王利恒，陳智慧

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430000）

多源微波信號(hào)發(fā)射源的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)星座，通過(guò)延遲匹配接收機(jī)等接收裝置，可全天時(shí)、全天候、大面積監(jiān)測(cè)GPS發(fā)射信號(hào)和其他物體（本文主要考慮地面）的反射信號(hào)。和主動(dòng)微波探測(cè)相比，該系統(tǒng)能省去專門的發(fā)射裝置，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，且覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。目前包括美國(guó)、歐洲、俄羅斯還有中國(guó)，全球共有100多顆GNSS衛(wèi)星提供穩(wěn)定的測(cè)量信號(hào)[1]。

傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)，是將射頻前端和信號(hào)處理由專門的定制芯片實(shí)現(xiàn)，如基于Zarlink公司的射頻前端芯片GP2010和相關(guān)器芯片GP2021設(shè)計(jì)的雙射頻前端GPS接收機(jī)[2]，這種基于ASIC（application specific integrated circuit）結(jié)構(gòu)的接收機(jī)又被叫作硬件接收機(jī)。因?yàn)槠湫盘?hào)處理功能全部在芯片內(nèi)部完成，所以芯片一經(jīng)定型，用戶就不可能更改其相應(yīng)的參數(shù)或更新算法。而作為遙感應(yīng)用的接收機(jī)，至少支持雙天線，并且應(yīng)用研究目的不同，后期處理的算法會(huì)不同，有很強(qiáng)的功能定制性要求。為了適應(yīng)這一要求，研究一種多天線延遲映射軟件接收機(jī)很有必要。

1 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

延遲映射接收機(jī)不同于普通的定位授時(shí)接收機(jī)，它要接收不同路徑傳遞而來(lái)的GPS信號(hào)，因此至少包含兩路以上的射頻前端。接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括兩通道的射頻前端設(shè)備和軟件結(jié)構(gòu)的信號(hào)處理部分。也就是說(shuō)，除射頻前端外，其他所有部分均通過(guò)軟件在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)可以用各種高級(jí)編程語(yǔ)言如C/C++，Matlab等。

圖1 GPS軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of GPS software receiver

在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，上天線，即右旋極化天線（RHCP）安裝在接收機(jī)上面，接收到達(dá)GPS接收機(jī)的直射信號(hào)；下天線，即左旋極化天線（LHCP）安裝在接收機(jī) “腹部”，接收到達(dá)GPS接收機(jī)的反射信號(hào)。由于分開(kāi)接收，且上、下天線間還隔著金屬板，故認(rèn)為接收的兩路信號(hào)互不干擾。這兩路信號(hào)再經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化過(guò)程后，輸出的數(shù)字信號(hào)被暫存在存儲(chǔ)器中，以供此后的軟件部分處理。由于GPS信號(hào)在軟件接收機(jī)中不需要做實(shí)時(shí)處理，所以可以采用各種改進(jìn)的增強(qiáng)算法處理數(shù)字信號(hào)，最大化增加在惡劣環(huán)境中捕捉到GPS信號(hào)的可能性。同時(shí)由于不同路徑的GPS原始信號(hào)被同步采集到本地，可以通過(guò)后期的軟件處理得到不同路徑的時(shí)延特征和不同界面的反射特征參數(shù)。本文射頻前端采用東方聯(lián)星NewStar210M多天線同步GPS中頻信號(hào)采樣器，該采集器接收1575.42 MHz的L1頻段射頻信號(hào)，并通過(guò)下變頻至頻率為20.492 MHz信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣率為16.368 MHz，采樣后中頻為4.124 MHz。

2 GPS信號(hào)處理

不管是直射信號(hào)還是反射信號(hào)，由于經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的傳輸所造成的衰減，使得接收到的GPS信號(hào)淹沒(méi)在噪聲之中。必須通過(guò)相應(yīng)處理后才能從采樣后的中頻數(shù)據(jù)中捕獲GPS信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量。

GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送的GPS信號(hào)是一組組合碼，包括載波、數(shù)據(jù)碼和測(cè)距碼。測(cè)距碼包含C/A碼和P碼，本文中的延遲映射接收機(jī)系統(tǒng)處理的是L1頻段的C/A碼。C/A碼具有良好的自相關(guān)特性。利用這一特性可以很好地在接收的混頻信號(hào)中檢測(cè)到微弱的GPS信號(hào)。

GPS接收機(jī)采集到的是包含很多顆衛(wèi)星信號(hào)的混頻信號(hào)：

式中：Sr為采集到的信號(hào)；S1，S2，…Sn為當(dāng)前可見(jiàn)的n顆GPS衛(wèi)星信號(hào)；N為噪聲信號(hào)。搜索的目的就是從這一混頻信號(hào)中確認(rèn)出對(duì)接收機(jī)當(dāng)前位置的“可見(jiàn)”衛(wèi)星，進(jìn)而計(jì)算出載波的粗頻率和C/A碼的初始相位。

接收機(jī)接收了來(lái)自GPS衛(wèi)星的直射信號(hào)以及地面的反射信號(hào)，分別通過(guò)安裝向天的右旋極化天線和向地的左旋極化天線接收并引入到2個(gè)射頻前端進(jìn)行同步采集。在實(shí)際搜索過(guò)程中，不管是直射信號(hào)還是反射信號(hào)，都要考慮接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，因此搜星的過(guò)程其實(shí)是在時(shí)延和多普勒頻移2個(gè)方向進(jìn)行搜索，也就是通過(guò)時(shí)延-多普勒二維相關(guān)函數(shù)來(lái)搜索。

搜索時(shí)，預(yù)先設(shè)置一個(gè)粗略估計(jì)的載波值（包含多普勒頻移），將之與輸入的中頻數(shù)字信號(hào)相乘使輸入信號(hào)變成一個(gè)連續(xù)波。再移動(dòng)本地碼，每次移動(dòng)一個(gè)碼相位單元。移動(dòng)后的信號(hào)與連續(xù)信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算，其相關(guān)值大于預(yù)設(shè)“門限”值表明搜索成功；未超過(guò)的話，本地碼再移動(dòng)一個(gè)碼相位，并重復(fù)以上搜索步驟。

直射信號(hào)是衛(wèi)星通過(guò)空間直接傳遞到接收天線相位中心的信號(hào)，任意時(shí)刻t0在本地產(chǎn)生PRN（pseudo-random noise）復(fù)制碼a與接收天線在t0+τ接收的信號(hào)u的相關(guān)函數(shù)為

式中：Ti為積分時(shí)間；fL為接收信號(hào)的中心頻率；為補(bǔ)償接收機(jī)與GPS星座間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移值。當(dāng) Y（t0，τ）＞M（M 為門限值）時(shí)該衛(wèi)星“可見(jiàn)”，記錄此時(shí)的C/A碼相位和載波頻率值。

反射信號(hào)是經(jīng)過(guò)地面反射后進(jìn)入接收天線的，其相關(guān)函數(shù)和直射信號(hào)基本類似，但由于反射區(qū)不同，反射路徑有不同的時(shí)延和多普勒頻移。反射信號(hào)總體表現(xiàn)為不同時(shí)延和不同多普勒信號(hào)的疊加，如圖2所示，以鏡面反射點(diǎn)為中心的每一個(gè)橢圓有相同的時(shí)延[3]。

圖2 GPS接收信號(hào)的幾何關(guān)系Fig.2 Geometric diagram of GPS receiving signal

反射信號(hào)的時(shí)延-多普勒二維相關(guān)函數(shù)可以寫為

在信號(hào)處理階段，輸入的數(shù)字中頻信號(hào)（分為RHCP天線接收的直射信號(hào)與LHCP天線接收的反射信號(hào)），與本地載波相乘進(jìn)行載波分離后再與相應(yīng)的延遲C/A碼相關(guān)，得到I、Q兩路信號(hào)。再對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行積分、平方、求和運(yùn)算得到二維相關(guān)功率。處理過(guò)程如圖3所示。

圖3 接收機(jī)的信號(hào)處理原理Fig.3 Signal processing diagram of receiver

最后輸出的是基于時(shí)延-多普勒頻移的二維相關(guān)功率P，Ta為非相干累加時(shí)間：

如此，通過(guò)以上分析可知，延遲映射接收機(jī)的RHCP天線接收直射信號(hào)，經(jīng)過(guò)直射通道信號(hào)處理后得到直射中頻信號(hào)的相關(guān)峰值，進(jìn)而求出C/A碼相位和多普勒頻移觀測(cè)值；LHCP天線接收反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)反射通道信號(hào)處理，根據(jù)式（3）求得時(shí)延-多普勒二維相關(guān)值，根據(jù)式（4）求得二維相關(guān)功率。

3 延遲映射接收機(jī)特征參數(shù)

不同于定位測(cè)量的接收機(jī)，延遲映射接收機(jī)主要用于反射信號(hào)的處理與數(shù)據(jù)反演，因此，對(duì)于后期的導(dǎo)航電文的提取，通常不是必須的，延遲映射接收機(jī)主要找到GPS直射信號(hào)和反射信號(hào)的功率關(guān)系和相位的關(guān)系，以方便做后期的測(cè)量反演處理。

直射信號(hào)的相關(guān)值用于判定衛(wèi)星是否“可見(jiàn)”，從中得到的延遲C/A碼相位反映了接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離，除此之外還可以得到由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移值；而反射信號(hào)的二維相關(guān)功率反映了多徑效應(yīng)影響下的信號(hào)變化。由于發(fā)射功率限制及傳播路徑的衰減，GPS二維相關(guān)功率值比較小，為更好研究延遲映射下接收機(jī)的GPS信號(hào)，可以將直射信號(hào)和反射信號(hào)的相關(guān)功率做歸一化處理[4]。運(yùn)用這種思路，可將這種延遲映射接收機(jī)用于海面風(fēng)場(chǎng)、土壤濕度以及其他領(lǐng)域的反演中。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于前文的理論分析進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)是北京東方聯(lián)星科技有限公司開(kāi)發(fā)的軟件NewStar210M，GPS系統(tǒng)，L1載波頻率為1575.42 MHz，C/A碼碼長(zhǎng)1023，碼片速率1.023 MHz，頻譜主瓣的零點(diǎn)到零點(diǎn)的帶寬為2.046 MHz，中頻載波為4.124 MHz，多普勒頻移范圍為-10 kHz～10 kHz，多普勒頻移步長(zhǎng)為1 kHz。以16.368 MHz采樣1 ms長(zhǎng)數(shù)據(jù)，總采集時(shí)間為100 ms，其結(jié)果如圖4、圖5所示。

由圖4可知，PRN=28，衛(wèi)星28的直射信號(hào)相關(guān)峰值顯著，該衛(wèi)星“可見(jiàn)”，其C/A碼相位為152.63，多普勒頻移值為0.55 kHz。由圖5可知，反射信號(hào)的二維相關(guān)值為Y=34618604.90，即式（3）的值為34618604.90。將之帶入式（4）計(jì)算出反射信號(hào)的二維相關(guān)功率（積分時(shí)間100 ms，為計(jì)算方便Y值取在3.4×107～3.5×107之間）?？梢钥吹剑鄙湫盘?hào)的相關(guān)值近似為反射信號(hào)的4倍，反射信號(hào)較微弱。而延遲映射軟件接收機(jī)主要用于反射信號(hào)的處理與數(shù)據(jù)反演，所以處理方法是將它的二維相關(guān)功率做歸一化，如此可以很好地反映反射信號(hào)的特性。

圖4 直射信號(hào)相關(guān)結(jié)果Fig.4 Correlation result of direct signal

圖5 反射信號(hào)相關(guān)結(jié)果Fig.5 Correlation result of reflected signal

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的延遲映射軟件接收機(jī)將除射頻前端外的所有信號(hào)處理工作放在了軟件處理階段，不僅很好地控制了由多徑效應(yīng)引起的誤差，同時(shí)還具有軟件接收機(jī)的方便靈活性，可實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)離線采集然后帶回試驗(yàn)室研究分析，試驗(yàn)結(jié)果證明了其可行性。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量誤差不止有多路徑誤差，還包括與衛(wèi)星有關(guān)的星歷誤差、衛(wèi)星鐘差，與信號(hào)傳播有關(guān)的除多徑效應(yīng)以外的電離層和對(duì)流層的延遲誤差；與接收機(jī)有關(guān)的接收機(jī)鐘差、位置誤差等[5]，這些都是影響定位精度的因素，要提高GPS接收機(jī)的精度有待更深入的研究。

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[2]胡榮磊，張其善，張益強(qiáng).雙射頻前端GPS遙感延遲映射接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2006，25（5）：46-50.

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