侯若涵，尚社，宋大偉

（中國空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

基于GNSS-R體制的單源信號處理技術(shù)

侯若涵，尚社，宋大偉

（中國空間技術(shù)研究院西安分院陜西西安710100）

GNSS-R是以GPS衛(wèi)星作為外輻射源的無源探測系統(tǒng)，本文研究了GNSS-R體制下的信號模型，提出了一種基于直達(dá)通道信息的反射通道信號數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法，依據(jù)此對反射通道實測信號進(jìn)行校準(zhǔn)，消除數(shù)據(jù)為跳變對積累結(jié)果的影響。在上述基礎(chǔ)上研究比較了長碼積累與分組碼積累的性能，分析了衛(wèi)星平臺及目標(biāo)運(yùn)動下單源信號的有效積累時間，在此基礎(chǔ)上提出了基于直達(dá)通道信息的反射信號補(bǔ)償算法，通過對實測信號處理結(jié)果表明可以有效提高信號積累峰值。

GNSS-R；單源；估計；補(bǔ)償；積累

GPS信號的地面到達(dá)功率較弱，大約在-153 dBW到-160 dBW之間[2]，GNSS-R體制下經(jīng)過二次散射的GPS信號功率更低，這就對GNSS-R體制下目標(biāo)檢測提出了很大挑戰(zhàn)。本文研究了GPS信號模型，提出了基于直射信號信息的反射通道信號數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法，研究并比較了長碼積累與分組碼積累的性能，分析了衛(wèi)星平臺以及目標(biāo)運(yùn)動對積累的影響，依據(jù)此提出了反射通道信號補(bǔ)償算法，通過對GNSS-R實驗中實測數(shù)據(jù)的處理，結(jié)果表明該算法能顯著提升目標(biāo)回波信噪比。

本文首先研究了GNSS-R體制下的信號模型，在第2節(jié)依據(jù)此提出了數(shù)據(jù)位跳變校準(zhǔn)算法，在第2節(jié)基礎(chǔ)上，第3節(jié)研究了衛(wèi)星運(yùn)動對信號的影響，根據(jù)衛(wèi)星的運(yùn)動對反射通道信號進(jìn)行補(bǔ)償后再進(jìn)行非相干積累，實測數(shù)據(jù)結(jié)果表明能夠有效提高積累性能。

1 GNSS-R系統(tǒng)構(gòu)成原理

基于GNSS-R的目標(biāo)探測系統(tǒng)模型[2]如圖1所示，雙基地系統(tǒng)發(fā)射站為GPS衛(wèi)星，地面接收站接收來自該GPS衛(wèi)星的直射信號和經(jīng)過目標(biāo)散射的反射信號。

這樣，GPS衛(wèi)星信號在數(shù)學(xué)上表述為

式中P是發(fā)射信號功率，C(t)是帶寬為1.023 MHz的粗碼（C/A碼），D(t)是帶寬為50 Hz的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，ω0=2πf0，f0為1 575.42 MHz的載頻，?0是信號初始相位。

圖1 雙基地模型

故直達(dá)波通道收到的信號為：

式中Pd是直達(dá)波信號功率，τd是信號從衛(wèi)星到雷達(dá)接收機(jī)的傳播時間τr=Rd/c，忽略空間電離層對信號產(chǎn)生的時延誤差。

同理可推導(dǎo)出反射通道的中頻信號為：

式中Pr是反射信號功率，τr是信號從衛(wèi)星到目標(biāo)被其反射到達(dá)雷達(dá)的傳播時間τr=((R1+R2)/c)，ωd是目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒頻差，?r2是反射中頻信號初始相位。

接收站通過直達(dá)波天線接收來自GPS衛(wèi)星的直射信號，通過反射波天線接收來自目標(biāo)散射的GPS反射信號，由于反射信號信噪比較低，選取一個數(shù)據(jù)位長度即20 ms作為處理單元，數(shù)據(jù)位跳變的影響在后面會被去掉，根據(jù)直達(dá)波信號處理后得到的數(shù)據(jù)位、碼偏、多普勒頻偏等信息對反射通道信號進(jìn)行時頻二維聯(lián)合處理，最后將多個處理單元的信號進(jìn)行積累。

2 基于直達(dá)通道信息的反射信號數(shù)據(jù)位跳變校準(zhǔn)算法

GPS信號為偽碼與數(shù)據(jù)碼二次調(diào)制信號，C/A碼具有良好的自相關(guān)性能，故利用類似GPS信號的捕獲算法，通過遍歷1 023個碼相位得到的峰值即為反射信號碼偏，由于數(shù)據(jù)碼調(diào)制的存在，去掉C/A碼的20 ms反射通道信號為：

忽略多普勒頻偏以及相位偏移，上式簡化為:

Sif為20 ms載波信號，將上式轉(zhuǎn)換到頻域為：

由上面可推得D()t為符號函數(shù)sgn，其可表示為：

經(jīng)過傅里葉變換，D()t的幅頻響應(yīng)為：

顯然，Sp(w)經(jīng)過與D(w)卷積后在頻域展寬，頻域積累增益有所衰減，故需要對反射通道信號數(shù)據(jù)碼精確估并去掉數(shù)據(jù)碼對載波的調(diào)制，如果未準(zhǔn)確估計，則去數(shù)據(jù)后反射通道信號為：

其中τr1為未準(zhǔn)確估計的數(shù)據(jù)碼時延，類似前面的分析，(w)與D(w)卷積后在頻域展寬，故只有當(dāng)估計的數(shù)據(jù)碼與反射信號數(shù)據(jù)碼完全對齊時頻域積累達(dá)到最大值。

如圖1所示反射通道路徑長為Rr1+Rr2，直達(dá)通道路徑長度為Rd，假設(shè)接收站距目標(biāo)距離為300km，即Rr2為300 km，根據(jù)定理有：

由式（10）得，

其中c是電磁波傳播速度，c=3×108m/s，由式（12）、（13）可得當(dāng)接收站距離目標(biāo)距離小于300 km時，反射通道與直達(dá)通道信號時延小于2 ms，GPS信號中數(shù)據(jù)碼速率為50 Hz，即一個數(shù)據(jù)碼元長20 ms，延遲僅在一個數(shù)據(jù)碼元內(nèi)，故反射通道數(shù)據(jù)碼可估計，因為調(diào)制在載波上的C/A碼是周期為1 ms的循環(huán)碼，所以考慮以1 ms為延遲搜索單元，對20 ms反射數(shù)據(jù)進(jìn)行0 ms、1 ms、2 ms 3種延遲，并在不同延遲下搜索其C/A碼碼偏，以20 ms為信號處理單元對所有反射數(shù)據(jù)重復(fù)上述步驟并按延遲不同進(jìn)在頻域行分組積累，算法框圖如圖2所示，用該算法處理實測數(shù)據(jù)80 ms，處理結(jié)果如圖3所示。

由實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果可看出基于直達(dá)通道的本地數(shù)據(jù)碼延遲與延遲1 ms的反射數(shù)據(jù)剛好對齊，頻域積累達(dá)到最大值。

圖2 反射信號數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法

圖3 實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3 基于分組碼的反射信號補(bǔ)償積累算法

C/A碼具有良好的自相關(guān)性能，然而GPS衛(wèi)星的運(yùn)動導(dǎo)致反射通道信號中的C/A碼被拉伸或者壓縮，在GNSS信號捕獲中的多普勒搜索范圍為fd=±10 kHz，可推出C/A碼多普勒：

其中λC/A為C/A碼碼片長度，λC為載波波長，由式（15）可得150 ms反射通道信號就會偏移一個碼片的長度，導(dǎo)致自相關(guān)性能急劇下降，多普勒頻偏會造成碼自相關(guān)性能急劇下降大約10～11 db，所以提出一種基于分組碼的積累算法，將直達(dá)通道與反射通道的數(shù)據(jù)分成20 ms為一個單元的短數(shù)據(jù)，根據(jù)直達(dá)通道不同數(shù)據(jù)單元捕獲到的碼偏轉(zhuǎn)對反射通道不同數(shù)據(jù)單元進(jìn)行相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，從而校正衛(wèi)星運(yùn)動引起的碼片偏移，算法原理框圖如圖4。

圖4 基于分組碼的反射信號積累算法原理框圖

取直達(dá)通道實測數(shù)據(jù)80 ms即4個數(shù)據(jù)單元，跟蹤這4個數(shù)據(jù)單元的碼片時延，如圖5所示，同時取反射通道實測數(shù)據(jù)80 ms即4個數(shù)據(jù)單元，跟蹤這4個數(shù)據(jù)單元的碼片時延如圖6所示。

圖5 直射信號碼片時延

圖6 反射信號碼片時延

分析直達(dá)通道碼相位偏轉(zhuǎn)與反射通道碼相位偏轉(zhuǎn)，顯然，基于直達(dá)通道估計反射通道碼偏轉(zhuǎn)是準(zhǔn)確的，故可以通過直達(dá)通道得到的碼相位偏轉(zhuǎn)對反射通道進(jìn)行補(bǔ)償積累。對反射通道實測數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和不補(bǔ)償兩種方法的積累，圖7為未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆e累結(jié)果，圖8為基于直達(dá)通道對反射通道補(bǔ)償后的積累結(jié)果。

圖7 未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆e累結(jié)果

圖8 經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆e累結(jié)果

顯然，反射通道數(shù)據(jù)經(jīng)過補(bǔ)償后，積累結(jié)果好于未經(jīng)過補(bǔ)償?shù)姆瓷渫ǖ罃?shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

本文研究了GPS信號模型，提出了基于直射信號信息的反射通道信號數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法，通過實測數(shù)據(jù)仿真驗證了反射通道數(shù)據(jù)位校準(zhǔn)算法的可行性，研究并比較了長碼積累與分組碼積累的性能，分析了衛(wèi)星平臺以及目標(biāo)運(yùn)動對積累的影響，依據(jù)此提出了基于直達(dá)通道反射通道信號補(bǔ)償算法，通過實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明補(bǔ)償過后的信號積累效果更好。

[1]李黃，夏青，尹聰，等.我國GNSS-R遙感技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢[J].雷達(dá)學(xué)報，2013，12（2）：389-399.

[2]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.

[3]袁偉明，劉立東，吳順君，王超.一種新的基于GPS照射源的天基雷達(dá)信號處理算法[J].電波科學(xué)學(xué)報，2004，19（2）：219-222.

[4]Cherniakov M，Nazlin D，Kubik K.Air targetdetection via bistatic radar based on leoscommunicationsignals[J]. IEE Proc. RadarSonarNabig，2002，149（1）:33-38.

[5]Kai Borre，Dennis M.Akos，NicolajBertelsen.A Software-defined GPS and galileo receiver[M].Birkhouse Boston，2007.

[6]MikhailCherniakov.Bistatic radar emerging technology[M].John Wileyamp;Sons Ltd，2007

[7]Stephen T L.A delay/Doppler-mapping，receiver system for GPS-reflection remote sensing[J].IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing，2002，40（5）：1150-1163.

[8]MchIntosh J，Patent U S.Passive three dimensionaltrack of non-cooperative targets through opportunisticuse of global positional system（GPS）and GLONASSsignals[P].USA:310808，1999.

[9]楊進(jìn)佩.基于的無源雷達(dá)技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2006.

[10]田衛(wèi)明，曾濤，胡程.基于導(dǎo)航信號的BiSAR成像技術(shù)[J].雷達(dá)學(xué)報，2013，3（2）:39-45.

[11]王俊，保錚，張守宏，無源探測與跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2004，2（3）:129-135.

[12]王永誠，張今坤.多站時差定位技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2003（2）：1-4.

[13]朱江明.一種新型無源控制與跟蹤雷達(dá)系——“沉默哨兵”[J].現(xiàn)代電子，2002（1）：1-6.

[14]孫仲康，周一宇.單多基地有源無源定位技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社.1996.

[15]楊俊，武奇生.GPS基本原理及其仿真[J].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

The processing technology of single source signal based on GNSS?R system

HOU Ruo?han，SHANG She，SONG Da?wei
（Xi’an Institute of Space Radio Technology，Xi’an710100，China）

GNSS-R is a passive radar system using GPS signals，prior research using these signals has been limited by low signal power of the reflected GPS signals.In this paper，a processing technology of single GPS satellite signal in the passive detection system was proposed.The model of GNSS-R system was introduced with an analysis of GPS signal at first，then a method for the calibration of data codes was proposed，this method improves accumulation performance，after that the result of Long code accumula?tion was compared with the result of short codes accumulation，on the basis of this，the compensation al?gorithm of the reflection channel signal based on the information of the direction channel is proposed in this paper，the real experiment data shows that this compensation algorithm Enhance the performance.

GNSS-R；single source；estimation；compensation；accumulation

TN95

A

1674-6236（2017）22-0124-04

2016-09-12稿件編號：201609129

侯若涵（1992—），男，陜西寶雞人，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理。