曹小英

（西安郵電大學(xué) 陜西 西安 710121）

引言

伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及探測目標(biāo)的多樣化和復(fù)雜性，傳統(tǒng)的GNSS接收機(jī)已不能滿足目標(biāo)探測和定位要求。將GNSS-R（global navigation satellitesystem-reflections，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號）這一新興遙感技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)、車輛等移動目標(biāo)的探測和定位上，已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-2]。本文在對GNSS-R目標(biāo)探測技術(shù)進(jìn)行概念界定的基礎(chǔ)上，通過對GNSS-R目標(biāo)探測原理進(jìn)行分析，探索GNSS-R在目標(biāo)車輛探測應(yīng)用中的接收和處理方法，促進(jìn)GNSS-R作為信號源進(jìn)行目標(biāo)探測定位的應(yīng)用。

1 GNSS-R目標(biāo)探測原理

GNSS是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱，包括GPS、北斗、格洛納斯、伽利略以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)等，具有全天候、寬范圍、高時空分辨率、信號源容易獲取等特點(diǎn)[3]，利用GNSS信號作為輻射源的各項技術(shù)及工程已得到大力推廣。但GNSS信號必須通過特殊的接收機(jī)來接收，并配以相應(yīng)的算法處理，這種衛(wèi)星—接收機(jī)系統(tǒng)等同于雙基地雷達(dá)系統(tǒng)。目前，GNSS-R探測技術(shù)已成為導(dǎo)航技術(shù)和遙感探測交叉領(lǐng)域新的研究重點(diǎn)[4]。

本文探索GNSS-R探測技術(shù)對空曠地車輛的探測和定位。將環(huán)境設(shè)定為空曠、無障礙物的平穩(wěn)地面。由于空曠平穩(wěn)地面具有面積廣、地表無障礙物等特點(diǎn)，相對于市區(qū)街道，GNSS-R反射信號雜波較少，是微波遙感領(lǐng)域的天然試驗場。通過對GNSS的直射波和經(jīng)車輛反射的回波進(jìn)行接收與處理，使信號變?yōu)橹蓄l模擬信號，獲得目標(biāo)反射信號的多普勒頻移、到達(dá)時差以及到達(dá)角等相關(guān)信息，然后通過直射信號與反射信號協(xié)同處理，實現(xiàn)對目標(biāo)車輛的探測和定位。通過上述研究，為GNSS-R遙感領(lǐng)域在移動目標(biāo)探測和定位的應(yīng)用積累經(jīng)驗。

GNSS-R目標(biāo)探測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 GNSS-R目標(biāo)探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 GNSS-R在車輛探測中的應(yīng)用

使用遙感技術(shù)和衛(wèi)星反射信號，在地球上的任何時間和任何地點(diǎn)都能通過一臺接收機(jī)同時觀測到多顆導(dǎo)航衛(wèi)星。也就是說，只要一臺接收機(jī)，就可以接收多顆衛(wèi)星的反射信號，實現(xiàn)對衛(wèi)星的目標(biāo)定位，與接收機(jī)接收衛(wèi)星信號的原理一致?；贕NSS-R反射信號的車輛目標(biāo)探測系統(tǒng)原理如圖2所示，圖中的虛線和實線分別表示接收機(jī)同時接收的直射信號和反射信號。

圖2 GNSS-R目標(biāo)探測系統(tǒng)原理示意圖

在地心直角坐標(biāo)系中，假設(shè)4個可見目標(biāo)車輛的坐標(biāo)分別為：（Xs1，Ys1，Zs1）、（Xs2，Ys2，Zs2）、（Xs3，Ys3，Zs3）、（Xs4，Ys4，Zs4）；目標(biāo)位置坐標(biāo)為（Xo，Yo，Zo）；接收機(jī)的位置坐標(biāo)為（Xr，Yr，Zr）。1號車輛的反射信號相對于直射信號到達(dá)接收機(jī)的路徑差為：

式中：c為真空中光速，c=3 × 108m/s；τ1為反射信號相對于直射信號到達(dá)接收機(jī)的延遲時間，s；目標(biāo)車輛參數(shù)可通過直射信號導(dǎo)航電文獲得，接收機(jī)位置可由接收機(jī)的定位解算模塊求解得到。

以此類推，可求出其他3輛目標(biāo)車輛經(jīng)過目標(biāo)反射的信號與直射信號路徑差方程。

如能找到4輛或更多滿足條件的車輛，可用卡爾曼濾波算法、最小二乘法等解算方法更為精確地確定目標(biāo)車輛位置坐標(biāo)。若僅有3輛或少于3輛，則僅能獲得目標(biāo)出現(xiàn)的區(qū)域范圍。車輛越少，該區(qū)域范圍越大，越不精確。

由公式（1）可知，GNSS-R要進(jìn)行目標(biāo)車輛定位，最關(guān)鍵的問題是需要從接收到的信號中求得延遲時間。

圖3為目標(biāo)探測幾何關(guān)系示意圖。車輛到接收機(jī)和目標(biāo)的距離分別為RTR和RTD；目標(biāo)與接收機(jī)之間的距離為RDR；θT為導(dǎo)航車輛視角，是車輛到接收機(jī)方向與地平面垂線的夾角；θR為接收機(jī)視角，是目標(biāo)到接收機(jī)方向與地平面垂線的夾角。

圖3 目標(biāo)探測幾何關(guān)系示意圖

在GPS信號1個C/A碼周期（1 ms）內(nèi)，信號的傳播距離為300 km。這個距離對目前使用GPS車輛作為信號源的探測雷達(dá)來說，已超出其最遠(yuǎn)探測距離。因此，可通過直射信號和反射信號相位之差來求解目標(biāo)車輛與接收機(jī)之間的距離。

本文設(shè)定探測對象為空曠平穩(wěn)處停放的車輛，衛(wèi)星位置圖如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星位置圖

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括GN2012中頻信號采樣器、左旋天線、右旋天線及筆記本電腦等。其中，GN2012中頻信號采樣器的中心頻率為4.123 MHz，采樣頻率為16.369 MHz；直射天線直指天空，為低增益RHCP天線；反射天線直指車輛目標(biāo)方向，為4陣列高增益LHCP天線；筆記本電腦用于傳送和保存由中頻信號采集器通過下變頻所得到的數(shù)字中頻信號。實驗中，天線在車輛正南面，與接收機(jī)直線距離為300 m。

圖5為直射信號與反射信號歸一化相關(guān)峰值對比圖。

從圖5可知，相比于直射信號，6號車輛的反射信號有較大衰減，且歸一化相關(guān)峰值延遲316個碼片，換算成延后距離約為55 m，理論路徑延遲為2×35×cosθ=590.31 m，誤差為13.87 m，在測量精度范圍之內(nèi)。

圖5 直射信號與反射信號歸一化相關(guān)峰值對比

3 結(jié)論

1）相對于直射信號，GNSS反射信號傳播和到達(dá)接收機(jī)的時間都不同，但精度更高。

2）本文利用左旋天線和右旋天線分別同時接收直射信號和反射信號，通過對捕獲到的2路信號進(jìn)行延遲比對和協(xié)同處理，對GNSS直射信號進(jìn)行導(dǎo)航定位解算，實現(xiàn)對目標(biāo)車輛定位。