным представляется применение фильтра Калмана, обладающего рядом теоретически оптимальных свойств и эффективно использующего доступный вычислительный ресурс.

Результаты и заключение

Результаты и заключение. В статье описана реализация упомянутых операций фильтрации и сглаживания на базе алгоритма Калмана применительно к выработанным ранее оценкам запаздывания эхосигнала. По результатам проведенного компьютерного моделирования констатируется, что калмановские фильтрация и сглаживание повышают точность оценки запаздывания в режиме дообработки в два раза и более в зависимости от значимой высоты волны.

Introduction

Introduction. Satellite radar altimeter is an essential part of the Earth remote sensing space missions. Satellite altimeter on-board delay-lock loop, by a widely shared concept, is operationally just a tool of a reliable retaining of received echo-signal within the tracking window, while “fine” altimetric parameter (orbit height, significant wave height, scattering cross section per unit of a probed surface, etc.) measuring is committed to the ground-based retracking of data. In particular, in the course of retracking altimeter data are being filtered and/or smoothed.

Objective

Objective. The paper subject is study of retracking algorithms of altimeter data transmitted from the space vehicle to the ground segment.

Methods and materials

Methods and materials. It is known that data filtering already presents on-board the space vehicle and is implemented in delay-lock loop based on the α–β-filter. However, at the stage of ground-based retracking it seems more appropriate to use the Kalman filter, which possesses a number of theoretical optimal features and is efficient as for utilization of the available computational resource.

Results and conclusions

Results and conclusions. In the paper implementation of filtering and smoothing via Kalman algorithm is described. On the ground of computer simulation data it is stated that Kalman filtering and smoothing make estimate accuracy two and more times higher depending on significant wave height.

спутниковый высотомердообработкафильтр Калманасглаживаниеsatellite altimeterretrackingKalman filtersmoothingReferencesCoastal 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, A. Cazenave. San Diego: Academic Press, 2001. P. 1–132.Chelton D. B., Ries J. C., Haines B. J. et al. 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.Исследование характеристик робастных дискриминаторов запаздывания спутникового высотомера / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // 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 Russ.)Оценка параметров эхосигнала спутникового высотомера методами статистической подгонки на стадии дообработки / Д. С. Боровицкий, А. Е. Жестерев, В. П. Ипатов, Р. М. Мамчур // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2019. № 1. С. 5–16. doi: 10.32603 /1993-8985-2019-22-1-5-16.Borovitsky D. S., Zhesterev A. E., Ipatov V. P., Mamchur R. M. Estimation of Satellite Altimeter EchoSignal Parameters by Statistical Fitting Methods in the Course of Retracking. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019, vol. 22, no. 1, pp. 5–16. doi: 10.32603/1993-8985-2019-22-1-5-16 (In Russ.)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: 10.1080/01490410490465210Comparison 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, no. 3–4. P. 201–238. (Spec. Iss.: 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, no. 3–4, pp. 201–238. (Special Issue: Jason-1 Calibration/Validation). doi: 10.1080 /714044519AltiKa altimeter: instrument description and in flight performance / N. Steunou, J. D. Desjonquères, N. Picot, P. Sengenes, J. Noubel, J. C. Poisson // Marine Geodesy. 2015. Vol. 38, № 1. P. 22–42. doi: 10.1080/01490419.2015.1006381Steunou N., Desjonquères J. D., Picot N., Sengenes P., Noubel J., Poisson J. C. AltiKa Altimeter: Instrument Description and in Flight Performance. Marine Geodesy. 2015, vol. 38, no. 1, pp. 22–42. doi: 10.1080/01490419.2015.1006381Satellite altimetry in geodesy and oceanography / ed. by R. Rummel and F. Sanso. Berlin: Springer, 1993. 479 p.Satellite Altimetry in Geodesy and Oceanography; ed. by R. Rummel and F. Sanso. Berlin, Springer, 1993, 479 p.Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении / пер. с англ. М.: Связь, 1976. 496 с.Sage A. P., Melsa J. L. Estimation Theory with Application to Communication and Control. New York, McGraw-Hill, 1971, 529 p.Brown R. G., Hwang P. Introduction to random signals and applied Кalman filtering. 4th ed. New York: John Wiley & Sons, 2012. 397 p.Brown R. G., Hwang P. Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering. 4th ed. New York, John Wiley & Sons, 2012, 397 p.Grewal M. S., Andrews A. Kalman filtering: theory and practice using MATLAB. 2th ed. New York: John Wiley & Sons, 2001. 401 p.Grewal M. S., Andrews A. Kalman Filtering: Theory and Practice Using MATLAB. 2th ed. New York, John Wiley & Sons, 2001, 401 p.Poseidon-3 radar altimeter: new modes and in-flight performances / J. D. Desjonquères, G. Carayon, N. Steunou, J. Lambin // Marine Geodesy. 2010. Vol. 33. P. 53–79. doi: 10.1080/01490419.2010.488970Desjonquères J. D., Carayon G., Steunou N., Lambin J. Poseidon-3 Radar Altimeter: New Modes and in-Flight Performances. Marine Geodesy. 2010, vol. 33, pp. 53–79. doi: 10.1080/01490419.2010.488970Rodriguez E., Martin J. M. Correlation properties of ocean altimeter returns // IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1994. Vol. GRS-32, № 3. P. 553–561. doi: 10.1109/36.297974Rodriguez E., Martin J. M. Correlation Properties of Ocean Altimeter Returns. IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing. 1994, vol. GRS-32, no. 3, pp. 553– 561. doi: 10.1109/36.297974Webb D. J., Moore A. Assimilation of altimeter data into ocean models // J. of Physical Oceanography. 1986. Vol. 16. P. 1901–1913. doi: 10.1175/1520-0485(1986) 0162.0.CO;2.Webb D. J., Moore A. Assimilation of Altimeter Data into Ocean Models. J. of Physical Oceanography. 1986, vol. 16, pp. 1901–1913. doi: 10.1175/1520-0485(1986) 0162.0.CO;2Marshall J. C. Determining the ocean circulation and improving the geoid from satellite altimetry // J. of Physical Oceanography. 1985. Vol. 15. P. 330–349. doi: 10.1175/1520-0485(1985)0152.0.CO;2.Marshall J. C. Determining the Ocean Circulation and Improving the Geoid from Satellite Altimetry. J. of Physical Oceanography, 1985, vol. 15, pp. 330–349. doi: 10.1175/1520-0485(1985)0152.0.CO;2Mellor G. L., Ezer T. A Gulf stream model and an altimetry assimilation scheme // J. of Geophysical Research. 1991. Vol. 96. P. 8779–8795. doi: 10.1029/91JC00383.Mellor G. L., Ezer T. A Gulf Stream Model and an Altimetry Assimilation Scheme. J. of Geophysical Research. 1991, vol. 96, pp. 8779–8795. doi: 10.1029/91JC00383Медич Дж. Статистически оптимальные линейные оценки и управление / пер. с англ. М.: Энергия, 1973. 440 сMeditch J. S. Stochastic Optimal Linear Estimation and Control. New York, McGraw-Hill, 1969, 394 p.

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