機載GNSS?R海面風場信號處理技術研究

劉原華　張珂娜　牛新亮

摘 要： 研究GNSS海面散射信號相關功率，對反演海面風速具有非常重要的作用。針對低信噪比下，傳統的方法不能成功捕獲衛星信號，無法得到海面散射信號相關功率的問題，提出一種延長相干積分時間來獲得海面散射信號相關功率的方法，并進行了仿真。將仿真結果與傳統方法的仿真結果進行對比分析，發現該方法可以捕獲到衛星信號，提高了接收機的靈敏度并準確繪制了海面散射信號相關功率波形圖。

關鍵詞： GNSS； 反射信號； 海面散射信號； 相關功率

中圖分類號： TN911.73?34； TP7 文獻標識碼： A 文章編號： 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）技術是自1993年發展起來的一個新型分支。從電磁波的傳播理論角度分析，海面反射信號中必然含有反射面的相關特征信息，其中包括反射信號的頻率、幅值和相位的變化以及反射信號的波形和極化特性等變化。因此，可以借助于對經反射面反射的信號的接收處理，來實現反射面物理特征的估計，并進行下一步反演方面的相關工作[1]。

GNSS?R技術在測量海面風速方面取得了很大的進展[2?6]。其中，機載方面進行的相關試驗是有效手段之一，可用來檢驗延遲映射接收機的性能并開展反演方法的研究工作。但隨著機載試驗環境變得越來越復雜，接收機所接收信號的能量可能會越來越弱，信噪比相對較低，實現低信噪比下衛星導航信號的反演是一個備受關注的問題。傳統的方法是先利用1 ms的數據捕獲導航衛星信號，然后計算該信號的相關功率[7]。但對于散射信號能量較小、信噪比較低的情況，傳統的方法并不能成功捕獲到衛星信號，限制了GNSS?R探測海面風速的適用性。

本文在分析GNSS海面散射信號接收的基礎上，給出一種能在低信噪比下成功獲得海面散射信號相關功率波形的方法，最后模擬一組衛星信號并開展了仿真驗證，對結果進行了討論總結。

1 GNSS散射信號的接收處理

1.1 海面反射點碼延遲的計算

GNSS發射信號是呈右旋極性，到達海面后經海面散射，信號的極性會發生反轉，其主要分量會呈現左旋圓極化特性[8]。同時，因為海面散射信號和它的直射信號之間必然會存在著波程差，這就造成散射信號相對于直射信號的時間延遲（碼延遲）[9]。在延遲映射接收機中，圖1為鏡面反射點處的碼片延遲的估算模型。[a+b]為鏡面反射點處的信號到達延遲映射接收機的時延，且[a+b=a+c=2hsinθ，]其中：[θ]為飛機觀察的入射角，[h]為飛機的飛行高度。

精確碼延遲用下述方式計算。

在地心直角坐標系下，利用GPS衛星位置[（XG，YG，ZG）]和左旋天線位置[（XL，YL，ZL）]對式（1）采用Nelder?Mead單純形算法[10]，取GNSS信號經過海面反射后路徑延遲的最小值，即[Pmin（?S，λS）]，進一步確定鏡面反射點的位置[（XS，YS，ZS）]。endprint

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

式中[?S，][λS]為鏡面反射點在地心坐標系下的參數。在地心直角坐標系下，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處的幾何路徑延遲[τ0]。

1.2 散射信號相關功率的計算

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

因為偽隨機噪聲的一些相關特性，僅當[u（t）]和[a（t）]在時間延遲上一致時才能產生顯著的相關。為了避免數據量過大，同時考慮到輸出數據的可靠性，延遲映射接收機實際輸出時，取散射信號在[T0]內的平均相關功率，其定義如下：

[Y（τ）=ITa0TIY（τ，t0）2dt0] （4）

由此便獲得了在鏡面反射點周圍照射區的散射信號的強度，這正是以相關功率為表達形式的。若散射表面的粗糙程度不同，互相關函數變化曲線就會呈現不同的形狀[11]，如圖2所示。

2 相干積分時間對散射信號相關功率的影響分析

計算海面散射信號的相關功率是在計算其[I]和[Q]兩個支路上的相關值的基礎上進行的。對于正常的衛星導航信號，可利用1 ms的數據在相關器中計算其[I]值和[Q]值后，進行相干?非相干累加即可求解出散射信號的相關功率。而在信號的功率較低時，由于信號被淹沒在噪聲中，1 ms長度的數據能量較小，不能準確得到其相關功率值，而風速反演應用的前提就是要通過信號處理的方法得到海面散射信號的相關功率。為此，本文提出一種改進的海面反射信號處理方法，即在相關器中先計算出10 ms數據的[I]值和[Q]值之后，再進行相干?非相干累加就能成功求解出反射信號的二維相關值，進一步得到散射信號的相關功率。該方法相比于傳統方法的優點在于較好地提高了海面散射信號的信噪比增益，其信號處理流程如圖3所示。

盡管長時間的相干積分可以獲得較高的增益補償，但相干積分長度受制于導航數據的跳變。為此，可以利用直射信號來輔助反射信號進行相關處理操作。具體做法為：先對直射信號的載波相位進行跟蹤處理，待載波的同步處理完成后，便可借助直射信號的相關處理通道得到的同相分量的符號來補償反射信號的二維相關矩陣。

3 仿真實驗

仿真數據是根據實際GPS L1頻率的C/A碼信號特性生成的，該數據信號可靈活設置采樣頻率、輸入載噪比等，便于所提方法的驗證。仿真參數設置如下：輸入信號的采樣率為5 MHz，頻率搜索步長為500 Hz，不考慮多普勒頻移，預檢噪聲帶寬為2 MHz，仿真產生的GPS信號長度為100 ms。為了驗證低信噪比下延長相干積分時間對求解散射信號相關功率的影響，忽略了圖3中相干?非相干累加這一模塊的分析，仿真實驗采用的相干積分時間是10 ms。

為了得到海面狀態參數信息，如海面風速，需要給出反射信號的相關功率波形。其中，相關峰值周圍的若干個碼延遲波形包含重要的海面參數信息。圖4中碼片延遲是相對于直射信號的C/A碼相位而言的，所以最大相關峰應該出現在0碼片延遲附近[12]。

圖4（a）中，由于信號能量較小，未能成功捕獲到衛星信號，且其最大相關峰值在第26個延遲采樣點處，不能正確得到海面散射信號相關功率波形圖。而圖4（b）中，延長了相干積分的時間，提高了接收機的靈敏度，且其最大相關峰值在第0個延遲采樣點處即0碼片延遲附近準確得到了海面散射信號的相關功率波形圖。

4 結 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間來獲得GNSS海面散射信號相關功率波形的方法，通過仿真實驗并與傳統的方法進行比較分析。結果顯示，新方法的信噪比相對于傳統方法提高了48.2%，實現了低信噪比條件下散射信號相關功率的計算。

本文也有不足之處，在驗證延長單次相干積分時間對求解海面散射信號相關功率的影響時，默認相干?非相干累加這一模塊在兩次仿真實驗下是一致的。因此，綜合分析延長單次相干積分時間、相干累加和非相干累加三者對散射信號相關功率的影響是下一步的工作內容。

參考文獻

[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，楊東凱，李明里，等.面向遙感的GNSS反射信號接收處理系統及實驗[J].武漢大學學報（信息科學版），2011，36（10）：1204?1208.

[3] 周曉中，李紫薇.機載GPS?R遙感海面風場實驗[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2011，12（1）：84?89.

[4] 符養，周兆明.GNSS?R海洋遙感方法研究[J].武漢大學學報（信息科學版），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，嚴衛，符養，等.利用機載GNSS反射信號反演海面風速的研究[J].海洋學報，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.低信噪比環境下短擴頻碼捕獲性能的改善[J].電訊技術，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反射信號處理基礎與實踐[M].北京：電子工業出版社，2012.

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