基于GNSS-R 的移動目標探測技術研究

朱鵬飛，朱慶林，董翔，孫明晨

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引言

作為一種無源雷達，全球衛星導航反射信號(GNSS-R)系統自身不發射能量，而是利用目標反射的電磁信號對監測區域內的目標進行探測.相比于主動探測雷達，無源被動雷達具有以下優勢：首先，不需要向外發射能量，本身耗能小，同時不易被其他電磁信號探測設備探測到，戰場生存能力強；其次，具有功耗低、尺寸小、維護成本低等特性，能夠安裝在主動雷達無法安裝的位置；再次，具有雙基地雷達的特性，能夠對隱身目標進行探測；最后，具有成本低、安裝限制少等特性，能夠進行站網式布置，對民用滑翔飛機、無人機等目標進行監測.而全球衛星導航系統(GNSS)信號作為一種無源被動雷達信號源，具有其他信號源不具備的優勢.首先，GNSS 信號具有全球覆蓋、全天時、全天候工作、信號源豐富、信號結構公開等優勢；其次，相比于全球移動通信系統(GSM)、數字視頻廣播(DVB-T)等信號源，GNSS 信號源更加豐富.全球四大導航系統美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo 和我國的北斗衛星導航系統(BDS)，每個單獨的導航定位系統均能夠在任意時刻提供6～8 顆可視衛星[1].另外，作為一種微波信號，GNSS 信號能夠穿透密林等遮擋，在云、雨、霧等天氣仍能正常工作.

自1993 年Martin-Neria 首次提出GNSS-R 技術理論[2]，該技術經歷了三十年的發展.起初，GNSS-R技術主要用于海洋遙感，而在該領域已經具有了比較成熟的研究，在海面高度測量[3]、海面有效波高[4]、海面風場[5-6]、海水鹽度[7]、潮汐探測[8]等領域已得到廣泛應用.隨后，在陸面遙感方面，如土壤濕度[9-10]、積雪厚度[11]、植被覆蓋[12]等參數的遙感也逐漸取得眾多突破性進展.隨著我國北斗三號衛星導航系統(BDS-3)的全面建成，其完備的星座構成及良好的信號質量為GNSS-R 遙感提供了更加優越的硬件基礎.

近年來，基于GNSS-R 的目標探測技術逐漸成為新的研究熱點，探測目標主要分為海洋目標、陸地目標以及空中目標三大類.其中，海洋目標探測主要針對海冰、油污、滸苔以及大型船舶等海上漂浮物[13-15]；陸地目標探測主要針對建筑物、車輛等[16-17]；空中目標探測主要針對飛機等目標[18].本文基于GNSS-R信號遙感探測區域表面形狀特性變化的方法，進行移動目標的探測.相比與其他探測方法，該方法能夠得到較為準確的目標位置與高度信息，能夠對目標類型進行初步判定.

1 反演算法原理

1.1 信號傳播模型

GNSS-R 信號接收系統有兩個GNSS 信號接收天線，前者利用右旋圓極化(RHCP)天線接收來自導航衛星的直射信號，后者利用左旋天線接收經過地面反射后的信號.地面為較粗糙的GNSS 信號反射面，GNSS 信號經過地面反射后極化特性變為左旋圓極化(LHCP)，由于極化特性的變化，直射與反射信號接收天線接收到的信號互不干擾.同時，由于兩個天線距離近，可以忽略不同路徑傳播造成的電離層延遲和對流層折射效應.因此與自身信號唯一不同的是，反射信號經過目標區域的反射，信號中攜帶了目標探測區域的物理特征信息，本文主要對探測區域的高度特征進行監測.信號的傳播模型如圖1 所示.

圖1 信號傳播模型

從圖1 可知，由于GNSS 衛星距離地面非常遠，可以將傳播到地面的GNSS 衛星信號視為平行信號進行處理，根據鏡面反射原理，反射信號相對于直射信號的路徑延遲為

式中：H為接收機高度；? 為入射信號與地面的夾角(衛星仰角)；τ 為反射信號相比于直射信號的延遲時間；c為光速.

探測區域與天線的高度差為

式中，L0為目標進入前直射信號與反射信號的路徑延遲.

如圖2 所示，當目標進入探測區域后，鏡面反射點位置發生變化，探測區域高度為

圖2 目標進入探測區域后信號傳播模型

式中：h為移動目標頂部相對于基準面的高度；L為目標進入后直射信號與反射信號的路徑延遲.

1.2 信號處理流程

兩路信號接收天線接收到GNSS 信號后，經過前端射頻模塊進行濾波、下變頻、功率放大、A/D 采樣等處理，得到數字中頻信號，表達式為

式中：Ps為信號功率；C(t) 為CA 碼，其值為±1；D(t)為導航電文比特；τ 表示傳輸過程中造成的時間延遲；ωIF為中頻載波頻率；φ(t) 為 初始載波相位；n(t) 為白噪聲.

對直射信號數字中頻信號進行捕獲、跟蹤處理，得到當前時刻的碼相位、多普勒頻移等信息.基于直射信號碼相位和多普勒頻移信息產生本地載波信號與偽碼序列，并將本地信號與反射中頻信號進行相關處理.

數據處理流程如圖3 所示.

圖3 信號處理流程

2 實驗驗證

2.1 實驗場地

由于在山東青島地區BDS 衛星數量多，且多位于南方向，為了取得更好的實驗效果，選擇南側空曠的實驗場地進行實驗，實驗地點位于青島市城陽區某酒店樓頂，酒店坐北朝南，為一個三層建筑，建筑高度約為14 m，建筑前方為汽車行駛通道與花圃，如圖4 所示.

圖4 實驗場地實景圖(正視)

將信號接收天線(直射信號接收天線朝向天頂方向，反射信號接收天線朝向汽車行駛通道)放置于酒店樓頂南向矮墻上，GNSS 中頻信號采集器(將接收到的直射通道射頻信號與反射通道射頻信號通過濾波、放大、下變頻及模數轉換等處理轉換為中頻數字信號)與數據處理主機(用于設置接收信號頻點、采樣率、存儲位置、存儲數據大小與時長等信息，并存儲中頻數據)放置于酒店樓頂中央位置.其中信號接收天線與GNSS 中頻信號采集器之間使用10 m 長的射頻線纜連接，GNSS 中頻信號采集器與數據處理主機之間使用USB3.0 數據傳輸線連接，實驗場地布置如圖5 所示.

圖5 實驗場地示意圖(俯視)

2.2 實驗設備

實驗設備包括直射信號接收天線、反射信號接收天線、GNSS 中頻信號采集器、數據處理終端、實驗車輛以及其他連接線纜等，如圖6 所示.其中直射信號接收天線為RHCP 有源天線，直流供電電壓為5 V，仰角90°方向增益為6 dB，仰角20°時增益降低為0 dB；反射信號接收天線為LHCP 有源天線，直流供電電壓為5 V，仰角90°方向增益為5.5 dB，仰角20°時增益降低為0 dB；GNSS 中頻信號采集器為雙通道GNSS 信號同步采樣設備，支持 10 MHz、20 MHz、40 MHz 三種采樣頻率，采樣制式為I/Q 正交采樣，支持 4 bit 和8 bit 兩種數據位寬；數據處理終端使用華為PC 機，型號為MateBook D，具有兩個USB3.0 數據傳輸接口和一個USB2.0 數據傳輸接口，實驗車輛高1.5 m、寬1.8 m、長4.5 m.

圖6 實驗場景

2.3 實驗步驟

實驗設備搭建完成后，打開數據采集軟件(數據采集軟件可以選擇通道使能、數據采集頻段、信號帶寬、速率、數據位寬等).由于山東青島地區可視BDS衛星通常情況下多于GPS 衛星，且BDS 信號帶寬較大(測量精度高)，設定采集頻段為1 561 MHz，信號帶寬為2 MHz，采樣速率為40 MHz，數據位寬為4 bit.其中通道1 連接直射信號接收天線，通道2 連接反射信號接收天線，數據采集軟件界面如圖7所示.

圖7 數據采集界面

實驗車輛沿酒店內部道路行駛，實驗車輛共三次經過信號接收天線正前方.數據采集過程中，錄制實驗過程，視頻錄制時間對應數據采集時間，以便后期進行對應.

2.4 實驗數據處理

對接收到的GNSS 信號進行處理，得到實驗位置BDS 衛星星空分布圖，如圖8 所示.

圖8 BDS 衛星星空圖

BDS 星空圖結合場地實際情況，選用鏡面反射區域位于汽車行駛通道的衛星信號，27、28、40、30 號衛星均位于北向，無法滿足實驗要求，7、8、38、46 號衛星仰角較大，鏡面反射區域位于酒店門口，即汽車無法行駛到達的位置，60、2、13 號衛星鏡面反射區域位于右側停車場區域，1、59 號衛星鏡面反射區域位于花圃中，只有3 號衛星鏡面反射區域位于汽車行駛通道位置.這里使用BDS-3 衛星作為信號源.表1 為根據數據處理得到的BDS-3 同步衛星仰角、方位角信息計算得到的天線高度及鏡面反射區域信息.

表1 導航衛星仰角與方位角

經過計算，得到鏡面反射區域位置，通過查看實驗視頻，得到車輛經過鏡面反射區域的時間分別為60～78 s、117～135 s、180～205 s.

2.5 實驗結果

數據處理過程中，為獲得更加詳細的高度信息，每秒鐘對監測區域進行8 次高度測量，實驗處理結果如圖9 所示.

圖9 數據處理結果

由圖9 可知，在目標進入探測區域后，反射信號相對于直射信號的路徑延遲發生了明顯變化.實驗結果中出現路徑延遲變化的時間段與實驗記錄中目標進入探測區域的時間段一一對應.去除數據中野值信息，平滑后路徑延遲為2.24 m，經過計算，目標物體高度為1.516 m、誤差為1.6 cm.由于轎車高度通常為1.4～1.6 m，SUV 汽車高度通常為1.7 m，公交車高度通常為2.5～3.5 m，可以初步判斷出移動目標類型為轎車，與實際情況相符.

由于接收天線經緯度已知，以天線坐標為基準，計算目標位置坐標.目標經緯度坐標為：

式中：L為目標與測量天線之間的距離；β 為衛星仰角；θ 為目標方位；R為地球半徑；α 為天線位置緯度.

經過計算，目標位置為(36°14′34.544 9″N，120°24′40.498 1″E).

3 結束語

基于GNSS 信號的反射特性，本文提出了一種利用信號傳播路徑延遲探測移動目標的新方法.通過分析GNSS 衛星、探測區域與接收天線之間的幾何構型，并利用直射通道捕獲跟蹤信息作為參考提取直反射通道信號相位延遲，對監測區域高度特征進行計算，分析探測區域是否出現移動目標.并進行了驗證實驗，實驗結果表明，該方法能夠有效進行移動目標的探測并精確計算目標高度及位置信息.