GNSS海洋反射信號(hào)軟件模擬器設(shè)計(jì)

李博聞，張 波，楊東凱，祁永強(qiáng)

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

GNSS海洋反射信號(hào)軟件模擬器設(shè)計(jì)

李博聞，張 波，楊東凱，祁永強(qiáng)

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191）

在GNSS－R海洋遙感探測(cè)中，機(jī)載試驗(yàn)是一種重要手段；針對(duì)GNSS－R機(jī)載試驗(yàn)需要耗費(fèi)巨大人力、物力以及可重復(fù)性差的問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)了一種反射信號(hào)軟件模擬器，介紹了模擬器的總體結(jié)構(gòu)、流程圖、關(guān)鍵參數(shù)、主要模塊及用戶界面；該模擬器在GNSS直射信號(hào)模擬器的基礎(chǔ)上，在直射通道之外并行增加了反射信號(hào)通道；通過(guò)分析導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)的特點(diǎn)，并利用基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號(hào)模型，配置機(jī)載GNSS海洋反射信號(hào)的時(shí)延、功率和多普勒頻率等參數(shù)，從而模擬產(chǎn)生多顆星的多條反射信號(hào)；該模擬器可分別生成直射、反射信號(hào)兩個(gè)數(shù)字中頻文件，直接送入GNSS－R軟件接收機(jī)進(jìn)行接收處理；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明GNSS－R軟件接收機(jī)的接收處理結(jié)果與設(shè)定的基于Z－V模型的相關(guān)功率曲線的相關(guān)系數(shù)為0.997 7，模擬器產(chǎn)生的反射信號(hào)與真實(shí)信號(hào)相關(guān)特性幾乎一致，能根據(jù)用戶輸入的不同參數(shù)模擬輸出導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號(hào)。

衛(wèi)星導(dǎo)航；反射信號(hào)；Z－V模型；數(shù)據(jù)擬合；模擬器

0 引言

GNSS－R（global navigation satellite system－reflections）技術(shù)是自20世紀(jì)90年代以來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的GNSS的一個(gè)新型分支，是國(guó)內(nèi)外遙感探測(cè)和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一［1］。GNSS－R技術(shù)利用反射的導(dǎo)航衛(wèi)星偽碼信號(hào)或者載波信號(hào)，通過(guò)提取探測(cè)目標(biāo)反射面特性，可廣泛應(yīng)用于海面測(cè)風(fēng)、海面測(cè)高、海冰探測(cè)、海面溢油、土壤濕度等領(lǐng)域，具有重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景［2 4］。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷建設(shè)和發(fā)展，導(dǎo)航信號(hào)的分析和模擬也受到了越來(lái)越多的重視［5 6］。但是GNSS－R實(shí)驗(yàn)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：對(duì)測(cè)試場(chǎng)景有苛刻的要求，可重復(fù)性差；實(shí)驗(yàn)成本高，需要耗費(fèi)大量的人力物力才能進(jìn)行；對(duì)于精度的測(cè)試尚無(wú)驗(yàn)證手段。并且國(guó)內(nèi)外的反射信號(hào)模擬器研究起步較晚，無(wú)論是西班牙Hyuk Park等人［7］提出的一種改進(jìn)的P2EPS模擬器，還是意大利Pierdicca N等人［8］描述的SAVERS模擬器，均不能直接產(chǎn)生反射信號(hào)。

本文在分析基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號(hào)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的直射信號(hào)模擬器，給出了反射信號(hào)軟件模擬器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具體介紹了反射信號(hào)的產(chǎn)生流程、關(guān)鍵參數(shù)及用戶界面，并對(duì)產(chǎn)生的反射信號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于Z-V模型的GNSS海洋反射信號(hào)模型

由海面散射相關(guān)函數(shù)可知，海面散射信號(hào)相關(guān)功率也是碼延遲和多普勒的函數(shù)，因此可以用來(lái)反演海面風(fēng)場(chǎng)。而Valery U.Zavortny和Akexander G.Voronovich在研究利用GPS海面散射信號(hào)進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)遙感的過(guò)程中，基于雙基雷達(dá)方程并使用Kirchhoff近似的幾何光學(xué)方法建立了GPS海面散射信號(hào)的時(shí)延－多普勒相關(guān)功率模型［9］。模型的形式如下：

式中，R0，R分別為GPS衛(wèi)星和接收機(jī)到散射點(diǎn)的距離；Ti是相干積分時(shí)間；D為接收機(jī)天線的增益；Λ是GPS C／A碼的自相關(guān)函數(shù)；S為多普勒濾波函數(shù)；σ0為粗糙海面的標(biāo)準(zhǔn)化散射截面；→ρ為鏡像反射點(diǎn)到平均海面上某一點(diǎn)的向量。

由于海面的起伏不平，接收機(jī)接收到的反射信號(hào)是多個(gè)不同反射面的反射信號(hào)的疊加，各個(gè)信號(hào)之間有不同的時(shí)延。因此，在模擬過(guò)程中，可以設(shè)定海面發(fā)射信號(hào)為多條等時(shí)延間隔、不同功率的反射信號(hào)的疊加，如圖1所示。

疊加之后海面反射信號(hào)相關(guān)函數(shù)的波形如圖2所示。不同時(shí)延不同功率的反射信號(hào)疊加使得相關(guān)結(jié)果峰值后移，拖尾延長(zhǎng)。

圖1 多條等時(shí)延間隔、不同功率反射信號(hào)疊加

圖2 疊加后海面反射信號(hào)相關(guān)功率

上述模型中，海面反射信號(hào)的相關(guān)函數(shù)波形可由Z－V模型的時(shí)延一維相關(guān)功率曲線得到，再由此相關(guān)功率曲線的數(shù)據(jù)來(lái)建立反射信號(hào)的時(shí)延功率模型。通過(guò)曲線擬合，將Z－V模型得到的相關(guān)功率曲線反推成16條等時(shí)延間隔、不同功率的反射信號(hào)疊加擬合的結(jié)果，并分別得到各條反射信號(hào)的時(shí)延、多普勒和功率參數(shù)。

2 海洋反射信號(hào)軟件模擬器設(shè)計(jì)

2.1 軟件模擬器總體結(jié)構(gòu)

GNSS海洋反射信號(hào)軟件模擬器的系統(tǒng)組成見圖3。其中，用戶輸入配置信息既包括系統(tǒng)頻點(diǎn)、接收機(jī)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡、仿真時(shí)刻等產(chǎn)生直射信號(hào)所需的參數(shù)，還含有反射信號(hào)的相關(guān)參數(shù)配置如反射信號(hào)頻點(diǎn)及星號(hào)、計(jì)算得到各條反射信號(hào)的時(shí)延及功率等。

圖3 GNSS海洋反射信號(hào)軟件模擬器的系統(tǒng)組成

在反射信號(hào)軟件模擬器的模擬過(guò)程中，首先經(jīng)過(guò)直射通道生成直射信號(hào)，在此基礎(chǔ)上利用配置的反射信號(hào)信息如時(shí)延、功率，修改反射通道中的信號(hào)參數(shù)，從而生成反射信號(hào)。生成的直射和反射信號(hào)分別經(jīng)過(guò)采樣、量化、合路得到數(shù)字中頻信號(hào)，可以直接送入雙通道軟件接收機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。

2.2 直射和反射信號(hào)生成過(guò)程

直射、反射信號(hào)的生成過(guò)程如圖4所示。直射參數(shù)和反射參數(shù)分別用于模擬器生成直射信號(hào)（虛線上部的直射通道）和反射信號(hào)（虛線下部的反射通道）。對(duì)于直射信號(hào)的生成過(guò)程與直射信號(hào)模擬器生成過(guò)程類似。首先，讀取設(shè)置的參數(shù)（系統(tǒng)頻點(diǎn)、仿真時(shí)刻、接收機(jī)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡、誤差選擇等）后經(jīng)過(guò)模擬器初始化和自檢過(guò)程，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)算當(dāng)前仿真時(shí)刻讀取星歷信息并計(jì)算各顆衛(wèi)星的參數(shù)如衛(wèi)星位置、速度、加速度，然后在計(jì)算完成誤差參數(shù)的基礎(chǔ)上得到信號(hào)狀態(tài)參數(shù)，結(jié)合并行處理的分線程中導(dǎo)航電文生成模塊所生成的導(dǎo)航電文，生成直射信號(hào)狀態(tài)信息。

直射通道中得到的直射信號(hào)狀態(tài)信息用于反射通道中反射信號(hào)的生成。其中，衛(wèi)星和接收機(jī)的位置信息用于計(jì)算鏡面反射點(diǎn)的時(shí)間延遲，從而可以得到一組基于鏡面反射點(diǎn)的等時(shí)間間隔的反射信號(hào)時(shí)間延遲。利用上文介紹的基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號(hào)模型，可以建模擬合得到各條反射信號(hào)的時(shí)延、多普勒和功率參數(shù)，并作為反射參數(shù)輸入反射通道。結(jié)合直射信號(hào)狀態(tài)參數(shù)，更新所需衛(wèi)星的偽距、相位、功率、導(dǎo)航電文等信息，生成各條反射信號(hào)狀態(tài)信息。

上述過(guò)程得到的直射信號(hào)和反射信號(hào)狀態(tài)信息，可以直接保存為基帶數(shù)據(jù)文件，也可以經(jīng)過(guò)數(shù)字中頻處理模塊分別進(jìn)行采樣、量化、合路得到數(shù)字中頻信號(hào)保存下來(lái)，還可以打包發(fā)送給硬件中頻板用于射頻信號(hào)的生成。

圖4 直射、反射信號(hào)生成過(guò)程

2.3 鏡面反射點(diǎn)時(shí)間延遲的計(jì)算

在GNSS－R的相關(guān)應(yīng)用中，常常利用經(jīng)過(guò)鏡面反射點(diǎn)的反射信號(hào)作為一個(gè)基準(zhǔn)參考值。經(jīng)過(guò)鏡面反射點(diǎn)的反射信號(hào)相比于直射信號(hào)走過(guò)了更長(zhǎng)的路徑，其相差的總路徑延遲ρE主要為空間幾何路徑延遲，主要由反射信號(hào)接收機(jī)到反射面的高度hR和衛(wèi)星仰角θ所決定［10］，其關(guān)系可表示為：

式中，t為鏡面反射點(diǎn)的反射信號(hào)相比直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，c為光速3×108m／s。若考慮GPS系統(tǒng)的L1頻點(diǎn)，則其C／A碼的碼速率Rc為1.023×106chips／s，則鏡面反射點(diǎn)的反射信號(hào)相比直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的碼片延遲τ為：

3 反射信號(hào)模擬器的軟件實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

由圖4的直射、反射信號(hào)生成過(guò)程，可得GNSS反射信號(hào)模擬器軟件處理流程如圖5所示。

根據(jù)圖5所示的GNSS反射信號(hào)模擬器軟件處理流程，在直射信號(hào)模擬器中增加反射信號(hào)生成處理的模塊和功能，其軟件用戶界面如圖6所示，可以在界面中設(shè)置頻點(diǎn)、時(shí)間、接收機(jī)位置、屏蔽角、反射信號(hào)模型、數(shù)字中頻參數(shù)等。界面中間的列表顯示產(chǎn)生的直射信號(hào)及反射信號(hào)（帶*為反射信號(hào)，圖6中為“*Gps L1 3”，表示GPS L1頻點(diǎn)3號(hào)星的一條反射信號(hào)）的各項(xiàng)信息如衛(wèi)星的位置、仰角、方位角、偽距、多普勒等。

圖5 GNSS反射信號(hào)模擬器軟件處理流程

圖6 軟件模擬器用戶界面

反射信號(hào)的參數(shù)配置如圖7所示，可以界面中選擇反射模式如地面反射或海面反射，并設(shè)置所需產(chǎn)生反射信號(hào)的頻點(diǎn)、星號(hào)，以及各條反射信號(hào)的時(shí)延、多普勒頻移和功率衰減等參數(shù)。

圖7 反射信號(hào)參數(shù)配置

在基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號(hào)模型仿真中可設(shè)置參數(shù)：接收機(jī)高度為5 km，GPS衛(wèi)星仰角計(jì)算得為54.44°，風(fēng)速為5 m／s，風(fēng)向?yàn)?°；在圖6的用戶界面中設(shè)置選擇GPS L1頻點(diǎn)并設(shè)置時(shí)間為2015年10月12日1點(diǎn)30分0秒，接收機(jī)位置設(shè)置為經(jīng)度116.3，緯度39.9，高度5 km，反射信號(hào)模型選擇機(jī)載模型并設(shè)置方向角180°，速度120 m／s，加速度0。信號(hào)產(chǎn)生模塊選擇產(chǎn)生數(shù)字中頻信號(hào)，設(shè)置采樣率Fs為16.369 MHz，中頻頻率為3.996 MHz，量化比特為8 bit。通過(guò)公式（3）可以計(jì)算得到鏡面反射點(diǎn)的反射信號(hào)相比直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的碼片延遲τ為27.74 chips，基于τ得到一組時(shí)間間隔為0.25 chips的反射信號(hào)時(shí)延，然后利用反向擬合得到16條反射信號(hào)時(shí)延和功率衰減參數(shù)在圖7中進(jìn)行反射信號(hào)參數(shù)配置。

在各項(xiàng)參數(shù)配置完成之后可以開始生成信號(hào)狀態(tài)信息，由于是選擇生成數(shù)字中頻信號(hào)，所以在模擬器程序?qū)?yīng)路徑下分別生成直射信號(hào)數(shù)字中頻文件“IF_I_N.bin”和相應(yīng)的反射信號(hào)數(shù)字中頻文件“IF_I_N_R.bin”，可以直接由雙通道軟件接收機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。

利用Z－V模型可以仿真得到海面反射信號(hào)Z－V模型的曲線如圖8（a）所示，可以看出由于曲線是由多條不同時(shí)延的反射信號(hào)疊加而成，這使得相關(guān)結(jié)果峰值后移，拖尾延長(zhǎng)。雙通道軟件接收機(jī)接收直射信號(hào)和反射信號(hào)數(shù)字中頻文件后處理結(jié)果如圖8（b）所示，圖中橫坐標(biāo)16個(gè)單位為1chips，也可以看出16條反射信號(hào)疊加后的相關(guān)結(jié)果也有明顯的拖尾現(xiàn)象。為了更加精確的進(jìn)行驗(yàn)證，統(tǒng)一橫縱坐標(biāo)后將圖8（a）和圖8（b）做匹配對(duì)比，其結(jié)果如圖8（c）所示，可以看出Z－V模型仿真結(jié)果和模擬器產(chǎn)生的反射信號(hào)處理結(jié)果相似程度很高，相關(guān)系數(shù)為0.997 7，表明模擬器產(chǎn)生的反射信號(hào)與真實(shí)信號(hào)相關(guān)特性幾乎一致，可以用來(lái)進(jìn)行反射信號(hào)的進(jìn)一步研究。

圖8 反射信號(hào)生成及驗(yàn)證

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號(hào)模型，在GNSS直射信號(hào)模擬器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種反射信號(hào)軟件模擬器，給出了模擬器的總體結(jié)構(gòu)、流程圖、關(guān)鍵參數(shù)、主要模塊及用戶界面，詳細(xì)論述了反射信號(hào)的生成過(guò)程，包括鏡面反射點(diǎn)時(shí)間延遲的計(jì)算。對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn)，給出了整個(gè)實(shí)現(xiàn)流程及軟件接收機(jī)的處理結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明Z－V模型仿真結(jié)果和模擬器產(chǎn)生的反射信號(hào)處理結(jié)果相比，相關(guān)系數(shù)優(yōu)于0.99，對(duì)GNSS反射信號(hào)模擬器的研究具有一定指導(dǎo)意義。

［1］楊東凱，張其善.GNSS反射信號(hào)處理基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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［3］劉經(jīng)南，邵連軍，張訓(xùn)械.GNSS－R研究進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2007，32（11）：955-960.

［4］Martin－neira M，Caparrini M，Rossello F，et al.The PARIS concept：an experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals［J］.IEEE Transactions on Geo－science and Remote Sensing，2001，39（1）：142-150.

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［6］劉麗麗，王 可.衛(wèi)星信號(hào)模擬器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.全球定位系統(tǒng)，2010，03.

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［10］張益強(qiáng).基于反射信號(hào)的海洋微波遙感技術(shù)［D］.北京：北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2008.

Software Simulation Design of GNSS Ocean Reflection Signal

Li Bowen，Zhang Bo，Yang Dongkai，Qi Yongqiang

（School of Electronic and Information Engineering，BUAA，Beijing 100191，China）

Airborne experiment is an important way of GNSS－R ocean remote sensing.In order to solve the problem that GNSS－R airborne experiment requires huge manpower and material resources and it has a poor repeatability，this paper studied and designed a kind of GNSS reflected signal simulator，and the structure，flow chart，key parameters，components and user interface of the simulator were presented.This reflected signal simulator software based on the direct GNSS signal simulator，and both have direct signal channels and reflected signal channels parallel.Through analyzed the characteristics of navigation satellite reflected signal，and used a GNSS sea reflected signal model that is based on Z－V model，set time delay，Doppler frequency and power parameters of airborne GNSS ocean reflection signal，to simulate more multiple reflections of different satellites.This simulator could generate two intermediate frequency files of direct and reflected signals respectively that can be send to GNSS－R software receiver.The simulation experiment results show that the correlation coefficient between the Z－V model theory curve and the result of the reflection signal simulator is 0.9977，the reflected signals of simulator have a same correlated characteristic with the real signals，and it can according to the different parameters of user’s input analog output navigation satellite reflected signal.

GNSS；reflected signal；Z－V model；data fitting；simulator

1671-4598（2016）08-0197-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.053

：TN96

：A

2016-01-20；

：2016-02-23。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61171070）。

李博聞（1990-），男，湖北人，在讀碩士生，主要從事GNSS－R理論與應(yīng)用方向的研究。

楊東凱（1972-），男，山東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事導(dǎo)航定位及GNSS－R應(yīng)用方向的研究。