基于GNSS-R體制的單源信號(hào)處理技術(shù)

侯若涵，尚社，宋大偉

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

基于GNSS-R體制的單源信號(hào)處理技術(shù)

侯若涵，尚社，宋大偉

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

GNSS-R是以GPS衛(wèi)星作為外輻射源的無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)，本文研究了GNSS-R體制下的信號(hào)模型，提出了一種基于直達(dá)通道信息的反射通道信號(hào)數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法，依據(jù)此對(duì)反射通道實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，消除數(shù)據(jù)為跳變對(duì)積累結(jié)果的影響。在上述基礎(chǔ)上研究比較了長(zhǎng)碼積累與分組碼積累的性能，分析了衛(wèi)星平臺(tái)及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)下單源信號(hào)的有效積累時(shí)間，在此基礎(chǔ)上提出了基于直達(dá)通道信息的反射信號(hào)補(bǔ)償算法，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)處理結(jié)果表明可以有效提高信號(hào)積累峰值。

GNSS-R；單源；估計(jì)；補(bǔ)償；積累

GPS信號(hào)的地面到達(dá)功率較弱，大約在-153 dBW到-160 dBW之間[2]，GNSS-R體制下經(jīng)過(guò)二次散射的GPS信號(hào)功率更低，這就對(duì)GNSS-R體制下目標(biāo)檢測(cè)提出了很大挑戰(zhàn)。本文研究了GPS信號(hào)模型，提出了基于直射信號(hào)信息的反射通道信號(hào)數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法，研究并比較了長(zhǎng)碼積累與分組碼積累的性能，分析了衛(wèi)星平臺(tái)以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)積累的影響，依據(jù)此提出了反射通道信號(hào)補(bǔ)償算法，通過(guò)對(duì)GNSS-R實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，結(jié)果表明該算法能顯著提升目標(biāo)回波信噪比。

本文首先研究了GNSS-R體制下的信號(hào)模型，在第2節(jié)依據(jù)此提出了數(shù)據(jù)位跳變校準(zhǔn)算法，在第2節(jié)基礎(chǔ)上，第3節(jié)研究了衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響，根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)對(duì)反射通道信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償后再進(jìn)行非相干積累，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明能夠有效提高積累性能。

1 GNSS-R系統(tǒng)構(gòu)成原理

基于GNSS-R的目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)模型[2]如圖1所示，雙基地系統(tǒng)發(fā)射站為GPS衛(wèi)星，地面接收站接收來(lái)自該GPS衛(wèi)星的直射信號(hào)和經(jīng)過(guò)目標(biāo)散射的反射信號(hào)。

這樣，GPS衛(wèi)星信號(hào)在數(shù)學(xué)上表述為

式中P是發(fā)射信號(hào)功率，C(t)是帶寬為1.023 MHz的粗碼（C/A碼），D(t)是帶寬為50 Hz的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，ω0=2πf0，f0為1 575.42 MHz的載頻，?0是信號(hào)初始相位。

圖1 雙基地模型

故直達(dá)波通道收到的信號(hào)為：

式中Pd是直達(dá)波信號(hào)功率，τd是信號(hào)從衛(wèi)星到雷達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)間τr=Rd/c，忽略空間電離層對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)延誤差。

同理可推導(dǎo)出反射通道的中頻信號(hào)為：

式中Pr是反射信號(hào)功率，τr是信號(hào)從衛(wèi)星到目標(biāo)被其反射到達(dá)雷達(dá)的傳播時(shí)間τr=((R1+R2)/c)，ωd是目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒頻差，?r2是反射中頻信號(hào)初始相位。

接收站通過(guò)直達(dá)波天線接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的直射信號(hào)，通過(guò)反射波天線接收來(lái)自目標(biāo)散射的GPS反射信號(hào)，由于反射信號(hào)信噪比較低，選取一個(gè)數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度即20 ms作為處理單元，數(shù)據(jù)位跳變的影響在后面會(huì)被去掉，根據(jù)直達(dá)波信號(hào)處理后得到的數(shù)據(jù)位、碼偏、多普勒頻偏等信息對(duì)反射通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻二維聯(lián)合處理，最后將多個(gè)處理單元的信號(hào)進(jìn)行積累。

2 基于直達(dá)通道信息的反射信號(hào)數(shù)據(jù)位跳變校準(zhǔn)算法

GPS信號(hào)為偽碼與數(shù)據(jù)碼二次調(diào)制信號(hào)，C/A碼具有良好的自相關(guān)性能，故利用類似GPS信號(hào)的捕獲算法，通過(guò)遍歷1 023個(gè)碼相位得到的峰值即為反射信號(hào)碼偏，由于數(shù)據(jù)碼調(diào)制的存在，去掉C/A碼的20 ms反射通道信號(hào)為：

忽略多普勒頻偏以及相位偏移，上式簡(jiǎn)化為:

Sif為20 ms載波信號(hào)，將上式轉(zhuǎn)換到頻域?yàn)椋?/p>

由上面可推得D()t為符號(hào)函數(shù)sgn，其可表示為：

經(jīng)過(guò)傅里葉變換，D()t的幅頻響應(yīng)為：

顯然，Sp(w)經(jīng)過(guò)與D(w)卷積后在頻域展寬，頻域積累增益有所衰減，故需要對(duì)反射通道信號(hào)數(shù)據(jù)碼精確估并去掉數(shù)據(jù)碼對(duì)載波的調(diào)制，如果未準(zhǔn)確估計(jì)，則去數(shù)據(jù)后反射通道信號(hào)為：

其中τr1為未準(zhǔn)確估計(jì)的數(shù)據(jù)碼時(shí)延，類似前面的分析，(w)與D(w)卷積后在頻域展寬，故只有當(dāng)估計(jì)的數(shù)據(jù)碼與反射信號(hào)數(shù)據(jù)碼完全對(duì)齊時(shí)頻域積累達(dá)到最大值。

如圖1所示反射通道路徑長(zhǎng)為Rr1+Rr2，直達(dá)通道路徑長(zhǎng)度為Rd，假設(shè)接收站距目標(biāo)距離為300km，即Rr2為300 km，根據(jù)定理有：

由式（10）得，

其中c是電磁波傳播速度，c=3×108m/s，由式（12）、（13）可得當(dāng)接收站距離目標(biāo)距離小于300 km時(shí)，反射通道與直達(dá)通道信號(hào)時(shí)延小于2 ms，GPS信號(hào)中數(shù)據(jù)碼速率為50 Hz，即一個(gè)數(shù)據(jù)碼元長(zhǎng)20 ms，延遲僅在一個(gè)數(shù)據(jù)碼元內(nèi)，故反射通道數(shù)據(jù)碼可估計(jì)，因?yàn)檎{(diào)制在載波上的C/A碼是周期為1 ms的循環(huán)碼，所以考慮以1 ms為延遲搜索單元，對(duì)20 ms反射數(shù)據(jù)進(jìn)行0 ms、1 ms、2 ms 3種延遲，并在不同延遲下搜索其C/A碼碼偏，以20 ms為信號(hào)處理單元對(duì)所有反射數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟并按延遲不同進(jìn)在頻域行分組積累，算法框圖如圖2所示，用該算法處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)80 ms，處理結(jié)果如圖3所示。

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可看出基于直達(dá)通道的本地?cái)?shù)據(jù)碼延遲與延遲1 ms的反射數(shù)據(jù)剛好對(duì)齊，頻域積累達(dá)到最大值。

圖2 反射信號(hào)數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法

圖3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3 基于分組碼的反射信號(hào)補(bǔ)償積累算法

C/A碼具有良好的自相關(guān)性能，然而GPS衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致反射通道信號(hào)中的C/A碼被拉伸或者壓縮，在GNSS信號(hào)捕獲中的多普勒搜索范圍為fd=±10 kHz，可推出C/A碼多普勒：

其中λC/A為C/A碼碼片長(zhǎng)度，λC為載波波長(zhǎng)，由式（15）可得150 ms反射通道信號(hào)就會(huì)偏移一個(gè)碼片的長(zhǎng)度，導(dǎo)致自相關(guān)性能急劇下降，多普勒頻偏會(huì)造成碼自相關(guān)性能急劇下降大約10～11 db，所以提出一種基于分組碼的積累算法，將直達(dá)通道與反射通道的數(shù)據(jù)分成20 ms為一個(gè)單元的短數(shù)據(jù)，根據(jù)直達(dá)通道不同數(shù)據(jù)單元捕獲到的碼偏轉(zhuǎn)對(duì)反射通道不同數(shù)據(jù)單元進(jìn)行相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，從而校正衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的碼片偏移，算法原理框圖如圖4。

圖4 基于分組碼的反射信號(hào)積累算法原理框圖

取直達(dá)通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)80 ms即4個(gè)數(shù)據(jù)單元，跟蹤這4個(gè)數(shù)據(jù)單元的碼片時(shí)延，如圖5所示，同時(shí)取反射通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)80 ms即4個(gè)數(shù)據(jù)單元，跟蹤這4個(gè)數(shù)據(jù)單元的碼片時(shí)延如圖6所示。

圖5 直射信號(hào)碼片時(shí)延

圖6 反射信號(hào)碼片時(shí)延

分析直達(dá)通道碼相位偏轉(zhuǎn)與反射通道碼相位偏轉(zhuǎn)，顯然，基于直達(dá)通道估計(jì)反射通道碼偏轉(zhuǎn)是準(zhǔn)確的，故可以通過(guò)直達(dá)通道得到的碼相位偏轉(zhuǎn)對(duì)反射通道進(jìn)行補(bǔ)償積累。對(duì)反射通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和不補(bǔ)償兩種方法的積累，圖7為未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)姆e累結(jié)果，圖8為基于直達(dá)通道對(duì)反射通道補(bǔ)償后的積累結(jié)果。

圖7 未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)姆e累結(jié)果

圖8 經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)姆e累結(jié)果

顯然，反射通道數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，積累結(jié)果好于未經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)姆瓷渫ǖ罃?shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

本文研究了GPS信號(hào)模型，提出了基于直射信號(hào)信息的反射通道信號(hào)數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了反射通道數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法的可行性，研究并比較了長(zhǎng)碼積累與分組碼積累的性能，分析了衛(wèi)星平臺(tái)以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)積累的影響，依據(jù)此提出了基于直達(dá)通道反射通道信號(hào)補(bǔ)償算法，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明補(bǔ)償過(guò)后的信號(hào)積累效果更好。

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The processing technology of single source signal based on GNSS?R system

HOU Ruo?han，SHANG She，SONG Da?wei
（Xi’an Institute of Space Radio Technology，Xi’an710100，China）

GNSS-R is a passive radar system using GPS signals，prior research using these signals has been limited by low signal power of the reflected GPS signals.In this paper，a processing technology of single GPS satellite signal in the passive detection system was proposed.The model of GNSS-R system was introduced with an analysis of GPS signal at first，then a method for the calibration of data codes was proposed，this method improves accumulation performance，after that the result of Long code accumula?tion was compared with the result of short codes accumulation，on the basis of this，the compensation al?gorithm of the reflection channel signal based on the information of the direction channel is proposed in this paper，the real experiment data shows that this compensation algorithm Enhance the performance.

GNSS-R；single source；estimation；compensation；accumulation

TN95

A

1674-6236（2017）22-0124-04

2016-09-12稿件編號(hào)：201609129

侯若涵（1992—），男，陜西寶雞人，碩士研究生。研究方向：信號(hào)與信息處理。