王延光，白照廣，朱雪萍，王崇羽，韓琳

1. 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100

2. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094

1 引言

GNSS-R技術(shù)是一種被動(dòng)式的遙感手段，由Martin-Neira在20世紀(jì)90年代提出[1]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該技術(shù)逐漸走向成熟并進(jìn)入應(yīng)用階段。該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海面高度測(cè)量[1-2]、海面風(fēng)場(chǎng)反演[3]、海冰反演[4]、土壤濕度測(cè)量[5-6]、海面浮油探測(cè)等方面[7]。與傳統(tǒng)的遙感手段相比，該方法有如下優(yōu)點(diǎn)：1)采用無(wú)源探測(cè)方法，不需要發(fā)射設(shè)備；2)全球覆蓋均勻，獲取數(shù)據(jù)量大。把GNSS反射信號(hào)處理技術(shù)與低軌衛(wèi)星技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮GNSS信號(hào)全球分布的特性，并利用低軌衛(wèi)星全球掃描的特性，覆蓋全球的海面風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)走向工程應(yīng)用。ESA和SSTL等機(jī)構(gòu)都在致力于星載GNSS-R接收機(jī)的研制[8]，NASA發(fā)射成功的用于颶風(fēng)觀測(cè)的CYGNSS也是多顆聯(lián)合星載接收機(jī)系統(tǒng)[9]。

與地基信號(hào)處理系統(tǒng)相比，衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)處理資源受限，包括數(shù)據(jù)傳輸帶寬和星上信號(hào)處理系統(tǒng)的存儲(chǔ)量及信號(hào)實(shí)時(shí)處理能力均受限于衛(wèi)星平臺(tái)能力。時(shí)域算法通過(guò)時(shí)域相關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)反射信號(hào)處理[10]，處理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是需要進(jìn)行海量相關(guān)運(yùn)算，復(fù)雜度大占用大量硬件資源，在衛(wèi)星資源約束條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)反射信號(hào)實(shí)時(shí)處理；文獻(xiàn)[11][12]直接使用頻域相關(guān)算法，不考慮GNSS-R信號(hào)處理積分時(shí)間和頻率覆蓋范圍的特殊性會(huì)因?yàn)榇a頻率和載波頻率失配造成DDM圖失真。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所有落入反射天線波束的GNSS反射信號(hào)高精度實(shí)時(shí)信號(hào)處理，需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法兩個(gè)方面考慮，提高信號(hào)處理速度和精度。

本文充分考慮了GNSS-R信號(hào)處理在積分時(shí)間、信號(hào)動(dòng)態(tài)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)相關(guān)值有效相位的影響，以及星載實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的資源約束，改進(jìn)了文獻(xiàn)[11][12]的頻域處理方法在積分過(guò)程中本地碼相位偏移的缺陷，設(shè)計(jì)了基于短時(shí)循環(huán)相關(guān)與動(dòng)態(tài)相位補(bǔ)償?shù)母咚偬幚硭惴ê托盘?hào)處理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)地面和在軌測(cè)試，系統(tǒng)處理性能和處理?yè)p失均滿足設(shè)計(jì)要求，有效地支撐了中國(guó)第一顆GNSS-R系統(tǒng)的研制。對(duì)推動(dòng)GNSS-R技術(shù)的研究與應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

2 GNSS-R信號(hào)模型與風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)原理

GNSS信號(hào)由載波、擴(kuò)頻碼、導(dǎo)航電文調(diào)制生成，在信號(hào)發(fā)射端，第i顆GNSS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)可以表示為：

si(t)=aicos(2πfL)ci(t)Di(t)

(1)

式中：ai表示信號(hào)幅度，fL是載波頻率，ci，Di表示導(dǎo)航電文。GNSS-R接收機(jī)接收到的反射信號(hào)是反射面所有面元上散射信號(hào)的和，可以表示為：

exp(j2π(f-fρ)t)d2ρ+n(t)

(2)

式中:Aρ為散射面元處的信號(hào)幅度；c為偽隨機(jī)碼；d為數(shù)據(jù)碼；τρ和fρ分別為散射面元上的時(shí)間延遲和多普勒頻率；n(t)為高斯白噪聲。

GNSS 海面散射信號(hào)相關(guān)功率模型是時(shí)間延遲τρ、多普勒f(shuō)ρ的函數(shù)。散射功率在時(shí)延-多普勒域的分布被稱為延遲多普勒?qǐng)D像(delay Doppler mapping，DDM)，是反射信號(hào)處理經(jīng)典方式，如圖1所示。該二維相關(guān)函數(shù)圖像的時(shí)延、多普勒的相關(guān)值包含著海面波浪變化等重要的物理特性[3，13]。風(fēng)速通過(guò)風(fēng)應(yīng)力對(duì)海面作用，風(fēng)生成海表面波，這些表面波改變了海面粗糙度，而GNSS 海面散射信號(hào)相關(guān)功率后沿斜率與海面粗糙度相關(guān)[14]。圖1為不同海況下GNSS 海面散射信號(hào)功率曲線，其后沿斜率與風(fēng)速具有直接關(guān)系，海面風(fēng)速越大，波形的后沿變化越趨于平緩，反之陡峭。通過(guò)精確測(cè)量GNSS 海面散射信號(hào)相關(guān)功率可以反演海面風(fēng)速。

圖1 時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率和風(fēng)速的關(guān)系Fig.1 Relationship between DDM and wind speed

由于GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)的幾何分布離散，GNSS-R探測(cè)的幅寬不如傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感載荷，只能形成若干分散的探測(cè)條帶。為了獲得更好的觀測(cè)覆蓋，信號(hào)處理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)完成對(duì)落入反射天線的所有反射信號(hào)進(jìn)行處理。與地面系統(tǒng)高性能硬件不同，受限于衛(wèi)星平臺(tái)功率、數(shù)傳能力、芯片處理能力和可靠性要求等因素，通過(guò)高效算法提高有限硬件資源的信號(hào)處理能力是GNSS-R載荷設(shè)計(jì)的必由之路。捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星GNSS-R載荷及信號(hào)處理算法就是基于以上需求進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

3 星載GNSS-R載荷系統(tǒng)及信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)

3.1 GNSS-R載荷系統(tǒng)組成

GNSS-R海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)載荷主要任務(wù)是采集GNSS-R接收天線足印區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)GPS/BDS衛(wèi)星鏡面點(diǎn)的散射信號(hào)，并實(shí)時(shí)生成鏡面反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域的DDM圖，回傳至地面。

星載GNSS-R載荷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示，載荷主要由直達(dá)天線、反射天線、LNA、信號(hào)處理機(jī)組成。載荷接收GNSS衛(wèi)星的直達(dá)和反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大后在信號(hào)處理機(jī)完成直達(dá)和反射信號(hào)的處理。其中直達(dá)信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)本星的導(dǎo)航定位和反射信號(hào)參數(shù)估算，反射信號(hào)經(jīng)處理后實(shí)時(shí)生成DDM圖。為了獲得較好的反射信號(hào)可見(jiàn)性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙路反射天線傾斜安裝。

圖2 GNSS-R海面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)載荷系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of GNSS-R sea surface wind field observation system

3.2 GNSS-R信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)與性能分析

反射信號(hào)可被視為反射區(qū)域不同時(shí)延和不同多普勒信號(hào)的和，其生成DDM圖的信號(hào)處理過(guò)程是本地再生信號(hào)和接收散射信號(hào)在時(shí)域和頻域的二維相關(guān)值，處理過(guò)程包含大量乘加運(yùn)算。

從反射信號(hào)處理時(shí)延-多普勒二維信號(hào)功率分布計(jì)算需求出發(fā)，最直接的方式是對(duì)AD原始采樣信號(hào)進(jìn)行不同頻率的下變頻，再通過(guò)時(shí)域相關(guān)的方式獲得不同頻點(diǎn)和不同時(shí)延的相關(guān)值[10]。如圖3，該處理方式需要二維交叉遍歷所有頻點(diǎn)的碼相位并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積分，運(yùn)算量較大。

圖3 DDM基本處理循環(huán)Fig.3 DDM basic processing loop

為了提高反射信號(hào)處理效率，可將反射信號(hào)處理與GNSS捕獲算法相結(jié)合。GNSS-R反射處理，是對(duì)信號(hào)進(jìn)行碼相位和載波頻率二維搜索。這和GNSS信號(hào)捕獲的區(qū)別有兩個(gè)方面。首先，由于反射信號(hào)功率較弱，為了滿足觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比要求，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的非相干累加。其次，由于反射信號(hào)處理關(guān)心的碼相位和頻率范圍分別是以鏡面反射點(diǎn)處信號(hào)時(shí)延和多普勒為中心±16 chip和±5 kHz，所以處理時(shí)無(wú)需對(duì)全碼相位進(jìn)行相關(guān)。

為了提高信號(hào)處理速度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)5幅DDM圖輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮了以下幾個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行展開(kāi)。

1)信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)充分借鑒了GNSS循環(huán)相關(guān)捕獲技術(shù)；

2)結(jié)合GNSS-R信號(hào)處理在時(shí)域、頻域關(guān)注范圍小的要求；

3)充分考慮由于信號(hào)頻率不匹配造成本地碼和接收碼相位不匹配。

如圖4，采用基于FFT的并行碼相位搜索方式來(lái)提高運(yùn)算效率。該方法通過(guò)FFT運(yùn)算和IFFT運(yùn)算獲得信號(hào)s(n)和本地碼c(n)的相關(guān)值。單次運(yùn)算可以獲得整個(gè)碼周期的全部相關(guān)值。

圖4 并行碼相位相關(guān)算法Fig.4 Parallel code phase correlation algorithm

由于FFT運(yùn)算的高效性，并行碼相位算法和直接進(jìn)行卷積相關(guān)的計(jì)算方法相比，顯著降低了計(jì)算量。由于反射信號(hào)DDM圖只關(guān)注鏡面反射點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)時(shí)延附件(±16碼片)的相關(guān)功率，并行碼相位的計(jì)算方法計(jì)算了所有碼相位上的相關(guān)結(jié)果，需要舍棄大部分計(jì)算結(jié)果，計(jì)算效率受到限制。

本文把通常用于GNSS長(zhǎng)碼捕獲或剔除數(shù)據(jù)調(diào)制的DBZP相關(guān)算法和旋轉(zhuǎn)變化技術(shù)引入到反射信號(hào)處理中，并通過(guò)相位偏移估計(jì)預(yù)先補(bǔ)償由于本地碼頻率和接收碼頻率不匹配造成的碼相位偏移問(wèn)題，其基本思路是：

1)利用DBZP通過(guò)短時(shí)循環(huán)相關(guān)縮短傅里葉變換的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，避免過(guò)度計(jì)算不需要的相關(guān)值。由于縮短了相干積分時(shí)間，等效為提高了相關(guān)值的采樣率，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)變化的方式獲得出不同頻率維度的相關(guān)值序列。

2)通過(guò)頻率和接收頻率誤差估計(jì)，估計(jì)旋轉(zhuǎn)變化相關(guān)值索引。

3)對(duì)2)獲得的索引對(duì)應(yīng)相關(guān)值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換和累加，獲得最終DDM圖。

其具體流程如圖5所示。

圖5 DBZP 相關(guān)算法Fig.5 DBZP correlation algorithm

步驟1 數(shù)據(jù)預(yù)處理：

是對(duì)原始AD采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻至零中頻(下變頻中心頻率為估算鏡面反射點(diǎn)處反射信號(hào)的多普勒)，通過(guò)低通濾波器濾除和頻分量，再對(duì)零中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，目的是降低數(shù)據(jù)采樣率，提高運(yùn)算效率，在DDM信號(hào)處理中選擇4倍碼速率作為基帶信號(hào)重采樣頻率，生成復(fù)數(shù)基帶序列s(n)。

根據(jù)反射信號(hào)多普勒對(duì)應(yīng)的碼多普勒f(shuō)D_code產(chǎn)生本地碼序列c(n)。

(4)

式中:fD為載波多普勒，fc為擴(kuò)頻碼頻率。

以DDM圖關(guān)注碼相位范圍(±16chip)為長(zhǎng)度對(duì)s(n)和c(n)分塊，單塊長(zhǎng)度為128個(gè)采樣點(diǎn)。

步驟2 DBZP循環(huán)相關(guān)：

對(duì)s(n)分塊后各塊表示為blocks(1)～blocks(N+1), 對(duì)c(n)分塊后獲得blockc(1)～blockc(N)，為了DBZP計(jì)算數(shù)據(jù)采集分塊總數(shù)比擴(kuò)頻碼分塊總數(shù)多1，N=T/(128fsamp)，T為總處理時(shí)間。其中fsamp為信號(hào)采樣頻率。通過(guò)[blocks(k),blocks(k+1)]和[blockc(k),O]，k=1～N，做循環(huán)相關(guān)。每次截取前128個(gè)相關(guān)值可獲得相關(guān)值矩陣corr(m,n)m=1～N,n=0～127。具體流程如圖5所示。

考查循環(huán)相關(guān)后的相關(guān)值矩陣corr(m,n),每行相關(guān)值代表以反射點(diǎn)時(shí)延相位為中心±64個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相關(guān)值，每一列代表同一碼相位連續(xù)采樣時(shí)刻對(duì)應(yīng)的相關(guān)值。

第K列向相關(guān)值可表示為[15]：

(5)

式中：sin(πfDTcoh)/(πfDTcoh)表示由于頻率不一致造成的處理?yè)p耗；ej[2πfD(tn)θen]表示殘留載波。

步驟3 生成相關(guān)值偏移索引：

考查DBZP獲得的相關(guān)值矩陣corr(m,n)，如果恢復(fù)碼頻率和恢復(fù)載波頻率一致，矩陣corr(m,n)中的每一列代表同一碼相位在連續(xù)時(shí)間段內(nèi)的相關(guān)值，對(duì)相關(guān)值矩陣進(jìn)行列向相干和非相干累加可以獲得對(duì)應(yīng)時(shí)延的相關(guān)值，如果進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后累加，可獲得不同頻率處的相關(guān)值。但是對(duì)corr(1:N,n)累加的時(shí)間長(zhǎng)度和碼多普勒相關(guān)。由于反射信號(hào)處理的總積分長(zhǎng)度大于1 s，在此條件下即使一個(gè)很小的碼頻率不匹配也會(huì)造成相關(guān)值矩陣中第一行的相關(guān)值對(duì)應(yīng)的碼相位和最后一行相關(guān)值對(duì)應(yīng)的碼相位發(fā)生變化。如果直接對(duì)矩陣中的元素進(jìn)行列向累加，會(huì)造成DDM處理結(jié)果與設(shè)計(jì)不符。

以BDS B1I信號(hào)為例，fcode=2.046 MHz，載波頻率fL=1 561.098 MHz,fD_code=fD/763。意思是碼相位偏移1個(gè)chip每1/fD_code秒?？紤]到反射信號(hào)處理原始數(shù)據(jù)采樣率為4fc，所以每1/4fD_code秒相位偏移1個(gè)采樣點(diǎn)。

(6)

由于碼多普勒的存在，對(duì)于corr(m,n)，corr(0,n)對(duì)應(yīng)的相關(guān)值碼相位和corr(k,n)相關(guān)值對(duì)應(yīng)碼相位存在偏移，具體偏差量為：

(7)

根據(jù)公式(8)，如果多普勒偏差較小或總積分時(shí)間足夠小，codeshiftsamp(N)<1時(shí)碼相位偏移可以忽略不計(jì)。以反射信號(hào)處理常用的積分時(shí)間設(shè)為1 s為例，當(dāng)頻率動(dòng)態(tài)范圍小于192 Hz時(shí)，則總相位偏移為1個(gè)采樣點(diǎn)，可以忽略。

由于碼頻率失配造成的相位漂移現(xiàn)象如圖6所示，此圖設(shè)置的場(chǎng)景為頻偏1 kHz，高亮斜線表示隨著時(shí)間增加。相位偏移的過(guò)程，且隨著處理碼速率的增加傾斜度也增加。

圖6 由碼頻率失配造成的碼相位偏移仿真Fig.6 Demo of code phase shifting due to code Doppler mismatch

根據(jù)公式(8)計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同積分時(shí)間和不同載波覆蓋范圍的碼相位偏差修正補(bǔ)償。在積分過(guò)程中，如果由于頻偏造成的偏差小于1個(gè)采樣點(diǎn)就進(jìn)行列向累加。隨著積分時(shí)間的增加，當(dāng)相位偏移量大于一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)就沿多普勒方向偏移一個(gè)采樣點(diǎn)，形成傾斜累加位置索引。

步驟4 傾斜旋轉(zhuǎn)累加:

(8)

沿著不同多普勒時(shí)信號(hào)碼相位偏移計(jì)算出的相關(guān)值索引對(duì)corr(m,n)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加。累加過(guò)程包括128個(gè)連續(xù)相關(guān)值的相干累加和1 000次非相干累加，獲得DDM相關(guān)值矩陣corrDDM(m,n)不同相位的相關(guān)值。

3.3 載荷運(yùn)算負(fù)擔(dān)分析

反射信號(hào)處理的運(yùn)算量取決于DDM圖需要覆蓋的頻率范圍和時(shí)延范圍，一般條件下單幅DDM圖的時(shí)延維相關(guān)范圍為正負(fù)16 chip，頻率維覆蓋范圍為正負(fù)5 000 Hz，頻率步進(jìn)為500 Hz，所以單幅DDM圖包含64×21個(gè)相關(guān)值點(diǎn)，每個(gè)相關(guān)值都由1 ms相干積分加1 000次非相干積分獲得。

如果采用傳統(tǒng)時(shí)域相關(guān)算法，單個(gè)1 ms(4 092個(gè)采樣點(diǎn))相干積分的運(yùn)算量為4 092次乘加運(yùn)算，所以單點(diǎn)的運(yùn)算量為4 096×1 000；單幅DDM圖的運(yùn)算量為4 092×1 000×128×21=1.1×1010，所以總運(yùn)算負(fù)責(zé)度為O(1.1×1010)。

使用傳統(tǒng)循環(huán)相關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)DDM處理，和時(shí)域相關(guān)的方式相比，1 ms(4 092點(diǎn))采樣數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)4 096點(diǎn)的正FFT和一個(gè)IFFT實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)IFFT結(jié)果進(jìn)行非相干累加，一次獲得4 096個(gè)碼相位的相關(guān)值，4 092×128點(diǎn)的乘加運(yùn)算被替換為3個(gè)4 096點(diǎn)的FFT運(yùn)算器運(yùn)算，由于FFT運(yùn)算的復(fù)雜度為：

Nlog2N=4 096×12×3(N代表FFT長(zhǎng)度)，總運(yùn)算量為4 096×12×3 ×1 000×21=3.1×109，所以總運(yùn)算負(fù)責(zé)度為O(3.1×109)。

使用DBZP循環(huán)相關(guān)配合帶碼相位偏移實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)腄DM算法(以128點(diǎn)分段長(zhǎng)度為例)，計(jì)算量包含三部分。第一部分是分段補(bǔ)零循環(huán)相關(guān)，每次分段循環(huán)相干運(yùn)算包含2次128點(diǎn)的FFT變換和1個(gè)128點(diǎn)的IFFT變換，對(duì)1 s內(nèi)fsamp/64個(gè)分段獨(dú)立計(jì)算。第二部分是對(duì)相關(guān)值矩陣列向旋轉(zhuǎn)累加，同時(shí)進(jìn)行相位偏移補(bǔ)償，每個(gè)獨(dú)立頻率獨(dú)立計(jì)算。第三部分是由于128點(diǎn)FFT不能覆蓋全部關(guān)注碼相位，需要將第一步和第二步操作更換相位后重復(fù)一次。其總的運(yùn)算量為:

3.45×108

各算法的運(yùn)算復(fù)雜度對(duì)比如表1所示。

表1 各算法運(yùn)算負(fù)擔(dān)表

可見(jiàn)改進(jìn)算法的運(yùn)算量與直接時(shí)域處理運(yùn)算或傳統(tǒng)循環(huán)相關(guān)相比，運(yùn)算量分別減小到傳統(tǒng)方法的1/31.9或1/8.99，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4 GNSS-R載荷系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 地面驗(yàn)證

星載GNSS-R載荷系統(tǒng)地面測(cè)試驗(yàn)證使用海面風(fēng)場(chǎng)模擬器進(jìn)行，如圖7所示。

圖7 海面風(fēng)場(chǎng)模擬器設(shè)備組成框圖Fig.7 Equipment composition block diagram of sea wind field simulator

風(fēng)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)根據(jù)GNSS-R觀測(cè)幾何數(shù)據(jù)集和氣象樣本數(shù)據(jù)集，結(jié)合GNSS-R載荷設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)氣象樣本的重采樣形成，以GNSS-R觀測(cè)幾何集合氣象樣本數(shù)據(jù)集作為輸入，完成GNSS-R等時(shí)延多普勒空間幾何劃分、海面風(fēng)場(chǎng)海浪譜優(yōu)選、Fresnel反射系數(shù)計(jì)算、KA-GO光學(xué)近似模型和Z-V電磁散射模型分析和模擬數(shù)據(jù)生成并存儲(chǔ)。測(cè)試過(guò)程中，GNSS-R載荷直接接收模擬器提供的直達(dá)及反射射頻信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算反射點(diǎn)和反射信號(hào)相位，并完成DDM圖生成。

如圖8所示，載荷繪制的DDM圖與風(fēng)場(chǎng)模擬器模擬的DDM圖特性一致，風(fēng)速反演結(jié)果與模擬值一致，誤差為2.51 m/s。

圖8 捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星載荷地面測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of BF-1 satellite

4.2 在軌驗(yàn)證

2019年6月5日，捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星由長(zhǎng)征11號(hào)運(yùn)載火箭在距山東省海陽(yáng)市200km海域圓滿發(fā)射成功。衛(wèi)星配套了本文描述的GNSS-R載荷設(shè)備。如圖9所示，在軌測(cè)試期間設(shè)備成功完成星載DDM圖繪制。

圖9 捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星在軌觀測(cè)獲取的DDM圖像實(shí)例Fig.9 DDM acquired by BF-1 satellite on-orbit observation

為了驗(yàn)證捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星GNSS-R載荷數(shù)據(jù)可用性，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心與航天科技集團(tuán)共同利用大洋浮標(biāo)和再分析場(chǎng)完成了捕風(fēng)一號(hào)L1級(jí)數(shù)據(jù)風(fēng)場(chǎng)反演可用性評(píng)估，載荷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品成功率優(yōu)于90%，評(píng)估表明系統(tǒng)時(shí)延計(jì)算精度為23 ns，鏡像點(diǎn)位置計(jì)算精度為2 m，DDM數(shù)據(jù)滿足2米/秒或10%的風(fēng)速反演要求。至今，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，利用捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星已經(jīng)建立了全球海面GNSS-R信息觀測(cè)能力。

地面和在軌試驗(yàn)表明，快速處理算法在提高處理速度的同時(shí)未對(duì)DDM處理結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，算法及信號(hào)處理系統(tǒng)可行。

5 結(jié)論

本文以捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星為研究對(duì)象，介紹了GNSS-R反射信號(hào)處理載荷和改進(jìn)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)。算法結(jié)合了短時(shí)循環(huán)相關(guān)和時(shí)域旋轉(zhuǎn)方法并通過(guò)實(shí)時(shí)相位偏移估算解決了由于本地碼頻率和實(shí)際碼頻率不一致造成的處理失真問(wèn)題。該處理算法有效地提升了星載接收機(jī)信號(hào)處理能力,在相同條件下信號(hào)處理運(yùn)算量減小到傳統(tǒng)循環(huán)相關(guān)方法的1/8.99。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有效地緩解了衛(wèi)星平臺(tái)在體積、質(zhì)量、功耗和數(shù)傳能力等方面的負(fù)擔(dān)，滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求。GNSS-R載荷系統(tǒng)在軌測(cè)試表明本設(shè)計(jì)提供的DDM觀測(cè)數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足應(yīng)用需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證為星載GNSS-R技術(shù)進(jìn)化和業(yè)務(wù)化運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。