摘 要： 文中介紹一種多天線海冰接收機的整體架構(gòu)以及其在多極化海冰探測領(lǐng)域的應用。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)描述其軟硬件的設(shè)計，給出直射通道、反射通道和控制系統(tǒng)的詳細設(shè)計方案及具體實現(xiàn)。針對“北斗三號”B1C新信號的特點，設(shè)計并實現(xiàn)一種利用“北斗二號”B1I信號輔助“北斗三號”B1C反射信號處理的方法。最后進行反射信號接收的初步試驗，在試驗中接收到不同極化的反射信號，并通過上位機軟件觀察其相關(guān)功率，同時對比B1C與B1I反射信號的相關(guān)結(jié)果，驗證設(shè)備可以正常工作。

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

　　0 引 言

　　是一種新興的遙感探測方式，通過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，測量其相對延遲和幅度變化，以實現(xiàn)對地球表面各種物理參數(shù)的探測和反演。GNSS?R技術(shù)可用于探測海面風場與高度、海冰、土壤濕度、目標檢測等[1]，具有測量精確、監(jiān)測便利、信號源豐富、接收設(shè)備簡單輕便、價格低、實時性強等優(yōu)勢[2]。近年來，GNSS?R技術(shù)及其應用發(fā)展迅速，具有代表性的項目有英國的UK?DMC，TDS?1、美國的CYGNSS星座等。

　　在海冰探測領(lǐng)域，Attila Komjathy等人于2000年首次進行了GNSS?R機載海冰觀測實驗，結(jié)果顯示可以通過GPS反射信號反射系數(shù)之間的差異來區(qū)分海水和海冰。Gleason等人將空間探測到的GPS海反射信號與美國對海冰的觀測數(shù)據(jù)進行對比，說明了星載設(shè)備接收到的GPS反射信號具有探測海冰的潛力[3]。Alonsoarroyo等人利用英國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)進行極地海冰探測的方法[4]。在國內(nèi)，張云等人于2013年分析了歐空局的格陵蘭島實驗數(shù)據(jù)，證明了可以通過直反信號極化比進行海水和海冰的區(qū)分[5]。尹聰?shù)热擞涗浟藝鴥?nèi)首次利用GNSS?R測量渤海海冰的岸基試驗，通過三層輻射模型模擬了GNSS信號在海面或冰面的反射過程，得到了信號的反射率及衛(wèi)星仰角與海冰厚度的關(guān)系[6]。

　　國內(nèi)的GNSS?R海冰探測受限于儀器設(shè)計，通常僅接收單極化反射信號，觀察其與直射信號的區(qū)別來探測海冰。實際上，不同極化信號的海冰反射率相差巨大，如圖1所示(海冰復介電常數(shù)取4.0-j0.14)。因此，同時接收多極化信號有助于獲取更多的海冰信息。如文獻[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信號的相位延遲觀測海冰厚度的改變，反演了海冰的形成和消融過程[8]。另一方面，“北斗三號”作為中國自主研發(fā)的導航衛(wèi)星系統(tǒng)，具有衛(wèi)星數(shù)量多、頻譜寬、精度高、抗干擾能力強等特點，適合用于GNSS?R觀測，但國內(nèi)具有“北斗三號”信號接收能力的GNSS?R儀器較少。

　　針對多極化觀測需求，本文介紹了一種多極化GNSS?R接收機的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。本接收機最多可以同時接收5路射頻信號，其中，1路直射信號用于接收機定位，其他4路可以同時接收來自于右旋、左旋、垂直、水平極化反射天線的信號。同時，針對“北斗三號”信號的接收，本文介紹了一種基于B1I信號輔助的”北斗三號”B1C新信號延遲映像信號處理方法的設(shè)計與實現(xiàn)。接收機經(jīng)過了初步測試，對多極化信號和“北斗三號”B1C信號的接收功能進行了驗證并給出了初步結(jié)果，后續(xù)將用于北極海冰的長期觀測。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　海冰延遲映射接收機由天線、射頻、基帶板、上位機四部分組成。其系統(tǒng)構(gòu)成見圖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。天線接收的信號輸入到射頻模塊，其主要作用是對接收到的信號進行干擾濾波、低噪聲放大、下變頻和鏡像抑制濾波以得到中頻信號，可以同時接收頻點為GPS L1(1 575.42 MHz)、BD B1C(1 561.098 MHz)、BD B1I(1 575.42 MHz)的信號。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，實現(xiàn)基帶信號處理。DSP選用TMS320C6701型DSP芯片，工作頻率為120 MHz，完成定位解算、反射預測等控制處理。基帶處理完的直射/反射數(shù)據(jù)通過USB分別傳輸至上位機。上位機通過USB接口接收并存儲接收機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由顯示軟件實時顯示接收機位置、接收到的衛(wèi)星信息、直射/反射通道狀態(tài)、包計數(shù)、反射信號的相關(guān)功率圖等信息。

　　2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　接收機軟件系統(tǒng)分為直射模塊和反射模塊。直射模塊共有2個捕獲引擎和24個跟蹤通道(GPS和北斗系統(tǒng)各占1個捕獲引擎和12個跟蹤通道)。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)字中頻信號與本地復現(xiàn)載波做乘法并進行傅里葉變換，然后將本地偽碼做傅里葉變換并取復共軛，二者復數(shù)相乘后進行傅里葉逆變換，將得到的幅值和捕獲閾值進行對比來判斷是否成功捕獲。直射通道需要對偽碼和載波進行實時跟蹤，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個通道(GPS和北斗各占16個)，每4個通道處理同一衛(wèi)星的4路反射信號，最多可同時處理8顆衛(wèi)星(GPS和北斗各4顆)的反射信號。反射通道主要的工作是把接收到的反射衛(wèi)星信號進行載波剝離并與多級延遲后的本地復現(xiàn)信號進行相關(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。反射通道的設(shè)計如圖4所示，其中，偽碼延遲級數(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)存儲器幾個模塊。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反射延遲預測的偽碼相位間隔，產(chǎn)生相應的偽碼，而后通過移位寄存器進行多級延遲。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測的載波頻率間隔來復現(xiàn)反射信號載波。本地復現(xiàn)的載波和多級延遲偽碼與反射中頻信號相乘后，得到的I路與Q路信號分別進行相干積分并用乘法器進行平方運算，最后完成非相干累加，積分結(jié)果由FPGA中的Block Ram進行存儲。

　　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的位置;

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

　　4) 反射信號頻率/相位預測及反射通道控制，實時計算及控制反射載波/偽碼NCO并實現(xiàn)反射通道狀態(tài)的控制。

　　反射預測的工作流程如圖5所示。

　　3 “北斗三號”衛(wèi)星B1C新信號處理

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