基于GNSS—R的車(chē)輛探測(cè)定位實(shí)驗(yàn)研究

陶瓊+孟李林+黃海生+李鑫+魏婷+楊銳+邢永強(qiáng)

摘 要： 針對(duì)目前導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)新的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，利用GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)作為無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和定位，基于GNSS?R技術(shù)進(jìn)行車(chē)輛探測(cè)定位實(shí)驗(yàn)研究，并給出反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的延遲時(shí)間求解方法。實(shí)驗(yàn)對(duì)接收到的直射信號(hào)進(jìn)行處理，提取直射信號(hào)信息作為先驗(yàn)條件，進(jìn)行反射信號(hào)的細(xì)捕獲，縮小反射信號(hào)捕獲的搜索范圍，采用基于FFT的并行碼相位捕獲算法將碼相位延遲時(shí)間精確到碼片。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該方法的正確性。

關(guān)鍵詞： GNSS； 車(chē)輛探測(cè)； 反射信號(hào)； 直射信號(hào)； 相位捕獲算法； 相位延遲

中圖分類(lèi)號(hào)： TN967?34； P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）05?0106?04

Abstract： The reflected signal of global navigation satellite system （GNSS） is used to perform the target detection and location for the passive radar. The vehicle detection and localization experiment based on GNSS?R technology is studied. The delay time solving method of reflected signal relative to direct signal is given. The received direct signal is processed in the experiment. The direct signal information is extracted as the prior condition to carry out the fine capture of the reflected signal， so as to narrow the search range of the reflected signal capture. The FFT?based parallel code phase capture algorithm can correct the code phase delay time to chip. The experimental data is compared with the theoretical values. The correctness of the method was verified.

Keywords： global navigation satellite system； vehicle detection； reflected signal； direct signal； phase capture algorithm； phase delay

0 引 言

基于GNSS?R（Global Navigation Satellite System Reflections）目標(biāo)探測(cè)技術(shù)是一種新興的遙感技術(shù)，其本質(zhì)是利用傳統(tǒng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)中認(rèn)為是“有害的”多徑信號(hào)，遙感地表參數(shù)、探測(cè)外來(lái)目標(biāo)等[1]。四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在L波段的GPS L1，GPS L2，GPS L5，BDS B1，BDS B2，BDS B3，GLONASS L1以及伽利略L1等多個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)射導(dǎo)航服務(wù)信號(hào)，可作為輻射源。該技術(shù)具有成本低、覆蓋寬、全天候等眾多優(yōu)勢(shì)，在海面測(cè)高[2]、海面測(cè)風(fēng)[3]、積雪厚度探測(cè)、陸地濕度[4?5]、海洋和陸地表面成像、空間飛行器以及海洋或陸地移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)[6?7]等方面都展現(xiàn)出應(yīng)用前景。

利用目標(biāo)反射的GNSS信號(hào)，探測(cè)目標(biāo)所在的空間位置和運(yùn)動(dòng)變化軌跡的雷達(dá)稱(chēng)為非合作式“雙基地”（或“多基地”）無(wú)源雷達(dá)。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于探測(cè)戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等移動(dòng)目標(biāo)的出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)變化現(xiàn)象中，以及對(duì)陸地和海洋上移動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別[8]。GNSS?R探測(cè)儀同時(shí)接收來(lái)自衛(wèi)星發(fā)射的直射信號(hào)和從目標(biāo)物體上反射的衛(wèi)星信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)對(duì)比直射信號(hào)與反射信號(hào)二維相關(guān)峰值的時(shí)間延遲，推算目標(biāo)物體與接收機(jī)之間的距離，從而確定被測(cè)物體的空間位置。計(jì)算反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的時(shí)間延遲是利用GNSS?R探測(cè)目標(biāo)的核心技術(shù)。

本文研究GNSS的目標(biāo)物體回波特性，利用回波進(jìn)行目標(biāo)定位。具體實(shí)驗(yàn)是用固定車(chē)輛的GPS反射信號(hào)計(jì)算汽車(chē)的空間位置。

1 GNSS?R目標(biāo)探測(cè)原理

在地球上任何地方任何時(shí)刻都能同時(shí)觀測(cè)到多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，因此，可利用一臺(tái)接收機(jī)接收多顆衛(wèi)星的反射信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射目標(biāo)的定位?；贕NSS反射信號(hào)的目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示。接收機(jī)同時(shí)接收直射和反射兩路信號(hào)，在圖1中分別用虛線和實(shí)線標(biāo)出。

通過(guò)對(duì)直射信號(hào)和反射信號(hào)的分析處理，獲得反射信號(hào)與直射信號(hào)的傳播路徑差，結(jié)合衛(wèi)星及接收機(jī)的位置，計(jì)算反射目標(biāo)的位置坐標(biāo)。具體做法如下：

在地心直角坐標(biāo)系下，假設(shè)滿(mǎn)足條件的導(dǎo)航衛(wèi)星的坐標(biāo)分別為；目標(biāo)位置坐標(biāo)為；接收機(jī)的位置坐標(biāo)為。在圖1中，對(duì)于1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，其反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的路徑差為：

式中：導(dǎo)航衛(wèi)星與接收機(jī)位置可通過(guò)接收機(jī)直射信號(hào)的定位解算模塊求解得到，c為真空中光速；為反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，可將其轉(zhuǎn)化為接收機(jī)直射信號(hào)與反射信號(hào)碼相位延遲時(shí)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)碼延遲時(shí)間）。同理，可得到滿(mǎn)足條件的其他3顆衛(wèi)星的路徑差方程，綜合上述方程建立方程組，便可解算出探測(cè)目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

2 碼延遲時(shí)間的求解

由于直射信號(hào)與反射信號(hào)之間存在波程差，二者之間必然存在碼相位延遲，則兩路信號(hào)的二維相關(guān)功率如圖2所示。設(shè)導(dǎo)航信號(hào)碼周期為對(duì)于GPS信號(hào)而言，一個(gè)碼周期有1 023個(gè)碼片，則有如下關(guān)系式：endprint

式中：為反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的延遲碼片數(shù)（單位：個(gè)）；與式（1）中的意義相同，為碼延遲時(shí)間。求碼延遲時(shí)間的問(wèn)題可轉(zhuǎn)換成信號(hào)碼相位的求解問(wèn)題。

2.1 碼延遲求解過(guò)程

GPS?R測(cè)量碼延遲時(shí)間的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。硬件部分由天線和中頻信號(hào)采集器組成，直射天線為右旋圓極化（RHCP）天線，為普通的商業(yè)GPS接收機(jī)天線，用來(lái)接收直射信號(hào)。反射天線為左旋圓極化（LHCP）天線，具有10 dB增益，指向反射目標(biāo)，接收經(jīng)目標(biāo)物體反射的反射信號(hào)。GN2012為GPS中頻信號(hào)采集器，對(duì)天線接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行降頻并采樣，得到數(shù)字中頻信號(hào)。將直射信號(hào)存儲(chǔ)在通道A，反射信號(hào)存儲(chǔ)在通道B，用圖3中所示數(shù)據(jù)格式交替存儲(chǔ)。

軟件部分為信號(hào)處理單元，完成直射信號(hào)和反射信號(hào)的數(shù)據(jù)處理，求出碼延遲時(shí)間。通過(guò)設(shè)置選取A路或B路信號(hào)進(jìn)行分析，直射信號(hào)的處理與常規(guī)GPS接收機(jī)相同，包括捕獲、跟蹤和定位解算。將獲得的衛(wèi)星號(hào)、碼相位和多普勒頻率作為先驗(yàn)條件，送入反射信號(hào)估算模塊，對(duì)反射信號(hào)的碼相位及多普勒頻移進(jìn)行估算，設(shè)置搜索范圍和搜索步長(zhǎng)，進(jìn)入反射信號(hào)細(xì)測(cè)量模塊，進(jìn)行精度小于一個(gè)碼片的精細(xì)捕獲，求得反射信號(hào)碼相位。最后將二者碼相位進(jìn)行比較，得到延遲碼片數(shù)由公式（2）求得

2.2 信息估算

信息估算模塊主要包括載波多普勒估算與碼相位估算。對(duì)于靜止接收機(jī)且反射面為陸地上的車(chē)輛而言，其運(yùn)動(dòng)速度相比于導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度來(lái)說(shuō)很小，其反射信號(hào)與直射信號(hào)的多普勒頻移在同一數(shù)量級(jí)上，因此直接用直射信號(hào)載波NCO的輸出作為反射信號(hào)的多普勒頻移[9]。反射信號(hào)本地C/A碼相位的估算為：

式中：為先驗(yàn)信息中直射信號(hào)碼相位；為接收機(jī)高度；為衛(wèi)星高度角；為一個(gè)C/A碼片的持續(xù)時(shí)間。

2.3 反射信號(hào)細(xì)測(cè)量

對(duì)于反射信號(hào)的處理如圖4所示，在基于FFT的并行碼相位捕獲算法[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將估算模塊獲得的碼相位和載波相位分別送入可調(diào)本地載波和本地C/A碼產(chǎn)生模塊，輸入數(shù)據(jù)與可調(diào)本地載波混頻，通過(guò)一個(gè)由16點(diǎn)累加器實(shí)現(xiàn)的低通濾波器，濾除和頻分量，實(shí)現(xiàn)載波的剝離；而與C/A碼的相關(guān)運(yùn)算，采用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，將剝離載波后的信號(hào)做FFT并取共軛，與本地C/A碼做FFT后的結(jié)果相乘，再取IFFT得到反射信號(hào)的相關(guān)值波形；記錄相關(guān)峰值及相關(guān)峰所在的碼片位置。由于對(duì)碼相位分辨率的要求，此處將本地C/A碼按位擴(kuò)展16倍，以達(dá)到碼延遲時(shí)間精確到碼片的目的。

3 車(chē)輛探測(cè)實(shí)驗(yàn)

探測(cè)對(duì)象為校園空曠處停放的車(chē)輛，數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖5所示，主要包括左旋天線、右旋天線、GN2012中頻信號(hào)采樣器及筆記本電腦。圖中直射天線為低增益RHCP天線，指向天頂方向；反射天線為四陣列高增益LHCP天線，指向車(chē)輛方向；GN2012中頻信號(hào)采集器輸出數(shù)據(jù)是采樣率為16.369 MHz，信號(hào)中心頻率為4.123 MHz，2 bit量化的數(shù)字中頻信號(hào)；筆記本電腦裝有中頻信號(hào)采集軟件，進(jìn)行數(shù)字中頻信號(hào)的傳送和保存。實(shí)驗(yàn)中，天線在車(chē)輛正南面，與接收機(jī)直線距離為35 m，將實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與此對(duì)比，驗(yàn)證該方法的正確性。

GPS信號(hào)中C/A碼長(zhǎng)度為1 023個(gè)碼片，周期為1 ms，則一個(gè)C/A碼周期所對(duì)應(yīng)的距離約為：

一個(gè)碼片對(duì)應(yīng)的距離為 m。在2.3節(jié)的反射信號(hào)細(xì)捕獲算法中，將每一個(gè)碼片擴(kuò)展了16倍，即采樣頻率為16.368 MHz，由此推算出理論測(cè)距精度約為 m。

先選4 ms直射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖6所示，結(jié)果給出數(shù)據(jù)采集時(shí)刻接收機(jī)捕獲到的直射信號(hào)的衛(wèi)星號(hào)、碼相位及多普勒頻率的粗略值。圖7為捕獲的衛(wèi)星星空視圖，同心圓為等仰角線，從外到內(nèi)分別代表0°，45°，90°。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置，低仰角衛(wèi)星的反射信號(hào)會(huì)更強(qiáng)[10]，天線朝向偏西北方向，因此，應(yīng)選取仰角為10.30°的6號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行碼延遲時(shí)間的求解。

由圖6可知，6號(hào)衛(wèi)星多普勒頻移為2 600 Hz，碼相位為第32個(gè)碼片，直射信號(hào)跟蹤結(jié)果顯示載波多普勒頻移為2 597 Hz。由于反射信號(hào)強(qiáng)度較弱，這里采用增加相干積分時(shí)間的方法，而GPS導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特寬度為20 ms，因此做反射信號(hào)細(xì)捕獲時(shí)，截取10 ms數(shù)據(jù)，以保證在連續(xù)兩段數(shù)據(jù)中至少有一段數(shù)據(jù)無(wú)導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳[11]。根據(jù)估算，碼延遲時(shí)間在一個(gè)碼片范圍內(nèi)，因此以第32號(hào)碼片為起點(diǎn)，搜索步進(jìn)為碼片，向后1個(gè)碼片，按2.3節(jié)所述進(jìn)行搜索。將反射信號(hào)相關(guān)峰值與直射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

從中選取某一頻率點(diǎn)如2 600 Hz，對(duì)直射和反射信號(hào)碼相位相關(guān)峰值做歸一化處理并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出6號(hào)衛(wèi)星反射信號(hào)相比于直射信號(hào)而言，有較大衰減，且相關(guān)峰延遲個(gè)碼片，換算成延后距離約為55 m，理論路徑延遲為m，誤差13.87 m，在測(cè)量精度范圍之內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

為探究用GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)作為無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和定位的可行性，本文以GPS信號(hào)為例，進(jìn)行基于GNSS?R技術(shù)車(chē)輛探測(cè)定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)給出反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)延遲時(shí)間的求解方法，用直射信號(hào)信息作為先驗(yàn)條件，進(jìn)行反射信號(hào)細(xì)捕獲，縮小了反射信號(hào)捕獲的搜索范圍，減少了捕獲所需的時(shí)間。采用基于FFT的并行碼相位捕獲算法，將碼相位延遲時(shí)間精確到碼片，即18.33 m。但實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地仍存在地面等其他反射面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本次實(shí)驗(yàn)并未考慮這些因素，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地其他多徑信號(hào)對(duì)探測(cè)目標(biāo)反射信號(hào)的影響將是今后的研究方向。

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