基于GNSS-R体制的单源信号处理技术

侯若涵，尚社，宋大伟

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

基于GNSS-R体制的单源信号处理技术

侯若涵，尚社，宋大伟

（中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100）

GNSS-R是以GPS卫星作为外辐射源的无源探测系统，本文研究了GNSS-R体制下的信号模型，提出了一种基于直达通道信息的反射通道信号数据位校准算法，依据此对反射通道实测信号进行校准，消除数据为跳变对积累结果的影响。在上述基础上研究比较了长码积累与分组码积累的性能，分析了卫星平台及目标运动下单源信号的有效积累时间，在此基础上提出了基于直达通道信息的反射信号补偿算法，通过对实测信号处理结果表明可以有效提高信号积累峰值。

GNSS-R；单源；估计；补偿；积累

GPS信号的地面到达功率较弱，大约在-153 dBW到-160 dBW之间[2]，GNSS-R体制下经过二次散射的GPS信号功率更低，这就对GNSS-R体制下目标检测提出了很大挑战。本文研究了GPS信号模型，提出了基于直射信号信息的反射通道信号数据位校准算法，研究并比较了长码积累与分组码积累的性能，分析了卫星平台以及目标运动对积累的影响，依据此提出了反射通道信号补偿算法，通过对GNSS-R实验中实测数据的处理，结果表明该算法能显著提升目标回波信噪比。

本文首先研究了GNSS-R体制下的信号模型，在第2节依据此提出了数据位跳变校准算法，在第2节基础上，第3节研究了卫星运动对信号的影响，根据卫星的运动对反射通道信号进行补偿后再进行非相干积累，实测数据结果表明能够有效提高积累性能。

1 GNSS-R系统构成原理

基于GNSS-R的目标探测系统模型[2]如图1所示，双基地系统发射站为GPS卫星，地面接收站接收来自该GPS卫星的直射信号和经过目标散射的反射信号。

这样，GPS卫星信号在数学上表述为

式中P是发射信号功率，C(t)是带宽为1.023 MHz的粗码（C/A码），D(t)是带宽为50 Hz的卫星导航数据，ω0=2πf0，f0为1 575.42 MHz的载频，ϕ0是信号初始相位。

图1 双基地模型

故直达波通道收到的信号为：

式中Pd是直达波信号功率，τd是信号从卫星到雷达接收机的传播时间τr=Rd/c，忽略空间电离层对信号产生的时延误差。

同理可推导出反射通道的中频信号为：

式中Pr是反射信号功率，τr是信号从卫星到目标被其反射到达雷达的传播时间τr=((R1+R2)/c)，ωd是目标产生的多普勒频差，ϕr2是反射中频信号初始相位。

接收站通过直达波天线接收来自GPS卫星的直射信号，通过反射波天线接收来自目标散射的GPS反射信号，由于反射信号信噪比较低，选取一个数据位长度即20 ms作为处理单元，数据位跳变的影响在后面会被去掉，根据直达波信号处理后得到的数据位、码偏、多普勒频偏等信息对反射通道信号进行时频二维联合处理，最后将多个处理单元的信号进行积累。

2 基于直达通道信息的反射信号数据位跳变校准算法

GPS信号为伪码与数据码二次调制信号，C/A码具有良好的自相关性能，故利用类似GPS信号的捕获算法，通过遍历1 023个码相位得到的峰值即为反射信号码偏，由于数据码调制的存在，去掉C/A码的20 ms反射通道信号为：

忽略多普勒频偏以及相位偏移，上式简化为:

Sif为20 ms载波信号，将上式转换到频域为：

由上面可推得D()t为符号函数sgn，其可表示为：

经过傅里叶变换，D()t的幅频响应为：

显然，Sp(w)经过与D(w)卷积后在频域展宽，频域积累增益有所衰减，故需要对反射通道信号数据码精确估并去掉数据码对载波的调制，如果未准确估计，则去数据后反射通道信号为：

其中τr1为未准确估计的数据码时延，类似前面的分析，(w)与D(w)卷积后在频域展宽，故只有当估计的数据码与反射信号数据码完全对齐时频域积累达到最大值。

如图1所示反射通道路径长为Rr1+Rr2，直达通道路径长度为Rd，假设接收站距目标距离为300km，即Rr2为300 km，根据定理有：

由式（10）得，

其中c是电磁波传播速度，c=3×108m/s，由式（12）、（13）可得当接收站距离目标距离小于300 km时，反射通道与直达通道信号时延小于2 ms，GPS信号中数据码速率为50 Hz，即一个数据码元长20 ms，延迟仅在一个数据码元内，故反射通道数据码可估计，因为调制在载波上的C/A码是周期为1 ms的循环码，所以考虑以1 ms为延迟搜索单元，对20 ms反射数据进行0 ms、1 ms、2 ms 3种延迟，并在不同延迟下搜索其C/A码码偏，以20 ms为信号处理单元对所有反射数据重复上述步骤并按延迟不同进在频域行分组积累，算法框图如图2所示，用该算法处理实测数据80 ms，处理结果如图3所示。

由实测数据处理结果可看出基于直达通道的本地数据码延迟与延迟1 ms的反射数据刚好对齐，频域积累达到最大值。

图2 反射信号数据位校准算法

图3 实测数据处理结果

3 基于分组码的反射信号补偿积累算法

C/A码具有良好的自相关性能，然而GPS卫星的运动导致反射通道信号中的C/A码被拉伸或者压缩，在GNSS信号捕获中的多普勒搜索范围为fd=±10 kHz，可推出C/A码多普勒：

其中λC/A为C/A码码片长度，λC为载波波长，由式（15）可得150 ms反射通道信号就会偏移一个码片的长度，导致自相关性能急剧下降，多普勒频偏会造成码自相关性能急剧下降大约10～11 db，所以提出一种基于分组码的积累算法，将直达通道与反射通道的数据分成20 ms为一个单元的短数据，根据直达通道不同数据单元捕获到的码偏转对反射通道不同数据单元进行相应的偏转，从而校正卫星运动引起的码片偏移，算法原理框图如图4。

图4 基于分组码的反射信号积累算法原理框图

取直达通道实测数据80 ms即4个数据单元，跟踪这4个数据单元的码片时延，如图5所示，同时取反射通道实测数据80 ms即4个数据单元，跟踪这4个数据单元的码片时延如图6所示。

图5 直射信号码片时延

图6 反射信号码片时延

分析直达通道码相位偏转与反射通道码相位偏转，显然，基于直达通道估计反射通道码偏转是准确的，故可以通过直达通道得到的码相位偏转对反射通道进行补偿积累。对反射通道实测数据进行补偿和不补偿两种方法的积累，图7为未经过补偿的积累结果，图8为基于直达通道对反射通道补偿后的积累结果。

图7 未经过补偿的积累结果

图8 经过补偿的积累结果

显然，反射通道数据经过补偿后，积累结果好于未经过补偿的反射通道数据。

4 结 论

本文研究了GPS信号模型，提出了基于直射信号信息的反射通道信号数据位校准算法，通过实测数据仿真验证了反射通道数据位校准算法的可行性，研究并比较了长码积累与分组码积累的性能，分析了卫星平台以及目标运动对积累的影响，依据此提出了基于直达通道反射通道信号补偿算法，通过实测数据处理结果证明补偿过后的信号积累效果更好。

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The processing technology of single source signal based on GNSS⁃R system

HOU Ruo⁃han，SHANG She，SONG Da⁃wei
（Xi’an Institute of Space Radio Technology，Xi’an710100，China）

GNSS-R is a passive radar system using GPS signals，prior research using these signals has been limited by low signal power of the reflected GPS signals.In this paper，a processing technology of single GPS satellite signal in the passive detection system was proposed.The model of GNSS-R system was introduced with an analysis of GPS signal at first，then a method for the calibration of data codes was proposed，this method improves accumulation performance，after that the result of Long code accumula⁃tion was compared with the result of short codes accumulation，on the basis of this，the compensation al⁃gorithm of the reflection channel signal based on the information of the direction channel is proposed in this paper，the real experiment data shows that this compensation algorithm Enhance the performance.

GNSS-R；single source；estimation；compensation；accumulation

TN95

A

1674-6236（2017）22-0124-04

2016-09-12稿件编号：201609129

侯若涵（1992—），男，陕西宝鸡人，硕士研究生。研究方向：信号与信息处理。