利用北斗反射信號探測目標的初步實驗

裴博宇,嚴頌華,王泉德,陳能成

(1.武漢大學電子信息學院,湖北武漢430072;2.武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室,湖北武漢430079)

0 引言

在衛星導航應用中,以GPS系統為信號源,利用GNSS衛星反射信號進行反射面參數探測的一種新型遙感手段——全球衛星導航反射技術(GNSSR)[1-2]。美國從1997年開始針對GPS反射信號進行研究和機載實驗,并且獲取了大量的研究成果[3-4]。這種技術主要應用于陸面、海洋參數的測量與反演,比如海面粗糙度與風速和風向[5]、海面風場[6]、土壤濕度[7]、雪深[8]等海洋與陸地環境的反演與監測。

利用GNSS-R技術探測目標也是研究熱點之一,其屬于一種無源雷達模式。1993年至1995年研究人員曾對GNSS信號的無源雷達開展過對空中飛機、導彈、飛船等目標的探測實驗[9]。

目前,國外反射信號的研究者使用的導航星座多為GPS,GLONASS及Galileo系統[10-12],而北斗系統作為我國獨立自主開發建設的全球導航定位系統,同GPS系統一樣,能向軍用和民用提供導航、定位和授時等服務,并擬于2020年提供全球無源服務[13]。

利用北斗衛星的反射信號作研究也已經得到了眾多領域研究人員的高度重視。2011年至2013年間,德國地球科學研究中心葛茂榮對北斗導航衛星精密定軌理論和對流層延遲做了大量研究工作[14-15]。2014年,北京航空航天大學開展了對北斗衛星反射信號的研究和實驗,并研發了一種基于北斗反射信號的海風海浪探測系統[16]。

目前,利用北斗導航衛星的反射信號作目標探測的研究,還有很多值得研究的地方。本文利用北斗的GEO(Geostationary Earth Orbit)衛星,探討對反射信號開環處理的方案,實現對反射點位置的探測,來論證原理的可行性。在下面的部分中,本文將首先介紹目標探測的原理,然后設計了實驗的硬件架構和軟件架構,最后通過樓宇反射實驗和長江大橋反射實驗來驗證該探測方案。實驗結果證明了本方案的可行性和正確性。

1 探測原理

雷達探測的基本原理是測量收發電波的延時。但是本文采用的發射源是位于2萬多公里高空的衛星,而接收機處于地面,是一種收發分置的雙基地雷達系統,因此其探測的原理主要是利用反射信號和直達信號的時間延遲或者相位延遲來實現。圖1中展示了利用北斗反射信號實現目標探測的示意圖,其中,從發射衛星到達地面的電波信號可以認為是平面波,平行入射到地面。圖中,樓宇的側面垂直于地面,是本文設定的探測目標。一路直射信號經過樓宇在A點反射后,被反射天線在P點處接收,稱作反射信號,而另外一路信號則被直達天線在P點處直接接收,稱為直達信號,兩路信號由信號采集器采集并分別處理。目標探測的工作就是找出反射信號的最強點并計算反射天線與樓宇的距離,即圖中的d。

圖1 目標探測示意圖

圖1中p′點是接收天線所在位置p點相對于樓宇的鏡像。從圖中可見,經過反射點的北斗反射信號相對于直達信號多行進一段距離,即圖中所標注的OP′段,點O為兩線段的垂足點。反射信號相對于直達信號有一個時間延遲τ,并且根據衛星、接收機和反射點的幾何關系,可得到過反射點A的反射信號相對于直達信號的路徑延遲S=2×d×cosθ,那么,d=S/(2×cosθ),其中d為接收機到反射面的垂直距離,θ為北斗導航衛星的傾角。

上面描述的路徑延遲反映到接收機的信號處理回路中,就表現為反射信號相比直達信號的碼相位延遲,可以在接收機中求得該碼相位延遲。若導航信號的碼周期為T,一個碼周期的碼片數為NT(對于北斗信號來說,一個碼周期的碼片數為2046),則對應于北斗信號的碼片延遲滿足τ0×T/NT=S/c。其中,τ0為反射信號相對于直達信號的碼片延遲數(單位:個),c為電磁波傳播速率。

由于反射信號和直射信號存在波程差,必然造成反射信號相對于直射信號的碼延遲。兩個通道的信號通過環路控制實現對碼相位的跟蹤,得到反射點處反射信號的延遲碼片,并由此確定路徑延遲δτ,進而求解出反射點的位置。假定接收到的直射信號為r i(t),本地產生的信號為u i(t),則直達信號的相關功率:

式中,τ為碼延遲偏移量,當τ=τ1時,直達信號的相關功率達到最大值。

接收到的反射信號為r i(t-τ1-δτ),δτ表示為相對于鏡面反射點總的延遲偏移量。反射信號的相關功率:

圖2表示兩路信號的相關功率以及碼延遲τ1和δτ的相對關系。當τ=τ1+δτ時,反射信號的相關功率達到最大值。實驗中,以直達信號為基準,即τ1=0,那么反射信號的相關功率值達到最大值時所對應的碼片延遲量即為所求。

圖2 直達信號與反射信號相關功率的相對關系

2 硬件系統架構

如前所述,采用北斗信號進行目標探測的關鍵在于計算直達信號和反射信號的延時,所涉及的硬件平臺也必須與此相適應。圖3顯示了本文所采用的系統框圖。

圖3 硬件架構圖

采集器采集經天線接收的兩路信號,通過下變頻得到中頻信號,然后將經過模數轉換后的數字信號通過USB2.0接口傳輸到PC機端,最后利用軟件程序進行后處理。

下面對該方案中涉及的硬件進行詳細描述。

1)天線部分

對于直達信號,由于該信號較強,所以采用普通的微帶天線;對于反射信號,由于信號微弱,所以需要高增益天線。本文采用了定制的螺旋天線。

2)中頻采集器

本方案所采用的信號采集器是由北斗星源公司研發的HG-SOFTGPS02雙通道GNSS中頻信號采集器。該采集器的射頻端由兩個同源的MAX2769集成芯片構成,支持GPS、BD2、Galileo信號的采集。

如圖4所示,射頻前端對信號進行濾波,后通過混頻器將輸入信號與本地振蕩器信號進行混合,從而將信號下變頻到較低的中頻。再經過濾波來濾除其他頻點的信號。最后將生成的模擬中頻信號通過模/數轉換器(ADC)轉換成數字中頻信號。MAX2769的采樣頻率設置為16.368 MHz、中頻頻率為3.996 MHz。輸出的數字中頻信號被設定為只有I路2位符號/幅度的數據格式。得到中頻信號以后,通過USB2.0接口將數據傳輸到PC端,利用軟件接收機進行后續處理。

圖4 基于MAX2769射頻前端電路簡圖

3 軟件系統構架

當中頻采樣數據被USB接口送至計算機之后,即通過軟件部分對信號進行處理,主要對接收機的直達信號和反射信號進行處理。系統的實現框圖如圖5所示。

圖5中,首先通過直達通道對直達信號進行捕獲和跟蹤,產生較精確的偽碼相位和載波相位,并用于反射通道對反射信號的解調。詳細過程分述如下。

3.1 直達信號的處理

北斗系統B1頻段信號由I、Q兩個支路的“測距碼+導航電文”正交調制在載波上構成。測距碼也分I支路的普通測距碼(C碼)和Q支路精密測距碼(P碼)。B1頻段信號表達式如下:

式中:上角標j表示衛星編號;AB1I,AB1Q表示B1I和B1Q信號振幅;CB1I,CB1Q表示B1I和B1Q信號測距碼;DB1I,DB1Q表示調制在B1I和B1Q測距碼上的數據碼;f1表示B1信號載波頻率;φB1I,φB1Q表示B1I和B1Q信號載波初相。本文主要研究B1頻段信號I支路的信號。

直達信號的處理是為了給反射信號提供參考,即提供載波和偽碼相位的基準。因此,該信號的處理與常用北斗接收機一樣,也劃分為捕獲和跟蹤兩個階段。但是,由于前述中頻信號的采樣率為16.368 MHz,因此,在跟蹤時需要對其進行數據的抽取。

圖5 系統框圖

1)捕獲

接收機接收到北斗衛星信號后,要對所有可見的衛星進行搜索。接收機首先以一定的頻率步長和碼延遲步長產生本地載波與本地C/A碼,然后與接收信號作相關運算。當相關值超過設定的判決門限后,就認為信號存在,由本地的信號參數也就可以確定接收信號的多普勒頻率和偽碼延遲。在本方案設計的軟件接收機中,使用并行碼相位算法進行捕獲。

2)跟蹤

捕獲完成后獲得載波頻率和碼相位的粗略值。因此,需要通過跟蹤進行細調,以便系統能用精確的碼相位和載波頻率解調出導航數據。跟蹤過程中,首先將載波從輸入信號中剔除,然后再與本地復制偽碼相乘,輸出即為導航數據。所以跟蹤過程需要產生兩種復制信號,一種為載波,一種為偽碼。相應地,跟蹤就分為載波跟蹤和碼跟蹤[17]。

3.2 反射信號的處理

目標的信息包含在反射信號中,因此對反射信號的處理尤為重要。如前所述,反射信號強度微弱,所以不能進行跟蹤處理。本文采取開環處理,即從直達信號通路中獲得參考的碼相位,使本地C/A碼和直達信號的C/A碼對齊。同時用直達信號載波對反射信號進行載波剝離。兩通道信號的相位差示意圖如圖6所示。

圖6 直達信號與反射信號相位差

為了提高距離分辨率,本文通過采樣頻率的提高來處理。中頻采樣器的采樣頻率為碼速率的8倍,為了充分利用每一個采樣點,把本地C碼的每個碼片變為8個點(對應采樣頻率為16.368 MHz),再以0.125個碼片為間隔,生成比直達信號C碼超前一個碼片以內,以及比直達信號滯后1個碼片以內的C碼序列。共17個本地C碼序列。然后將這17個序列分別與從反射信號中剝離的C碼進行相關運算,相關度最高的本地碼序列,最接近反射信號的C碼,該碼和直達信號C碼的相位差即為直達信號和反射信號的相位差。具體實現方法如圖7所示。

4 探測方案設計與測試結果

4.1 樓宇反射實驗

樓宇反射實驗場地我們選擇較為空曠的地方,如圖8所示,天線處于樓宇的正南面。實驗中,用激光測距儀記錄接收機到大樓的水平距離D=46 m,采集實驗數據,通過后續的數據處理來驗證位置的準確性。

北斗測距碼碼長為2 046,碼周期為1 ms。那么,一個碼片周期所對應的距離約為

圖7 反射信號處理框圖

圖8 樓宇反射實驗圖

單個碼片所對應的距離約為d1/2 046=146.63 m。實驗中中頻采樣器的采樣頻率為碼速率的8倍,一個碼片被采樣為8個點,為了充分利用每一個采樣點,把本地C碼的每個碼片變為8個點(對應采樣頻率為16.368 MHz),則測距精度為

圖9(a)中,淺色直方圖表示接收機捕獲到其對應編號的衛星信號,深色直方圖表示接收機沒有捕獲到的衛星信號。圖9(b)是所捕獲的衛星信號星座圖。圖中同心圓是等仰角線,從外側到圓心分別代表仰角為0°,30°,60°和90°。分布圖中1,2,3,4,5號衛星是北斗靜止軌道衛星,相對于接收機是靜止的,其他衛星是運動的,方位角和仰角是不固定的。本實驗選擇靜止軌道衛星,當采樣頻率為16.368 MHz時,北斗C碼測距精度為18.33 m。實驗中主要分析仰角在30°到60°之間的衛星。根據捕獲結果,選擇對應衛星的仰角,并選取合適的通道進行跟蹤和分析。

圖9 目標在46 m時的捕獲結果

由于大樓朝向正南面,由星座圖可以看出3號星位于星座圖的南方,仰角約為50°,適合作為分析對象。圖10反映的是直達信號與反射信號相關功率,圖中橫坐標代表1/8碼片數,縱坐標代表兩路信號的相關功率。由圖可知,直達信號大概在0時刻(碼延遲為0)相關功率達到峰值,而反射信號大概在第3個1/8碼片時刻相關功率達到峰值。我們以直達信號為基準,那么反射信號的碼延遲為3個1/8碼片。那么,實際路徑延遲S′=3×d2=3×18.33=55 m。理論路徑差S=2×d×cosθ=2×46×cos50°≈59 m。在誤差允許范圍內,實際路徑差與理論路徑差相吻合,證明了實驗數據的正確性和方案的可行性。

圖10 直達信號與反射信號相關功率對比圖

4.2 長江大橋反射實驗

圖11是長江大橋反射實驗圖,武漢長江大橋方位是從西北至東南走向,實驗中,在長江大橋橋上架設天線并采集數據,天線朝南指向江面。圖中兩個天線分別接收直達信號和經過江面反射的信號,信號的采集和處理過程與樓宇反射實驗相同,這里就不再贅述。首先用氣壓計在橋下測得高度25 m,在橋上測得高度73 m,那么接收機與反射面的垂直距離,也就是大橋與江面的垂直距離為H=73-25=48 m。反射信號相對于直達信號的路徑延遲為S=2×H×sinθ。

圖11 長江大橋反射實驗圖

實驗中,3號衛星依然適合作為分析對象。圖12反映的是直達信號與反射信號相關功率,圖中橫坐標代表1/8碼片數,縱坐標代表兩路信號的相關功率。由圖可知,直達信號大概在0時刻(碼延遲為0)相關功率達到峰值,而反射信號大概在第4個1/8碼片時刻相關功率達到峰值。以直達信號為基準,那么反射信號的碼延遲為4個1/8碼片。那么反射信號與直達信號的實際路徑延遲為S′=4×d2=4×18.33=73.32 m。理論路徑差S=2×H×sinθ=2×48×sin50°≈73.5 m。在誤差允許范圍內,實際路徑差與理論路徑差相吻合,證明了實驗數據的正確性和方案的可行性。

5 結束語

圖12 直達信號與反射信號相關功率對比圖

本文描述了利用北斗導航衛星反射信號做目標探測的實驗,詳細分析了根據北斗直達信號和反射信號的路徑差來計算接收機與反射面位置的數學模型,給出了相應的信號采集器、信號處理方法以及軟件工作流程等。在現有研究及系統的支撐下,實施了探測實驗,證明了用北斗反射信號探測目標的有效性,為進一步研究北斗信號在目標探測領域的應用作鋪墊。

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