李博聞，張 波，楊東凱，祁永強

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

GNSS海洋反射信號軟件模擬器設(shè)計

李博聞，張 波，楊東凱，祁永強

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

在GNSS－R海洋遙感探測中，機載試驗是一種重要手段；針對GNSS－R機載試驗需要耗費巨大人力、物力以及可重復(fù)性差的問題，研究并設(shè)計了一種反射信號軟件模擬器，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直射信號模擬器的基礎(chǔ)上，在直射通道之外并行增加了反射信號通道；通過分析導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的特點，并利用基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號模型，配置機載GNSS海洋反射信號的時延、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；該模擬器可分別生成直射、反射信號兩個數(shù)字中頻文件，直接送入GNSS－R軟件接收機進行接收處理；實驗結(jié)果表明GNSS－R軟件接收機的接收處理結(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)生的反射信號與真實信號相關(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。

衛(wèi)星導(dǎo)航；反射信號；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年代以來逐漸發(fā)展起來的GNSS的一個新型分支，是國內(nèi)外遙感探測和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域研究熱點之一［1］。GNSS－R技術(shù)利用反射的導(dǎo)航衛(wèi)星偽碼信號或者載波信號，通過提取探測目標(biāo)反射面特性，可廣泛應(yīng)用于海面測風(fēng)、海面測高、海冰探測、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)航信號的分析和模擬也受到了越來越多的重視［5 6］。但是GNSS－R實驗存在以下幾個問題：對測試場景有苛刻的要求，可重復(fù)性差；實驗成本高，需要耗費大量的人力物力才能進行；對于精度的測試尚無驗證手段。并且國內(nèi)外的反射信號模擬器研究起步較晚，無論是西班牙Hyuk Park等人［7］提出的一種改進的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。

本文在分析基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號模型基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的直射信號模擬器，給出了反射信號軟件模擬器的設(shè)計結(jié)構(gòu)，具體介紹了反射信號的產(chǎn)生流程、關(guān)鍵參數(shù)及用戶界面，并對產(chǎn)生的反射信號進行了驗證。

1 基于Z-V模型的GNSS海洋反射信號模型

由海面散射相關(guān)函數(shù)可知，海面散射信號相關(guān)功率也是碼延遲和多普勒的函數(shù)，因此可以用來反演海面風(fēng)場。而Valery U.Zavortny和Akexander G.Voronovich在研究利用GPS海面散射信號進行海面風(fēng)場遙感的過程中，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海面散射信號的時延－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)星和接收機到散射點的距離；Ti是相干積分時間；D為接收機天線的增益；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為鏡像反射點到平均海面上某一點的向量。

由于海面的起伏不平，接收機接收到的反射信號是多個不同反射面的反射信號的疊加，各個信號之間有不同的時延。因此，在模擬過程中，可以設(shè)定海面發(fā)射信號為多條等時延間隔、不同功率的反射信號的疊加，如圖1所示。

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

圖1 多條等時延間隔、不同功率反射信號疊加

圖2 疊加后海面反射信號相關(guān)功率

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

2 海洋反射信號軟件模擬器設(shè)計

2.1 軟件模擬器總體結(jié)構(gòu)

GNSS海洋反射信號軟件模擬器的系統(tǒng)組成見圖3。其中，用戶輸入配置信息既包括系統(tǒng)頻點、接收機位置和運動軌跡、仿真時刻等產(chǎn)生直射信號所需的參數(shù)，還含有反射信號的相關(guān)參數(shù)配置如反射信號頻點及星號、計算得到各條反射信號的時延及功率等。

圖3 GNSS海洋反射信號軟件模擬器的系統(tǒng)組成

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

2.2 直射和反射信號生成過程

直射、反射信號的生成過程如圖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（虛線上部的直射通道）和反射信號（虛線下部的反射通道）。對于直射信號的生成過程與直射信號模擬器生成過程類似。首先，讀取設(shè)置的參數(shù)（系統(tǒng)頻點、仿真時刻、接收機位置和運動軌跡、誤差選擇等）后經(jīng)過模擬器初始化和自檢過程，啟動計時器計算當(dāng)前仿真時刻讀取星歷信息并計算各顆衛(wèi)星的參數(shù)如衛(wèi)星位置、速度、加速度，然后在計算完成誤差參數(shù)的基礎(chǔ)上得到信號狀態(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，生成直射信號狀態(tài)信息。

直射通道中得到的直射信號狀態(tài)信息用于反射通道中反射信號的生成。其中，衛(wèi)星和接收機的位置信息用于計算鏡面反射點的時間延遲，從而可以得到一組基于鏡面反射點的等時間間隔的反射信號時間延遲。利用上文介紹的基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號模型，可以建模擬合得到各條反射信號的時延、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，生成各條反射信號狀態(tài)信息。

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

圖4 直射、反射信號生成過程

2.3 鏡面反射點時間延遲的計算

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

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

3 反射信號模擬器的軟件實現(xiàn)及驗證

由圖4的直射、反射信號生成過程，可得GNSS反射信號模擬器軟件處理流程如圖5所示。

根據(jù)圖5所示的GNSS反射信號模擬器軟件處理流程，在直射信號模擬器中增加反射信號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、時間、接收機位置、屏蔽角、反射信號模型、數(shù)字中頻參數(shù)等。界面中間的列表顯示產(chǎn)生的直射信號及反射信號（帶*為反射信號，圖6中為“*Gps L1 3”，表示GPS L1頻點3號星的一條反射信號）的各項信息如衛(wèi)星的位置、仰角、方位角、偽距、多普勒等。

圖5 GNSS反射信號模擬器軟件處理流程

圖6 軟件模擬器用戶界面

反射信號的參數(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)生反射信號的頻點、星號，以及各條反射信號的時延、多普勒頻移和功率衰減等參數(shù)。

圖7 反射信號參數(shù)配置

在基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號模型仿真中可設(shè)置參數(shù)：接收機高度為5 km，GPS衛(wèi)星仰角計算得為54.44°，風(fēng)速為5 m／s，風(fēng)向為0°；在圖6的用戶界面中設(shè)置選擇GPS L1頻點并設(shè)置時間為2015年10月12日1點30分0秒，接收機位置設(shè)置為經(jīng)度116.3，緯度39.9，高度5 km，反射信號模型選擇機載模型并設(shè)置方向角180°，速度120 m／s，加速度0。信號產(chǎn)生模塊選擇產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，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。通過公式（3）可以計算得到鏡面反射點的反射信號相比直射信號到達(dá)接收機的碼片延遲τ為27.74 chips，基于τ得到一組時間間隔為0.25 chips的反射信號時延，然后利用反向擬合得到16條反射信號時延和功率衰減參數(shù)在圖7中進行反射信號參數(shù)配置。

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

利用Z－V模型可以仿真得到海面反射信號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延的反射信號疊加而成，這使得相關(guān)結(jié)果峰值后移，拖尾延長。雙通道軟件接收機接收直射信號和反射信號數(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個單位為1chips，也可以看出16條反射信號疊加后的相關(guān)結(jié)果也有明顯的拖尾現(xiàn)象。為了更加精確的進行驗證，統(tǒng)一橫縱坐標(biāo)后將圖8（a）和圖8（b）做匹配對比，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)生的反射信號與真實信號相關(guān)特性幾乎一致，可以用來進行反射信號的進一步研究。

圖8 反射信號生成及驗證

4 結(jié)束語

本文利用基于Z－V模型的GNSS海洋反射信號模型，在GNSS直射信號模擬器的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種反射信號軟件模擬器，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)論述了反射信號的生成過程，包括鏡面反射點時間延遲的計算。對于軟件實現(xiàn)，給出了整個實現(xiàn)流程及軟件接收機的處理結(jié)果。測試結(jié)果表明Z－V模型仿真結(jié)果和模擬器產(chǎn)生的反射信號處理結(jié)果相比，相關(guān)系數(shù)優(yōu)于0.99，對GNSS反射信號模擬器的研究具有一定指導(dǎo)意義。

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

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［5］侯 博，謝 杰，劉光斌.衛(wèi)星信號模擬器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.電訊技術(shù)，2011，51（5）.

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［10］張益強.基于反射信號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。