劉原華　張珂娜　牛新亮

摘 要： 研究GNSS海面散射信號(hào)相關(guān)功率，對(duì)反演海面風(fēng)速具有非常重要的作用。針對(duì)低信噪比下，傳統(tǒng)的方法不能成功捕獲衛(wèi)星信號(hào)，無法得到海面散射信號(hào)相關(guān)功率的問題，提出一種延長相干積分時(shí)間來獲得海面散射信號(hào)相關(guān)功率的方法，并進(jìn)行了仿真。將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)方法的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)該方法可以捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，提高了接收機(jī)的靈敏度并準(zhǔn)確繪制了海面散射信號(hào)相關(guān)功率波形圖。

關(guān)鍵詞： GNSS； 反射信號(hào)； 海面散射信號(hào)； 相關(guān)功率

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0049?03

Research on airborne GNSS?R signal processing technology of sea surface wind field

LIU Yuanhua1， ZHANG Kena1， NIU Xinliang2

（1. School of Communications and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China；

2. Xian Branch， China Academy of Space Technology， Xian 710000， China）

Abstract：The study of correlation power of sea surface scattering signal for the global navigation satellite system （GNSS） has important significance for the inversion of the sea surface wind speed. Under the condition of low signal?to?noise ratio， the traditional method can′t capture the satellite signal successfully and get the correlation power of the sea surface scattering signal. Therefore， a method used to acquire the correlation power of the sea surface scattering signal by extending the coherent integration time is presented and simulated. The simulation result is compared with that of the traditional method. It is found that the method can capture the satellite signal， improve the sensitivity of the receiver， and draw the correlation power waveform of the sea surface scattering signal accurately.

Keywords： global navigation satellite system； reflection signal； sea surface scattering signal； relative power

0 引 言

GNSS?R（Global Navigation Satellite System?Reflection）技術(shù)是自1993年發(fā)展起來的一個(gè)新型分支。從電磁波的傳播理論角度分析，海面反射信號(hào)中必然含有反射面的相關(guān)特征信息，其中包括反射信號(hào)的頻率、幅值和相位的變化以及反射信號(hào)的波形和極化特性等變化。因此，可以借助于對(duì)經(jīng)反射面反射的信號(hào)的接收處理，來實(shí)現(xiàn)反射面物理特征的估計(jì)，并進(jìn)行下一步反演方面的相關(guān)工作[1]。

GNSS?R技術(shù)在測量海面風(fēng)速方面取得了很大的進(jìn)展[2?6]。其中，機(jī)載方面進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)是有效手段之一，可用來檢驗(yàn)延遲映射接收機(jī)的性能并開展反演方法的研究工作。但隨著機(jī)載試驗(yàn)環(huán)境變得越來越復(fù)雜，接收機(jī)所接收信號(hào)的能量可能會(huì)越來越弱，信噪比相對(duì)較低，實(shí)現(xiàn)低信噪比下衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的反演是一個(gè)備受關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的方法是先利用1 ms的數(shù)據(jù)捕獲導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，然后計(jì)算該信號(hào)的相關(guān)功率[7]。但對(duì)于散射信號(hào)能量較小、信噪比較低的情況，傳統(tǒng)的方法并不能成功捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，限制了GNSS?R探測海面風(fēng)速的適用性。

本文在分析GNSS海面散射信號(hào)接收的基礎(chǔ)上，給出一種能在低信噪比下成功獲得海面散射信號(hào)相關(guān)功率波形的方法，最后模擬一組衛(wèi)星信號(hào)并開展了仿真驗(yàn)證，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論總結(jié)。

1 GNSS散射信號(hào)的接收處理

1.1 海面反射點(diǎn)碼延遲的計(jì)算

GNSS發(fā)射信號(hào)是呈右旋極性，到達(dá)海面后經(jīng)海面散射，信號(hào)的極性會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，其主要分量會(huì)呈現(xiàn)左旋圓極化特性[8]。同時(shí)，因?yàn)楹Ｃ嫔⑸湫盘?hào)和它的直射信號(hào)之間必然會(huì)存在著波程差，這就造成散射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的時(shí)間延遲（碼延遲）[9]。在延遲映射接收機(jī)中，圖1為鏡面反射點(diǎn)處的碼片延遲的估算模型。[a+b]為鏡面反射點(diǎn)處的信號(hào)到達(dá)延遲映射接收機(jī)的時(shí)延，且[a+b=a+c=2hsinθ，]其中：[θ]為飛機(jī)觀察的入射角，[h]為飛機(jī)的飛行高度。

精確碼延遲用下述方式計(jì)算。

在地心直角坐標(biāo)系下，利用GPS衛(wèi)星位置[（XG，YG，ZG）]和左旋天線位置[（XL，YL，ZL）]對(duì)式（1）采用Nelder?Mead單純形算法[10]，取GNSS信號(hào)經(jīng)過海面反射后路徑延遲的最小值，即[Pmin（?S，λS）]，進(jìn)一步確定鏡面反射點(diǎn)的位置[（XS，YS，ZS）]。endprint

[P（?S，λS）=XL-XS2+YL-YS2+ZL-ZS2+XG-XS2+YG-YS2+ZG-ZS2] （1）

式中[?S，][λS]為鏡面反射點(diǎn)在地心坐標(biāo)系下的參數(shù)。在地心直角坐標(biāo)系下，有：

[XS=a2cos?ScosλSa2cos2?S+b2sin2?SYS=a2cos?SsinλSa2cos2?S+b2sin2?SZS=b2sinλSa2cos2?S+b2sin2?S] （2）

式中[a，b]分別為地球長半軸和短半軸。

利用[XG，YG，ZG，XL，YL，ZL，][XS，YS，ZS]便可得出海面鏡面反射點(diǎn)處的幾何路徑延遲[τ0]。

1.2 散射信號(hào)相關(guān)功率的計(jì)算

假定[u（t）]為接收信號(hào)，[a（t）]為本地C/A碼序列，[t0]為信號(hào)接收時(shí)刻，[Ti]為積分時(shí)間，[τ]為在[{-M，+N}]碼元區(qū)間的延遲量。式（3）可用于反映信號(hào)接收互相關(guān)函數(shù)： [Yτ，t0=0Tiat+t0-τ?ut+t0dt] （3）

因?yàn)閭坞S機(jī)噪聲的一些相關(guān)特性，僅當(dāng)[u（t）]和[a（t）]在時(shí)間延遲上一致時(shí)才能產(chǎn)生顯著的相關(guān)。為了避免數(shù)據(jù)量過大，同時(shí)考慮到輸出數(shù)據(jù)的可靠性，延遲映射接收機(jī)實(shí)際輸出時(shí)，取散射信號(hào)在[T0]內(nèi)的平均相關(guān)功率，其定義如下：

[Y（τ）=ITa0TIY（τ，t0）2dt0] （4）

由此便獲得了在鏡面反射點(diǎn)周圍照射區(qū)的散射信號(hào)的強(qiáng)度，這正是以相關(guān)功率為表達(dá)形式的。若散射表面的粗糙程度不同，互相關(guān)函數(shù)變化曲線就會(huì)呈現(xiàn)不同的形狀[11]，如圖2所示。

2 相干積分時(shí)間對(duì)散射信號(hào)相關(guān)功率的影響分析

計(jì)算海面散射信號(hào)的相關(guān)功率是在計(jì)算其[I]和[Q]兩個(gè)支路上的相關(guān)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對(duì)于正常的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，可利用1 ms的數(shù)據(jù)在相關(guān)器中計(jì)算其[I]值和[Q]值后，進(jìn)行相干?非相干累加即可求解出散射信號(hào)的相關(guān)功率。而在信號(hào)的功率較低時(shí)，由于信號(hào)被淹沒在噪聲中，1 ms長度的數(shù)據(jù)能量較小，不能準(zhǔn)確得到其相關(guān)功率值，而風(fēng)速反演應(yīng)用的前提就是要通過信號(hào)處理的方法得到海面散射信號(hào)的相關(guān)功率。為此，本文提出一種改進(jìn)的海面反射信號(hào)處理方法，即在相關(guān)器中先計(jì)算出10 ms數(shù)據(jù)的[I]值和[Q]值之后，再進(jìn)行相干?非相干累加就能成功求解出反射信號(hào)的二維相關(guān)值，進(jìn)一步得到散射信號(hào)的相關(guān)功率。該方法相比于傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)在于較好地提高了海面散射信號(hào)的信噪比增益，其信號(hào)處理流程如圖3所示。

盡管長時(shí)間的相干積分可以獲得較高的增益補(bǔ)償，但相干積分長度受制于導(dǎo)航數(shù)據(jù)的跳變。為此，可以利用直射信號(hào)來輔助反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理操作。具體做法為：先對(duì)直射信號(hào)的載波相位進(jìn)行跟蹤處理，待載波的同步處理完成后，便可借助直射信號(hào)的相關(guān)處理通道得到的同相分量的符號(hào)來補(bǔ)償反射信號(hào)的二維相關(guān)矩陣。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真數(shù)據(jù)是根據(jù)實(shí)際GPS L1頻率的C/A碼信號(hào)特性生成的，該數(shù)據(jù)信號(hào)可靈活設(shè)置采樣頻率、輸入載噪比等，便于所提方法的驗(yàn)證。仿真參數(shù)設(shè)置如下：輸入信號(hào)的采樣率為5 MHz，頻率搜索步長為500 Hz，不考慮多普勒頻移，預(yù)檢噪聲帶寬為2 MHz，仿真產(chǎn)生的GPS信號(hào)長度為100 ms。為了驗(yàn)證低信噪比下延長相干積分時(shí)間對(duì)求解散射信號(hào)相關(guān)功率的影響，忽略了圖3中相干?非相干累加這一模塊的分析，仿真實(shí)驗(yàn)采用的相干積分時(shí)間是10 ms。

為了得到海面狀態(tài)參數(shù)信息，如海面風(fēng)速，需要給出反射信號(hào)的相關(guān)功率波形。其中，相關(guān)峰值周圍的若干個(gè)碼延遲波形包含重要的海面參數(shù)信息。圖4中碼片延遲是相對(duì)于直射信號(hào)的C/A碼相位而言的，所以最大相關(guān)峰應(yīng)該出現(xiàn)在0碼片延遲附近[12]。

圖4（a）中，由于信號(hào)能量較小，未能成功捕獲到衛(wèi)星信號(hào)，且其最大相關(guān)峰值在第26個(gè)延遲采樣點(diǎn)處，不能正確得到海面散射信號(hào)相關(guān)功率波形圖。而圖4（b）中，延長了相干積分的時(shí)間，提高了接收機(jī)的靈敏度，且其最大相關(guān)峰值在第0個(gè)延遲采樣點(diǎn)處即0碼片延遲附近準(zhǔn)確得到了海面散射信號(hào)的相關(guān)功率波形圖。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種在低信噪比下利用延長單次相干積分時(shí)間來獲得GNSS海面散射信號(hào)相關(guān)功率波形的方法，通過仿真實(shí)驗(yàn)并與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行比較分析。結(jié)果顯示，新方法的信噪比相對(duì)于傳統(tǒng)方法提高了48.2%，實(shí)現(xiàn)了低信噪比條件下散射信號(hào)相關(guān)功率的計(jì)算。

本文也有不足之處，在驗(yàn)證延長單次相干積分時(shí)間對(duì)求解海面散射信號(hào)相關(guān)功率的影響時(shí)，默認(rèn)相干?非相干累加這一模塊在兩次仿真實(shí)驗(yàn)下是一致的。因此，綜合分析延長單次相干積分時(shí)間、相干累加和非相干累加三者對(duì)散射信號(hào)相關(guān)功率的影響是下一步的工作內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] MART?N?NEIRA M， CAPARRINI M， FONT?ROSSELL? J， et al. The PARIS concept： an experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2001， 39（1）： 142?150.

[2] 李偉強(qiáng)，楊東凱，李明里，等.面向遙感的GNSS反射信號(hào)接收處理系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2011，36（10）：1204?1208.

[3] 周曉中，李紫薇.機(jī)載GPS?R遙感海面風(fēng)場實(shí)驗(yàn)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，12（1）：84?89.

[4] 符養(yǎng)，周兆明.GNSS?R海洋遙感方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2006，31（2）：128?131.endprint

[5] ZAVOROTNY V U， VORONOVICH A G. Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2000， 38（2）： 951?964.

[6] GARRISON J L， KOMJATHY A， ZAVOROTNY V U， et al. Wind speed measurement using forward scattered GPS signals [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2002， 40（1）： 50?65.

[7] 王迎強(qiáng)，嚴(yán)衛(wèi)，符養(yǎng)，等.利用機(jī)載GNSS反射信號(hào)反演海面風(fēng)速的研究[J].海洋學(xué)報(bào)，2008，30（6）：51?59.

[8] THOMPSON D R， ELFOUHAILY T M， GASPAROVIC R F. Polarization dependence of GPS signals reflected from the ocean [C]// Proceedings of 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Honolulu： IEEE， 2000： 3099?3101.

[9] 曹珂，王長林，梁宏，等.低信噪比環(huán)境下短擴(kuò)頻碼捕獲性能的改善[J].電訊技術(shù)，2008，48（7）：69?73.

[10] MATHEWS J H， FINK K D. Numerical methods using Matlab [M]. 4th ed. New Jersey， USA： Prentice?Hall Inc.， 2004.

[11] 楊東凱，張其善.GNSS反射信號(hào)處理基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[12] 王波，董翔，劉海豐，等.岸基GPS海面反射信號(hào)提取方法及特性分析[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（9）：1825?1829.endprint