BD3信號多天線GNSS-R海冰延遲映射接收機設計

郝嘉琪　王先毅　孫越強　王冬偉　蔡躍榮　夏俊明　田羽森

摘 ?要： 文中介紹一種多天線海冰接收機的整體架構以及其在多極化海冰探測領域的應用。在此基礎上系統描述其軟硬件的設計，給出直射通道、反射通道和控制系統的詳細設計方案及具體實現。針對“北斗三號”B1C新信號的特點，設計并實現一種利用“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功率，同時對比B1C與B1I反射信號的相關結果，驗證設備可以正常工作。

關鍵詞： 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

中圖分類號： TN827+.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0008?05

Design of multi?antenna GNSS?R sea?ice delay mapping receiver of BD?3 signal

HAO Jiaqi1，2，3， WANG Xianyi1，3，4， SUN Yueqiang1，2，3，4， WANG Dongwei1，3，4，

CAI Yuerong1，3，4， XIA Junming1，3，4， TIAN Yusen1，2，3

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China;

2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situational Awareness Technology， Beijing 101499， China）

Abstract： The overall architecture of multi?antenna sea?ice receiver and its application in the field of the multi?polar sea?ice detection are introduced. On this basis， its hardware and software design are described systematically， the detailed design scheme and concrete realization of the direct channel， reflection channel and control system are given. In allusion to the characteristic of the new signal B1C of the BeiDou navigation satellite system 3 （BDS?3）， a method using BeiDou?2 B1I signal to assist BDS?3 B1C reflected signal processing is designed and implemented. The preliminary test of reflected signal reception was carried out. In the experiment， the reflected signals of different polarizations were received， the correction power was observed by means of the upper computer software， and the correlation results between B1C and B1I reflection signals were compared. All these verify that the equipment can work normally.

Keywords： delay mapping receiver; sea?ice detection; GNSS?R; BD?3 signal; reflection signal; preliminary testing

0 ?引 ?言

GNSS?R（Global Navigation Satellite System Reflecto?

metry）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導航衛星系統（GNSS）的衛星信號，測量其相對延遲和幅度變化，以實現對地球表面各種物理參數的探測和反演。GNSS?R技術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、監測便利、信號源豐富、接收設備簡單輕便、價格低、實時性強等優勢[2]。近年來，GNSS?R技術及其應用發展迅速，具有代表性的項目有英國的UK?DMC，TDS?1、美國的CYGNSS星座等。

2018年底“北斗三號”系統基本完成建設，開始提供全球服務，到2020年將會實現整個星座的完全部署[9]。“北斗三號”系統在B1頻段（1 575.42 MHz）上增加B1C信號。B1C信號采用BOC調制方式，滿足B1頻點與[L1E1]頻譜兼容性的要求，增加了帶寬，提高了抗干擾能力。B1C信號的自相關譜圖具有多峰特點，相關峰更加尖銳，抗多徑和碼跟蹤性能更好。B1C信號由數據（data）分量和導頻（pilot）分量兩部分組成，其信號結構為：

[sB1Ct=sB1C_datat+jsB1C_pilott] （1）

式中，數據分量和導頻分量可分別由式（2）、式（3）表示。

[sB1C_datat=12DB1C_datatCB1C_datatscB1C_datat] （2）

[sB1C_pilott=32CB1C_pilottscB1C_pilott] ?（3）

式中：[DB1C_datat]為導航數據;[CB1C_datatCB1C_pilott]與[scB1C_datatscB1C_pilott]分別是兩個分量的測距碼和副載波。

B1C信號數據分量和導頻分量的功率比為1∶3，其導頻分路的副載波包含2個雙相子載波，因此B1C信號實際上由3個分量組成[10]，其調制特性如表1所示。

B1C信號的偽碼周期為10 ms，能夠進行更長時間的相干積分，可以提高在信號較弱情況下的檢測概率。但受偽碼長度的影響（B1C是B1I碼長的10倍碼，為10 230碼片），B1C碼的捕獲速度較慢，并且跟蹤環節會大量占用FPGA中的資源（B1C跟蹤資源的占用約為B1I信號的4倍），對硬件要求較高。因此，本文提出了一種利用“北斗二號”B1I信號輔助接收“北斗三號”B1C反射信號的方法，具體實現過程如圖6所示，采用的本地偽碼為B1C的pilot通道偽碼。B1C的頻率計算可由式（5）得出。

[fIF_B1C=fIF_B1C_STD+fRF_B1CfRF_B1IfIF_B1I-fIF_B1I_STD] （5）

式中：[fIF_B1C]為預測的B1C載波中頻頻率;[fIF_B1I]為接收到的B1I信號的實際載波中頻頻率;[fIF_B1C_STD]與[fIF_B1I_STD]分別為B1C與B1I信號的基準載波中頻頻率;[fRF_B1C]與[fRF_B1I]分別為B1C與B1I信號的射頻頻率。

對于同一顆衛星發出的信號，B1C反射信號處理利用了B1C信號與B1I信號的時間相關性。在B1I信號完成位同步后，利用B1I信號相位生成本地B1C信號，經過延遲后與剝離載波的反射信號進行相關以生成延遲映射。B1C反射信號相對于直射B1I信號的延遲為：

[τ=2Hsinθ] （6）

式中：H為天線距離反射面的高度;θ為衛星仰角。此方式不需要直接進行B1C信號的捕獲與跟蹤，減少了硬件資源的使用。

4 ?初步測試結果

為了檢驗海冰延遲映射接收機的設計，在懷柔水庫對該接收機進行了初步實驗。接收機天線架放和接收機實物如圖7所示，天線放置高度大約為25 m，直反天線與水平面的夾角均為45°。上位機軟件界面如圖8所示，軟件中顯示了接收到的GPS/北斗直射衛星實時定位結果，右下角顯示了不同衛星對應不同天線的反射相關功率（碼延遲取[-12] chip，0，[12] chip三個點），ANT1?4分別對應左旋、右旋、水平、垂直極化天線。以“北斗六號”為例，其衛星仰角約為61.88°，各反射天線接收到的信號如圖8右下角的曲線所示。

圖9為接收到的B1I信號與B1C信號的相關結果，為了檢驗B1C信號處理，在接收時將反射通道配置成多級延遲以覆蓋整個碼片。接收到的B1C反射信號相關圖表現出明顯的BOC調制多峰特性，通過對比可知B1C信號的相關峰值比B1I信號高出許多，主峰也更加尖銳，有利于反射信號觀測。

5 ?結 ?語

本文介紹一種多天線GNSS?R海冰延遲映射接收機的軟硬件設計，并通過初步實驗證明了其可以同時接收多路天線信號，同時實現了“北斗三號”B1C反射信號的接收。

本儀器后續將在北極進行海冰的長期觀測，其數據及其處理結果將在后續論文中進一步描述。

注：本文通訊作者為王先毅。

參考文獻

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作者簡介：郝嘉琪（1995—），男，碩士，研究方向為GNSS軟件設計。

王先毅（1982—），男，研究員，碩士生導師，主要從事GNSS無線電遙感研究。

孫越強（1963—），女，研究員，博士生導師，主要從事GNSS空間遙感及天基空間環境探測技術研發。