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，除射頻前端外，其他所有部分均通過軟件在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)過采樣、保持、量化過程后，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)淹沒在噪聲之中。必須通過相應(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”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，也就是通過時(shí)延-多普勒二維相關(guān)函數(shù)來搜索。

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”，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”，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”，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?，直射信號(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。

[1]魏娜.衛(wèi)星導(dǎo)航與定位技術(shù)學(xué)科發(fā)展研究[J].教育教學(xué)論壇，2016（19）：59-60.

[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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