BD3信號(hào)多天線GNSS-R海冰延遲映射接收機(jī)設(shè)計(jì)

郝嘉琪　王先毅　孫越強(qiáng)　王冬偉　蔡躍榮　夏俊明　田羽森

摘 ?要： 文中介紹一種多天線海冰接收機(jī)的整體架構(gòu)以及其在多極化海冰探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)描述其軟硬件的設(shè)計(jì)，給出直射通道、反射通道和控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及具體實(shí)現(xiàn)。針對(duì)“北斗三號(hào)”B1C新信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種利用“北斗二號(hào)”B1I信號(hào)輔助“北斗三號(hào)”B1C反射信號(hào)處理的方法。最后進(jìn)行反射信號(hào)接收的初步試驗(yàn)，在試驗(yàn)中接收到不同極化的反射信號(hào)，并通過(guò)上位機(jī)軟件觀察其相關(guān)功率，同時(shí)對(duì)比B1C與B1I反射信號(hào)的相關(guān)結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)備可以正常工作。

關(guān)鍵詞： 延遲映射接收機(jī); 海冰探測(cè); GNSS?R; BD?3信號(hào); 反射信號(hào); 初步測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN827+.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0008?05

Design of multi?antenna GNSS?R sea?ice delay mapping receiver of BD?3 signal

HAO Jiaqi1，2，3， WANG Xianyi1，3，4， SUN Yueqiang1，2，3，4， WANG Dongwei1，3，4，

CAI Yuerong1，3，4， XIA Junming1，3，4， TIAN Yusen1，2，3

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China;

2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situational Awareness Technology， Beijing 101499， China）

Abstract： The overall architecture of multi?antenna sea?ice receiver and its application in the field of the multi?polar sea?ice detection are introduced. On this basis， its hardware and software design are described systematically， the detailed design scheme and concrete realization of the direct channel， reflection channel and control system are given. In allusion to the characteristic of the new signal B1C of the BeiDou navigation satellite system 3 （BDS?3）， a method using BeiDou?2 B1I signal to assist BDS?3 B1C reflected signal processing is designed and implemented. The preliminary test of reflected signal reception was carried out. In the experiment， the reflected signals of different polarizations were received， the correction power was observed by means of the upper computer software， and the correlation results between B1C and B1I reflection signals were compared. All these verify that the equipment can work normally.

Keywords： delay mapping receiver; sea?ice detection; GNSS?R; BD?3 signal; reflection signal; preliminary testing

0 ?引 ?言

GNSS?R（Global Navigation Satellite System Reflecto?

metry）是一種新興的遙感探測(cè)方式，通過(guò)接收從地球表面反射的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量其相對(duì)延遲和幅度變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面各種物理參數(shù)的探測(cè)和反演。GNSS?R技術(shù)可用于探測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)與高度、海冰、土壤濕度、目標(biāo)檢測(cè)等[1]，具有測(cè)量精確、監(jiān)測(cè)便利、信號(hào)源豐富、接收設(shè)備簡(jiǎn)單輕便、價(jià)格低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]。近年來(lái)，GNSS?R技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展迅速，具有代表性的項(xiàng)目有英國(guó)的UK?DMC，TDS?1、美國(guó)的CYGNSS星座等。

2018年底“北斗三號(hào)”系統(tǒng)基本完成建設(shè)，開(kāi)始提供全球服務(wù)，到2020年將會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)星座的完全部署[9]?！氨倍啡?hào)”系統(tǒng)在B1頻段（1 575.42 MHz）上增加B1C信號(hào)。B1C信號(hào)采用BOC調(diào)制方式，滿足B1頻點(diǎn)與[L1E1]頻譜兼容性的要求，增加了帶寬，提高了抗干擾能力。B1C信號(hào)的自相關(guān)譜圖具有多峰特點(diǎn)，相關(guān)峰更加尖銳，抗多徑和碼跟蹤性能更好。B1C信號(hào)由數(shù)據(jù)（data）分量和導(dǎo)頻（pilot）分量?jī)刹糠纸M成，其信號(hào)結(jié)構(gòu)為：

[sB1Ct=sB1C_datat+jsB1C_pilott] （1）

式中，數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量可分別由式（2）、式（3）表示。

[sB1C_datat=12DB1C_datatCB1C_datatscB1C_datat] （2）

[sB1C_pilott=32CB1C_pilottscB1C_pilott] ?（3）

式中：[DB1C_datat]為導(dǎo)航數(shù)據(jù);[CB1C_datatCB1C_pilott]與[scB1C_datatscB1C_pilott]分別是兩個(gè)分量的測(cè)距碼和副載波。

B1C信號(hào)數(shù)據(jù)分量和導(dǎo)頻分量的功率比為1∶3，其導(dǎo)頻分路的副載波包含2個(gè)雙相子載波，因此B1C信號(hào)實(shí)際上由3個(gè)分量組成[10]，其調(diào)制特性如表1所示。

B1C信號(hào)的偽碼周期為10 ms，能夠進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的相干積分，可以提高在信號(hào)較弱情況下的檢測(cè)概率。但受偽碼長(zhǎng)度的影響（B1C是B1I碼長(zhǎng)的10倍碼，為10 230碼片），B1C碼的捕獲速度較慢，并且跟蹤環(huán)節(jié)會(huì)大量占用FPGA中的資源（B1C跟蹤資源的占用約為B1I信號(hào)的4倍），對(duì)硬件要求較高。因此，本文提出了一種利用“北斗二號(hào)”B1I信號(hào)輔助接收“北斗三號(hào)”B1C反射信號(hào)的方法，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示，采用的本地偽碼為B1C的pilot通道偽碼。B1C的頻率計(jì)算可由式（5）得出。

[fIF_B1C=fIF_B1C_STD+fRF_B1CfRF_B1IfIF_B1I-fIF_B1I_STD] （5）

式中：[fIF_B1C]為預(yù)測(cè)的B1C載波中頻頻率;[fIF_B1I]為接收到的B1I信號(hào)的實(shí)際載波中頻頻率;[fIF_B1C_STD]與[fIF_B1I_STD]分別為B1C與B1I信號(hào)的基準(zhǔn)載波中頻頻率;[fRF_B1C]與[fRF_B1I]分別為B1C與B1I信號(hào)的射頻頻率。

對(duì)于同一顆衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，B1C反射信號(hào)處理利用了B1C信號(hào)與B1I信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性。在B1I信號(hào)完成位同步后，利用B1I信號(hào)相位生成本地B1C信號(hào)，經(jīng)過(guò)延遲后與剝離載波的反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)以生成延遲映射。B1C反射信號(hào)相對(duì)于直射B1I信號(hào)的延遲為：

[τ=2Hsinθ] （6）

式中：H為天線距離反射面的高度;θ為衛(wèi)星仰角。此方式不需要直接進(jìn)行B1C信號(hào)的捕獲與跟蹤，減少了硬件資源的使用。

4 ?初步測(cè)試結(jié)果

為了檢驗(yàn)海冰延遲映射接收機(jī)的設(shè)計(jì)，在懷柔水庫(kù)對(duì)該接收機(jī)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。接收機(jī)天線架放和接收機(jī)實(shí)物如圖7所示，天線放置高度大約為25 m，直反天線與水平面的夾角均為45°。上位機(jī)軟件界面如圖8所示，軟件中顯示了接收到的GPS/北斗直射衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位結(jié)果，右下角顯示了不同衛(wèi)星對(duì)應(yīng)不同天線的反射相關(guān)功率（碼延遲取[-12] chip，0，[12] chip三個(gè)點(diǎn)），ANT1?4分別對(duì)應(yīng)左旋、右旋、水平、垂直極化天線。以“北斗六號(hào)”為例，其衛(wèi)星仰角約為61.88°，各反射天線接收到的信號(hào)如圖8右下角的曲線所示。

圖9為接收到的B1I信號(hào)與B1C信號(hào)的相關(guān)結(jié)果，為了檢驗(yàn)B1C信號(hào)處理，在接收時(shí)將反射通道配置成多級(jí)延遲以覆蓋整個(gè)碼片。接收到的B1C反射信號(hào)相關(guān)圖表現(xiàn)出明顯的BOC調(diào)制多峰特性，通過(guò)對(duì)比可知B1C信號(hào)的相關(guān)峰值比B1I信號(hào)高出許多，主峰也更加尖銳，有利于反射信號(hào)觀測(cè)。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹一種多天線GNSS?R海冰延遲映射接收機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)，并通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)證明了其可以同時(shí)接收多路天線信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“北斗三號(hào)”B1C反射信號(hào)的接收。

本儀器后續(xù)將在北極進(jìn)行海冰的長(zhǎng)期觀測(cè)，其數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果將在后續(xù)論文中進(jìn)一步描述。

注：本文通訊作者為王先毅。

參考文獻(xiàn)

[1] 公緒艷.基于GNSS反射信號(hào)的海面風(fēng)場(chǎng)反演方法研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2016.

[2] 騰小霽.GNSS?R海洋反射接收機(jī)信號(hào)跟蹤模塊設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)科學(xué)院，2010.

[3] SCOTT Gleason. Towards sea ice remote sensing with space detected GPS signals： demonstration of technical feasibility and initial consistency check using low resolution sea ice information [J]. Remote sensing， 2010， 2（8）： 2017?2039.

[4] ALONSOARROYO A， ZAVOROTNY V U， Camps A. Sea ice detection using GNSS?R data from UK TDS?1 [C]// Proceedings of 2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Beijing： IEEE， 2016： 2001?2004.

[5] 張?jiān)?，郭建京，袁?guó)良，等.基于GNSS反射信號(hào)的海冰檢測(cè)的研究[J].全球定位系統(tǒng)，2013，38（2）：1?6.

[6] 尹聰，曹云昌，朱彬，等.GNSS?R海冰遙感的模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，50（4）：612?618.

[7] 金雙根，張勤耘，錢(qián)曉東.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射測(cè)量（GNSS+R）最新進(jìn)展與應(yīng)用前景[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017，46（10）：1389?1398.

[8] FABRA F， CARDELLACH E， RIUS A， et al. Phase altimetry with dual polarization GNSS?R over sea ice [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2012， 50（6）： 2112?2121.

[9] GAO Y， YAO Z， LU M Q. Design and implementation of a real?time software receiver for BDS?3 signals [J]. Navigation， 2019， 66（1）： 83?97.

[10] LU Mingquan， LI Wenyi， YAO Zheng， et al. Overview of BDS III new signals [J]. Navigation， 2019， 66（1）： 19?35.

作者簡(jiǎn)介：郝嘉琪（1995—），男，碩士，研究方向?yàn)镚NSS軟件設(shè)計(jì)。

王先毅（1982—），男，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事GNSS無(wú)線電遙感研究。

孫越強(qiáng)（1963—），女，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事GNSS空間遙感及天基空間環(huán)境探測(cè)技術(shù)研發(fā)。