BD3信号多天线GNSS-R海冰延迟映射接收机设计

　　摘 要： 文中介绍一种多天线海冰接收机的整体架构以及其在多极化海冰探测领域的应用。在此基础上系统描述其软硬件的设计，给出直射通道、反射通道和控制系统的详细设计方案及具体实现。针对“北斗三号”B1C新信号的特点，设计并实现一种利用“北斗二号”B1I信号辅助“北斗三号”B1C反射信号处理的方法。最后进行反射信号接收的初步试验，在试验中接收到不同极化的反射信号，并通过上位机软件观察其相关功率，同时对比B1C与B1I反射信号的相关结果，验证设备可以正常工作。

　　关键词： 延迟映射接收机; 海冰探测; GNSS?R; BD?3信号; 反射信号; 初步测试

　　0 引 言

　　是一种新兴的遥感探测方式，通过接收从地球表面反射的全球导航卫星系统(GNSS)的卫星信号，测量其相对延迟和幅度变化，以实现对地球表面各种物理参数的探测和反演。GNSS?R技术可用于探测海面风场与高度、海冰、土壤湿度、目标检测等[1]，具有测量精确、监测便利、信号源丰富、接收设备简单轻便、价格低、实时性强等优势[2]。近年来，GNSS?R技术及其应用发展迅速，具有代表性的项目有英国的UK?DMC，TDS?1、美国的CYGNSS星座等。

　　在海冰探测领域，Attila Komjathy等人于2000年首次进行了GNSS?R机载海冰观测实验，结果显示可以通过GPS反射信号反射系数之间的差异来区分海水和海冰。Gleason等人将空间探测到的GPS海反射信号与美国对海冰的观测数据进行对比，说明了星载设备接收到的GPS反射信号具有探测海冰的潜力[3]。Alonsoarroyo等人利用英国TDS?1卫星获得的GNSS?R数据，阐述了基于延迟多普勒映像(DDM)进行极地海冰探测的方法[4]。在国内，张云等人于2013年分析了欧空局的格陵兰岛实验数据，证明了可以通过直反信号极化比进行海水和海冰的区分[5]。尹聪等人记录了国内首次利用GNSS?R测量渤海海冰的岸基试验，通过三层辐射模型模拟了GNSS信号在海面或冰面的反射过程，得到了信号的反射率及卫星仰角与海冰厚度的关系[6]。

　　国内的GNSS?R海冰探测受限于仪器设计，通常仅接收单极化反射信号，观察其与直射信号的区别来探测海冰。实际上，不同极化信号的海冰反射率相差巨大，如图1所示(海冰复介电常数取4.0-j0.14)。因此，同时接收多极化信号有助于获取更多的海冰信息。如文献[7]提出，GNSS?R水平极化和垂直极化的相位差与海冰厚度相关性明显。Fran Fabra等利用多极化GNSS?R信号的相位延迟观测海冰厚度的改变，反演了海冰的形成和消融过程[8]。另一方面，“北斗三号”作为中国自主研发的导航卫星系统，具有卫星数量多、频谱宽、精度高、抗干扰能力强等特点，适合用于GNSS?R观测，但国内具有“北斗三号”信号接收能力的GNSS?R仪器较少。

　　针对多极化观测需求，本文介绍了一种多极化GNSS?R接收机的软硬件设计与实现。本接收机最多可以同时接收5路射频信号，其中，1路直射信号用于接收机定位，其他4路可以同时接收来自于右旋、左旋、垂直、水平極化反射天线的信号。同时，针对“北斗三号”信号的接收，本文介绍了一种基于B1I信号辅助的”北斗三号”B1C新信号延迟映像信号处理方法的设计与实现。接收机经过了初步测试，对多极化信号和“北斗三号”B1C信号的接收功能进行了验证并给出了初步结果，后续将用于北极海冰的长期观测。

　　1 硬件系统设计

　　海冰延迟映射接收机由天线、射频、基带板、上位机四部分组成。其系统构成见图2。本仪器配备1副右旋圆极化定位天线以及左旋、右旋、垂直、水平极化的4副反射天线，天线的峰值增益均约为6 dBi。天线接收的信号输入到射频模块，其主要作用是对接收到的信号进行干扰滤波、低噪声放大、下变频和镜像抑制滤波以得到中频信号，可以同时接收频点为GPS L1(1 575.42 MHz)、BD B1C(1 561.098 MHz)、BD B1I(1 575.42 MHz)的信号。基带板采用DSP+FPGA架构，其中，FPGA选用Xilinx的Virtex?4芯片XC4VLX200，工作频率为61.38 MHz，实现基带信号处理。DSP选用TMS320C6701型DSP芯片，工作频率为120 MHz，完成定位解算、反射预测等控制处理。基带处理完的直射/反射数据通过USB分别传输至上位机。上位机通过USB接口接收并存储接收机发送的数据，并由显示软件实时显示接收机位置、接收到的卫星信息、直射/反射通道状态、包计数、反射信号的相关功率图等信息。

　　2 软件系统设计

　　接收机软件系统分为直射模块和反射模块。直射模块共有2个捕获引擎和24个跟踪通道(GPS和北斗系统各占1个捕获引擎和12个跟踪通道)。捕获采用基于FFT 的并行码相位搜索方式，其流程是先将A/D输出的数字中频信号与本地复现载波做乘法并进行傅里叶变换，然后将本地伪码做傅里叶变换并取复共轭，二者复数相乘后进行傅里叶逆变换，将得到的幅值和捕获阈值进行对比来判断是否成功捕获。直射通道需要对伪码和载波进行实时跟踪，其中，码跟踪采用延迟锁定环路，载波跟踪环路由二阶锁频环和三阶锁相环组合而成。直射通道结构如图3所示。

　　反射模块采用多通道并行的工作模式，共有32个通道(GPS和北斗各占16个)，每4个通道处理同一卫星的4路反射信号，最多可同时处理8颗卫星(GPS和北斗各4颗)的反射信号。反射通道主要的工作是把接收到的反射卫星信号进行载波剥离并与多级延迟后的本地复现信号进行相关处理，得到关于码延迟的一维相关波形即延迟映像，而后将其存储。反射通道的设计如图4所示，其中，伪码延迟级数和延迟间隔可调，延迟间隔可以设置为FPGA采样频率或[12]，[14]，[18]伪码码片，延迟级数可以设置为3～300。反射通道主要包括本地伪码发生器、本地载波生成器、载波/伪码剥离器、相干/非相干积分器、数据存储器几个模块。其中，本地伪码发生器由直射通道码跟踪的相位值加上DSP反射延迟预测的伪码相位间隔，产生相应的伪码，而后通过移位寄存器进行多级延迟。本地载波生成器由直射通道载波跟踪的频率值加上反射延迟预测的载波频率间隔来复现反射信号载波。本地复现的载波和多级延迟伪码与反射中频信号相乘后，得到的I路与Q路信号分别进行相干积分并用乘法器进行平方运算，最后完成非相干累加，积分结果由FPGA中的Block Ram进行存储。

　　DSP完成系统控制，包含如下模块：

　　1) 直射环路滤波及直射通道控制，完成直射通道中的鉴频、鉴相、环路滤波以及工作状态的控制;

　　2) 直射信号定位解算，由精确码相位求得伪距并利用卫星位置信息解算出接收机的位置;

　　3) 反射卫星预测，通过判断跟踪卫星的仰角和方位角是否合适选出做反射信号处理的卫星;

　　4) 反射信号频率/相位预测及反射通道控制，实时计算及控制反射载波/伪码NCO并实现反射通道状态的控制。

　　反射预测的工作流程如图5所示。

　　3 “北斗三号”卫星B1C新信号处理

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文章名称： BD3信号多天线GNSS-R海冰延迟映射接收机设计

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