《電子技術(shù)應(yīng)用》
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適用于北斗GNSS-R接收機(jī)的反射信號(hào)捕獲算法
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
楊 銳1，黃海生1，李 鑫1，曹新亮2
1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121；2.延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000
摘要： 針對(duì)北斗反射信號(hào)捕獲難度大問題，提出一種適用于北斗GNSS-R接收機(jī)中反射信號(hào)的捕獲算法。該算法利用直射信號(hào)中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)剝離掉反射信號(hào)中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并通過周期累加運(yùn)算和FFT相關(guān)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的反射信號(hào)捕獲算法。算法可以降低長(zhǎng)時(shí)間相干積分的運(yùn)算量，提高算法捕獲速率。對(duì)新算法進(jìn)行了MATLAB仿真，并與傳統(tǒng)的捕獲算法(相干非相干算法、差分相干算法)做了比較，仿真結(jié)果表明，該算法在捕獲性能上明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的相干非相干與差分相干捕獲算法。
中圖分類號(hào)： TN961
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174212
中文引用格式： 楊銳，黃海生，李鑫，等. 適用于北斗GNSS-R接收機(jī)的反射信號(hào)捕獲算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(8)：118-121，125.
英文引用格式： Yang Rui，Huang Haisheng，Li Xin，et al. A reflected signal acquisition algorithm for Beidou GNSS-R receiver[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(8)：118-121，125.
A reflected signal acquisition algorithm for Beidou GNSS-R receiver
Yang Rui1，Huang Haisheng1，Li Xin1，Cao Xinliang2
1.School of Electronic Engineering，Xi′an University of Posts and Telecommunications，Xi′an 710121，China； 2.School of Physics and Electronic Information，Yan′an University，Yan′an 716000，China
Abstract： Aiming at the difficulty of Beidou reflected signal acquisition, this paper presents a capture algorithm for the reflected signal in the Beidou GNSS-R receiver. The algorithm uses the navigation data in the direct signal to peel off the navigation data in the reflected signal, and improves the traditional reflection signal acquisition algorithm through the cyclic accumulation operation and the FFT correlation.The algorithm can greatly reduce the computational complexity and shorten the capture time of long time integral of the reflected signal.In this paper, the MATLAB simulation of the new algorithm is carried out, and compared with the traditional coherent-uncoupling algorithm and the difference coherence algorithm. The simulation results show that the algorithm in this paper is superior to the traditional coherent noncoherent and differential coherent acquisition algorithm in capturing performance.
Key words : reflected signals；navigation data；coherent noncoherent；FFT；integral gain

0 引言

    全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)不僅可以為用戶提供導(dǎo)航定位信息、授時(shí)等功能，其反射信號(hào)也可以被接收與處理。利用GNSS反射信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)遙感測(cè)量的技術(shù)，被稱為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(hào)遙感技術(shù)(Global Navigation Satellite System-Reflections，GNSS-R)[1]。通過處理GNSS衛(wèi)星的反射信號(hào)，可以進(jìn)行海面、地表、森林等參數(shù)的遙感探測(cè)與反演[2-4]。中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以進(jìn)行全方位、多信號(hào)源、廣覆蓋、高分辨率的地表觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，為海洋、陸地、冰面等反射面的監(jiān)測(cè)提供了更為可靠有效的方法，這也必將成為北斗系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域[5]。

    反射信號(hào)的捕獲是GNSS-R技術(shù)中的關(guān)鍵。然而信號(hào)經(jīng)反射面反射后，信號(hào)功率大幅度衰減，加大了反射信號(hào)的捕獲難度。對(duì)于反射信號(hào)的捕獲，通過加長(zhǎng)積分時(shí)間提高信噪比。目前，常見的反射信號(hào)捕獲算法主要有相干非相干算法和差分相干捕獲算法[6]。其中，相干積分對(duì)于信號(hào)增益的提升最為有效，但相干積分受限于導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變[7]。本文針對(duì)北斗GNSS-R接收機(jī)，提出一種可以克服導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變的反射信號(hào)捕獲算法。

1 北斗衛(wèi)星信號(hào)概述

    北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)，其空間星座由5顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、27顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星組成。北斗衛(wèi)星1～5號(hào)星屬于GEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星播發(fā)D2導(dǎo)航電文，數(shù)據(jù)率為500 b/s。北斗衛(wèi)星6～37號(hào)星屬M(fèi)EO/IGSO衛(wèi)星，播發(fā)D1導(dǎo)航電文，數(shù)據(jù)率為50 b/s，并調(diào)制有速率為1 Kb/s的二次編碼。D1導(dǎo)航電文上調(diào)制的二次編碼是指在速率為50 b/s的電文上調(diào)制一個(gè)NH碼。NH碼周期為20 ms，共20 bit信息位（0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0），碼速率為1 Kb/s，碼寬為1 ms，以模二加的形式與擴(kuò)頻碼和導(dǎo)航信息碼同步調(diào)制[8]。圖1為北斗信號(hào)二次調(diào)制原理圖。

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2 反射信號(hào)捕獲算法研究

2.1 信號(hào)捕獲原理

    衛(wèi)星信號(hào)的捕獲是對(duì)多普勒頻率及C/A碼的二維搜索過程，利用C/A碼的強(qiáng)自相關(guān)性，在二維搜索過程中找出一個(gè)自相關(guān)峰值，從而確定C/A碼相位偏移以及多普勒頻率信息。常見的捕獲搜索算法為頻率串行碼相位并行搜索，其處理框圖如圖2所示。

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2.2 傳統(tǒng)反射信號(hào)捕獲算法

2.2.1 相干-非相干積分算法

    相干積分利用的是C/A碼的強(qiáng)自相關(guān)性，對(duì)N個(gè)C/A碼周期的相關(guān)值矩陣直接累積，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

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式中，yk(t，fd)表示第k個(gè)C/A碼相關(guān)值矩陣，t和fd分別代表碼相位點(diǎn)和多普勒頻率。    

    相干積分增益可以表示為[9]：

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式中，Bb=1/T，T為相干積分時(shí)間。對(duì)于北斗信號(hào)，則BW=4.092 MHz。式(2)表明，增加相干積分時(shí)間可以提高信號(hào)增益，由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)和跳轉(zhuǎn)邊沿未知，使得相干積分時(shí)間不能無限增大，此時(shí)可以通過采用非相干積分的方式來提高信噪比。

    非相干積分是對(duì)N個(gè)相干積分結(jié)果進(jìn)行模值平方后再求和[10]，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

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    非相干積分長(zhǎng)度不受導(dǎo)航數(shù)據(jù)和跳轉(zhuǎn)邊沿影響，但是存在噪聲平方損失。文獻(xiàn)[11]分析了其增益和損耗，指出非相干次數(shù)在少的時(shí)候是有效的，但隨著累積次數(shù)的增多，損耗也會(huì)增加，總的處理增益會(huì)下降。

2.2.2 差分相干算法

    差分相干算法，其原理可概括為如下表達(dá)式：

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    文獻(xiàn)[12]指出差分相干積分能夠減小平方損耗，對(duì)信噪比的提升優(yōu)于非相干積分。

2.3 直射輔助式反射信號(hào)捕獲算法

2.3.1 直射信號(hào)與反射信號(hào)關(guān)系研究

    GNSS-R原理如圖3所示，接收機(jī)在接收衛(wèi)星直射信號(hào)的同時(shí)也將接收反射信號(hào)。反射信號(hào)經(jīng)由反射面反射后到達(dá)接收機(jī)。相對(duì)于直射信號(hào)而言，反射信號(hào)的傳播路徑有一個(gè)路徑延遲。北斗衛(wèi)星直射信號(hào)與反射信號(hào)的數(shù)字中頻表達(dá)式如下：

    直射信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式：

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式中，上標(biāo)i表示衛(wèi)星編號(hào)，A、x、D、fd、τ、f和φi分別表示衛(wèi)星信號(hào)幅值、C/A碼、導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼、直射多普勒頻移、反射相對(duì)于直射的碼片延遲、反射相對(duì)于直射的多普勒偏移和載波初始相位。

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2.3.2 基于直射輔助的反射信號(hào)捕獲算法

    GNSS-R接收機(jī)處理框圖如圖4所示。接收機(jī)基帶處理模塊分直射通道與反射通道。直射通道完成直射信號(hào)的捕獲跟蹤、導(dǎo)航解算與用戶定位。通過導(dǎo)航解算可求解出直射信號(hào)中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)D(k)，D(k)取值為1或-1，使用D(k)剝離掉反射信號(hào)中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，則式(6)可改寫為：

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    去掉導(dǎo)航跳變的反射信號(hào)就可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的相干積分。在使用FFT做相關(guān)處理前，對(duì)已剝離掉導(dǎo)航跳變的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性累加，再執(zhí)行FFT相關(guān)操作，這樣可以降低FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)，從而極大降低長(zhǎng)時(shí)間相干積分的運(yùn)算量，提高反射信號(hào)捕獲速度?；谥鄙漭o助的反射信號(hào)快速捕獲過程如下：

    （1）以直射信號(hào)多普勒頻率為中心搜索頻率，對(duì)輸入的中頻北斗反射信號(hào)乘以正交本地載波，進(jìn)行去載波操作。

    （2）利用直射信號(hào)中提取的導(dǎo)航數(shù)據(jù)對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)剝離，根據(jù)北斗衛(wèi)星調(diào)制方式不同，分兩種情況：

    ①若為GEO衛(wèi)星，則導(dǎo)航數(shù)據(jù)直接乘以反射信號(hào)。

    ②若為MEO/IGSO衛(wèi)星，導(dǎo)航數(shù)據(jù)先調(diào)制NH碼，再與反射信號(hào)相乘。

    （3）對(duì)不含導(dǎo)航跳變的信號(hào)以一個(gè)C/A周期進(jìn)行累加操作。

    （4）累加后信號(hào)進(jìn)行FFT變換，與本地C/A的FFT變化的復(fù)共軛相乘，做IFFT變換之后取模值。

3 算法實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

    實(shí)驗(yàn)選用矩陣電子的多星座導(dǎo)航信號(hào)模擬器（型號(hào)為GNS-8332）產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)。通過配置通道參數(shù)生成不同功率的北斗B1頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)，仿真場(chǎng)景中可以設(shè)置給衛(wèi)星加入多徑信號(hào)用以模擬該顆星的反射信號(hào)。反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的功率衰減可以進(jìn)行設(shè)置。采用萊特信息科技的多天線衛(wèi)星中頻信號(hào)采樣器（型號(hào)為L(zhǎng)T-C-002）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；采樣頻率為20 MHz。信號(hào)中心頻率為2.902 MHz。

3.2 算法仿真

3.2.1 實(shí)驗(yàn)一

    模擬器產(chǎn)生北斗1號(hào)衛(wèi)星信號(hào)，直射信號(hào)功率設(shè)為-130 dBm，反射信號(hào)相對(duì)直射信號(hào)衰減10 dB，即功率為-140 dBm。反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的碼片延遲為20個(gè)碼片。3種算法對(duì)北斗1號(hào)星的捕獲結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

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    實(shí)驗(yàn)一仿真結(jié)果：3種捕獲方法所處理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為20 ms。碼片分辨率均為1/4碼片。圖5～圖7所用捕獲方法分別為相干非相干積分、差分相干積分和直射輔助式相干積分，捕獲性能對(duì)比如表1所示。

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3.2.2 實(shí)驗(yàn)二

    模擬器產(chǎn)生北斗7號(hào)衛(wèi)星信號(hào)，直射信號(hào)功率設(shè)為-130 dBm,反射信號(hào)相對(duì)直射信號(hào)衰減20 dB，即功率為-150 dBm。反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的碼片延遲為20個(gè)碼片。3種算法對(duì)北斗7號(hào)星的捕獲結(jié)果分別如圖8～圖10所示。

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    實(shí)驗(yàn)二仿真結(jié)果：3種捕獲方法所處理的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為100 ms。碼片分辨率均為1/4碼片。圖8～圖10所用捕獲方法分別為相干非相干積分、差分相干積分和直射輔助式相干積分，捕獲性能對(duì)比如表2所示。

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4 結(jié)束語

    本文在研究傳統(tǒng)反射信號(hào)捕獲算法的基礎(chǔ)上，利用直射與反射信號(hào)的關(guān)系提出一種適用于北斗GNSS-R接收機(jī)中的反射信號(hào)的捕獲算法，并進(jìn)行了仿真，同時(shí)與相干非相干累積積分、差分相干算法做了對(duì)比。仿真結(jié)果表明，在捕獲-140 dBm信號(hào)時(shí)，3種算法的積分長(zhǎng)度均為20 ms，本文算法的捕獲性能優(yōu)于相干非相干算法13.98 dB，優(yōu)于差分相干算法7.78 dB。捕獲-150 dBm的弱信號(hào)時(shí)，積分時(shí)間均為100 ms，傳統(tǒng)捕獲算法未能檢測(cè)到反射信號(hào)，本文算法正確檢測(cè)到反射信號(hào)。若采用更長(zhǎng)的積分時(shí)間，則可以捕獲到更弱的反射信號(hào)。在利用GNSS-R技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)反演時(shí)，該算法具有良好的應(yīng)用前景。                 

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作者信息:

楊  銳1，黃海生1，李  鑫1，曹新亮2

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安710121；2.延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）

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