摘 要： 文中介紹一種多天線海冰接收機(jī)的整體架構(gòu)以及其在多極化海冰探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)描述其軟硬件的設(shè)計(jì)，給出直射通道、反射通道和控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及具體實(shí)現(xiàn)。針對(duì)“北斗三號(hào)”B1C新信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種利用“北斗二號(hào)”B1I信號(hào)輔助“北斗三號(hào)”B1C反射信號(hào)處理的方法。最后進(jìn)行反射信號(hào)接收的初步試驗(yàn)，在試驗(yàn)中接收到不同極化的反射信號(hào)，并通過(guò)上位機(jī)軟件觀察其相關(guān)功率，同時(shí)對(duì)比B1C與B1I反射信號(hào)的相關(guān)結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)備可以正常工作。

　　關(guān)鍵詞： 延遲映射接收機(jī); 海冰探測(cè); GNSS?R; BD?3信號(hào); 反射信號(hào); 初步測(cè)試

　　0 引 言

　　是一種新興的遙感探測(cè)方式，通過(guò)接收從地球表面反射的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量其相對(duì)延遲和幅度變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面各種物理參數(shù)的探測(cè)和反演。GNSS?R技術(shù)可用于探測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)與高度、海冰、土壤濕度、目標(biāo)檢測(cè)等[1]，具有測(cè)量精確、監(jiān)測(cè)便利、信號(hào)源豐富、接收設(shè)備簡(jiǎn)單輕便、價(jià)格低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[2]。近年來(lái)，GNSS?R技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展迅速，具有代表性的項(xiàng)目有英國(guó)的UK?DMC，TDS?1、美國(guó)的CYGNSS星座等。

　　在海冰探測(cè)領(lǐng)域，Attila Komjathy等人于2000年首次進(jìn)行了GNSS?R機(jī)載海冰觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示可以通過(guò)GPS反射信號(hào)反射系數(shù)之間的差異來(lái)區(qū)分海水和海冰。Gleason等人將空間探測(cè)到的GPS海反射信號(hào)與美國(guó)對(duì)海冰的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明了星載設(shè)備接收到的GPS反射信號(hào)具有探測(cè)海冰的潛力[3]。Alonsoarroyo等人利用英國(guó)TDS?1衛(wèi)星獲得的GNSS?R數(shù)據(jù)，闡述了基于延遲多普勒映像(DDM)進(jìn)行極地海冰探測(cè)的方法[4]。在國(guó)內(nèi)，張?jiān)频热擞?013年分析了歐空局的格陵蘭島實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了可以通過(guò)直反信號(hào)極化比進(jìn)行海水和海冰的區(qū)分[5]。尹聰?shù)热擞涗浟藝?guó)內(nèi)首次利用GNSS?R測(cè)量渤海海冰的岸基試驗(yàn)，通過(guò)三層輻射模型模擬了GNSS信號(hào)在海面或冰面的反射過(guò)程，得到了信號(hào)的反射率及衛(wèi)星仰角與海冰厚度的關(guān)系[6]。

　　國(guó)內(nèi)的GNSS?R海冰探測(cè)受限于儀器設(shè)計(jì)，通常僅接收單極化反射信號(hào)，觀察其與直射信號(hào)的區(qū)別來(lái)探測(cè)海冰。實(shí)際上，不同極化信號(hào)的海冰反射率相差巨大，如圖1所示(海冰復(fù)介電常數(shù)取4.0-j0.14)。因此，同時(shí)接收多極化信號(hào)有助于獲取更多的海冰信息。如文獻(xiàn)[7]提出，GNSS?R水平極化和垂直極化的相位差與海冰厚度相關(guān)性明顯。Fran Fabra等利用多極化GNSS?R信號(hào)的相位延遲觀測(cè)海冰厚度的改變，反演了海冰的形成和消融過(guò)程[8]。另一方面，“北斗三號(hào)”作為中國(guó)自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，具有衛(wèi)星數(shù)量多、頻譜寬、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合用于GNSS?R觀測(cè)，但國(guó)內(nèi)具有“北斗三號(hào)”信號(hào)接收能力的GNSS?R儀器較少。

　　針對(duì)多極化觀測(cè)需求，本文介紹了一種多極化GNSS?R接收機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本接收機(jī)最多可以同時(shí)接收5路射頻信號(hào)，其中，1路直射信號(hào)用于接收機(jī)定位，其他4路可以同時(shí)接收來(lái)自于右旋、左旋、垂直、水平極化反射天線的信號(hào)。同時(shí)，針對(duì)“北斗三號(hào)”信號(hào)的接收，本文介紹了一種基于B1I信號(hào)輔助的”北斗三號(hào)”B1C新信號(hào)延遲映像信號(hào)處理方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。接收機(jī)經(jīng)過(guò)了初步測(cè)試，對(duì)多極化信號(hào)和“北斗三號(hào)”B1C信號(hào)的接收功能進(jìn)行了驗(yàn)證并給出了初步結(jié)果，后續(xù)將用于北極海冰的長(zhǎng)期觀測(cè)。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　海冰延遲映射接收機(jī)由天線、射頻、基帶板、上位機(jī)四部分組成。其系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖2。本儀器配備1副右旋圓極化定位天線以及左旋、右旋、垂直、水平極化的4副反射天線，天線的峰值增益均約為6 dBi。天線接收的信號(hào)輸入到射頻模塊，其主要作用是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行干擾濾波、低噪聲放大、下變頻和鏡像抑制濾波以得到中頻信號(hào)，可以同時(shí)接收頻點(diǎn)為GPS L1(1 575.42 MHz)、BD B1C(1 561.098 MHz)、BD B1I(1 575.42 MHz)的信號(hào)。基帶板采用DSP+FPGA架構(gòu)，其中，F(xiàn)PGA選用Xilinx的Virtex?4芯片XC4VLX200，工作頻率為61.38 MHz，實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理。DSP選用TMS320C6701型DSP芯片，工作頻率為120 MHz，完成定位解算、反射預(yù)測(cè)等控制處理。基帶處理完的直射/反射數(shù)據(jù)通過(guò)USB分別傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)USB接口接收并存儲(chǔ)接收機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由顯示軟件實(shí)時(shí)顯示接收機(jī)位置、接收到的衛(wèi)星信息、直射/反射通道狀態(tài)、包計(jì)數(shù)、反射信號(hào)的相關(guān)功率圖等信息。

　　2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　接收機(jī)軟件系統(tǒng)分為直射模塊和反射模塊。直射模塊共有2個(gè)捕獲引擎和24個(gè)跟蹤通道(GPS和北斗系統(tǒng)各占1個(gè)捕獲引擎和12個(gè)跟蹤通道)。捕獲采用基于FFT 的并行碼相位搜索方式，其流程是先將A/D輸出的數(shù)字中頻信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)載波做乘法并進(jìn)行傅里葉變換，然后將本地偽碼做傅里葉變換并取復(fù)共軛，二者復(fù)數(shù)相乘后進(jìn)行傅里葉逆變換，將得到的幅值和捕獲閾值進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷是否成功捕獲。直射通道需要對(duì)偽碼和載波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，其中，碼跟蹤采用延遲鎖定環(huán)路，載波跟蹤環(huán)路由二階鎖頻環(huán)和三階鎖相環(huán)組合而成。直射通道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　反射模塊采用多通道并行的工作模式，共有32個(gè)通道(GPS和北斗各占16個(gè))，每4個(gè)通道處理同一衛(wèi)星的4路反射信號(hào)，最多可同時(shí)處理8顆衛(wèi)星(GPS和北斗各4顆)的反射信號(hào)。反射通道主要的工作是把接收到的反射衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行載波剝離并與多級(jí)延遲后的本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，得到關(guān)于碼延遲的一維相關(guān)波形即延遲映像，而后將其存儲(chǔ)。反射通道的設(shè)計(jì)如圖4所示，其中，偽碼延遲級(jí)數(shù)和延遲間隔可調(diào)，延遲間隔可以設(shè)置為FPGA采樣頻率或[12]，[14]，[18]偽碼碼片，延遲級(jí)數(shù)可以設(shè)置為3～300。反射通道主要包括本地偽碼發(fā)生器、本地載波生成器、載波/偽碼剝離器、相干/非相干積分器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器幾個(gè)模塊。其中，本地偽碼發(fā)生器由直射通道碼跟蹤的相位值加上DSP反射延遲預(yù)測(cè)的偽碼相位間隔，產(chǎn)生相應(yīng)的偽碼，而后通過(guò)移位寄存器進(jìn)行多級(jí)延遲。本地載波生成器由直射通道載波跟蹤的頻率值加上反射延遲預(yù)測(cè)的載波頻率間隔來(lái)復(fù)現(xiàn)反射信號(hào)載波。本地復(fù)現(xiàn)的載波和多級(jí)延遲偽碼與反射中頻信號(hào)相乘后，得到的I路與Q路信號(hào)分別進(jìn)行相干積分并用乘法器進(jìn)行平方運(yùn)算，最后完成非相干累加，積分結(jié)果由FPGA中的Block Ram進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　DSP完成系統(tǒng)控制，包含如下模塊：

　　1) 直射環(huán)路濾波及直射通道控制，完成直射通道中的鑒頻、鑒相、環(huán)路濾波以及工作狀態(tài)的控制;

　　2) 直射信號(hào)定位解算，由精確碼相位求得偽距并利用衛(wèi)星位置信息解算出接收機(jī)的位置;

　　3) 反射衛(wèi)星預(yù)測(cè)，通過(guò)判斷跟蹤衛(wèi)星的仰角和方位角是否合適選出做反射信號(hào)處理的衛(wèi)星;

　　4) 反射信號(hào)頻率/相位預(yù)測(cè)及反射通道控制，實(shí)時(shí)計(jì)算及控制反射載波/偽碼NCO并實(shí)現(xiàn)反射通道狀態(tài)的控制。

　　反射預(yù)測(cè)的工作流程如圖5所示。

　　3 “北斗三號(hào)”衛(wèi)星B1C新信號(hào)處理

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