0 引言

    全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)不僅可以為用戶提供導航定位信息、授時等功能，其反射信號也可以被接收與處理。利用GNSS反射信號進行目標遙感測量的技術，被稱為全球導航衛星系統反射信號遙感技術(Global Navigation Satellite System-Reflections，GNSS-R)^[1]。通過處理GNSS衛星的反射信號，可以進行海面、地表、森林等參數的遙感探測與反演^[2-4]。中國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國自行研制的全球衛星導航系統。它可以進行全方位、多信號源、廣覆蓋、高分辨率的地表觀測實驗，為海洋、陸地、冰面等反射面的監測提供了更為可靠有效的方法，這也必將成為北斗系統應用的一個重要領域^[5]。

    反射信號的捕獲是GNSS-R技術中的關鍵。然而信號經反射面反射后，信號功率大幅度衰減，加大了反射信號的捕獲難度。對于反射信號的捕獲，通過加長積分時間提高信噪比。目前，常見的反射信號捕獲算法主要有相干非相干算法和差分相干捕獲算法^[6]。其中，相干積分對于信號增益的提升最為有效，但相干積分受限于導航數據跳變^[7]。本文針對北斗GNSS-R接收機，提出一種可以克服導航數據跳變的反射信號捕獲算法。

1 北斗衛星信號概述

    北斗衛星導航系統簡稱北斗系統，其空間星座由5顆地球靜止軌道(GEO)衛星、27顆中圓地球軌道(MEO)衛星和3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星組成。北斗衛星1～5號星屬于GEO衛星。GEO衛星播發D2導航電文，數據率為500 b/s。北斗衛星6～37號星屬MEO/IGSO衛星，播發D1導航電文，數據率為50 b/s，并調制有速率為1 Kb/s的二次編碼。D1導航電文上調制的二次編碼是指在速率為50 b/s的電文上調制一個NH碼。NH碼周期為20 ms，共20 bit信息位（0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0），碼速率為1 Kb/s，碼寬為1 ms，以模二加的形式與擴頻碼和導航信息碼同步調制^[8]。圖1為北斗信號二次調制原理圖。

2 反射信號捕獲算法研究

2.1 信號捕獲原理

    衛星信號的捕獲是對多普勒頻率及C/A碼的二維搜索過程，利用C/A碼的強自相關性，在二維搜索過程中找出一個自相關峰值，從而確定C/A碼相位偏移以及多普勒頻率信息。常見的捕獲搜索算法為頻率串行碼相位并行搜索，其處理框圖如圖2所示。

2.2 傳統反射信號捕獲算法

2.2.1 相干-非相干積分算法

    相干積分利用的是C/A碼的強自相關性，對N個C/A碼周期的相關值矩陣直接累積，數學表達式如下：

式中，y_k(t，f_d)表示第k個C/A碼相關值矩陣，t和f_d分別代表碼相位點和多普勒頻率。    

    相干積分增益可以表示為^[9]：

式中，B_b=1/T，T為相干積分時間。對于北斗信號，則B_W=4.092 MHz。式(2)表明，增加相干積分時間可以提高信號增益，由于導航數據和跳轉邊沿未知，使得相干積分時間不能無限增大，此時可以通過采用非相干積分的方式來提高信噪比。

    非相干積分是對N個相干積分結果進行模值平方后再求和[10]，數學表達式如下：

    非相干積分長度不受導航數據和跳轉邊沿影響，但是存在噪聲平方損失。文獻[11]分析了其增益和損耗，指出非相干次數在少的時候是有效的，但隨著累積次數的增多，損耗也會增加，總的處理增益會下降。

2.2.2 差分相干算法

    差分相干算法，其原理可概括為如下表達式：

    文獻[12]指出差分相干積分能夠減小平方損耗，對信噪比的提升優于非相干積分。

2.3 直射輔助式反射信號捕獲算法

2.3.1 直射信號與反射信號關系研究

    GNSS-R原理如圖3所示，接收機在接收衛星直射信號的同時也將接收反射信號。反射信號經由反射面反射后到達接收機。相對于直射信號而言，反射信號的傳播路徑有一個路徑延遲。北斗衛星直射信號與反射信號的數字中頻表達式如下：

    直射信號數學表達式：

式中，上標i表示衛星編號，A、x、D、f_d、τ、f和φ_i分別表示衛星信號幅值、C/A碼、導航數據碼、直射多普勒頻移、反射相對于直射的碼片延遲、反射相對于直射的多普勒偏移和載波初始相位。

2.3.2 基于直射輔助的反射信號捕獲算法

    GNSS-R接收機處理框圖如圖4所示。接收機基帶處理模塊分直射通道與反射通道。直射通道完成直射信號的捕獲跟蹤、導航解算與用戶定位。通過導航解算可求解出直射信號中的導航數據D(k)，D(k)取值為1或-1，使用D(k)剝離掉反射信號中的導航數據，則式(6)可改寫為：

    去掉導航跳變的反射信號就可以進行長時間的相干積分。在使用FFT做相關處理前，對已剝離掉導航跳變的數據進行周期性累加，再執行FFT相關操作，這樣可以降低FFT運算點數，從而極大降低長時間相干積分的運算量，提高反射信號捕獲速度?；谥鄙漭o助的反射信號快速捕獲過程如下：

    （1）以直射信號多普勒頻率為中心搜索頻率，對輸入的中頻北斗反射信號乘以正交本地載波，進行去載波操作。

    （2）利用直射信號中提取的導航數據對反射信號進行導航數據剝離，根據北斗衛星調制方式不同，分兩種情況：

    ①若為GEO衛星，則導航數據直接乘以反射信號。

    ②若為MEO/IGSO衛星，導航數據先調制NH碼，再與反射信號相乘。

    （3）對不含導航跳變的信號以一個C/A周期進行累加操作。

    （4）累加后信號進行FFT變換，與本地C/A的FFT變化的復共軛相乘，做IFFT變換之后取模值。

3 算法實驗仿真

3.1 實驗條件

    實驗選用矩陣電子的多星座導航信號模擬器（型號為GNS-8332）產生衛星信號。通過配置通道參數生成不同功率的北斗B1頻點衛星信號，仿真場景中可以設置給衛星加入多徑信號用以模擬該顆星的反射信號。反射信號相對于直射信號的功率衰減可以進行設置。采用萊特信息科技的多天線衛星中頻信號采樣器（型號為LT-C-002）進行數據采集；采樣頻率為20 MHz。信號中心頻率為2.902 MHz。

3.2 算法仿真

3.2.1 實驗一

    模擬器產生北斗1號衛星信號，直射信號功率設為-130 dBm，反射信號相對直射信號衰減10 dB，即功率為-140 dBm。反射信號相對于直射信號的碼片延遲為20個碼片。3種算法對北斗1號星的捕獲結果分別如圖5～圖7所示。

    實驗一仿真結果：3種捕獲方法所處理的數據長度均為20 ms。碼片分辨率均為1/4碼片。圖5～圖7所用捕獲方法分別為相干非相干積分、差分相干積分和直射輔助式相干積分，捕獲性能對比如表1所示。

3.2.2 實驗二

    模擬器產生北斗7號衛星信號，直射信號功率設為-130 dBm,反射信號相對直射信號衰減20 dB，即功率為-150 dBm。反射信號相對于直射信號的碼片延遲為20個碼片。3種算法對北斗7號星的捕獲結果分別如圖8～圖10所示。

    實驗二仿真結果：3種捕獲方法所處理的數據長度均為100 ms。碼片分辨率均為1/4碼片。圖8～圖10所用捕獲方法分別為相干非相干積分、差分相干積分和直射輔助式相干積分，捕獲性能對比如表2所示。

4 結束語

    本文在研究傳統反射信號捕獲算法的基礎上，利用直射與反射信號的關系提出一種適用于北斗GNSS-R接收機中的反射信號的捕獲算法，并進行了仿真，同時與相干非相干累積積分、差分相干算法做了對比。仿真結果表明，在捕獲-140 dBm信號時，3種算法的積分長度均為20 ms，本文算法的捕獲性能優于相干非相干算法13.98 dB，優于差分相干算法7.78 dB。捕獲-150 dBm的弱信號時，積分時間均為100 ms，傳統捕獲算法未能檢測到反射信號，本文算法正確檢測到反射信號。若采用更長的積分時間，則可以捕獲到更弱的反射信號。在利用GNSS-R技術進行目標反演時，該算法具有良好的應用前景。                 

參考文獻

[1] 李黃，夏青，尹聰，等.我國GNSS-R遙感技術的研究現狀與未來發展趨勢[J].雷達學報，2013，2(4)：389-399.

[2] CARDELLACH E，RUFFINI G，PINO D，et al.Mediterranean balloon experiment：ocean wind speed sensing from the stratosphere，using GPS reflections[J].Remote Sensing of Environment，2003，88(3)：351-362.

[3] RODRIGUEZ-ALVAREZ N，CAMPS A，VALL-LLOSSERA M，et al.Land geophysical parameters retrieval using the interference pattern GNSS-R technique[J].IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing，2010，49(1)：71-84.

[4] 周旋，葉小敏，于暘，等.基于GNSS-R的海面風速探測技術研究[J].電子與信息學報，2013，35(7)：1575-1580.

[5] 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.

[6] ELDERS-BOLL H，DETTMAR U.Efficient differentially coherent code/Doppler acquisition of weak GPS signals[C].IEEE Eighth International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications.IEEE，2005：731-735.

[7] 陳學，徐建華，葉甜春，等.基于FFT的微弱GPS信號捕獲算法[J].微電子學與計算機，2010，27(3)：98-101.

[8] 中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統信號接口控制文件公開服務信號（2.1版）[S].2013.

[9] 魯郁.北斗/GPS雙模軟件接收機原理與實現技術[M].北京：電子工業出版社，2016.

[10] 徐曉蘇，范金洋.GPS軟件接收機捕獲算法[J].中國慣性技術學報，2009，17(2)：165-169.

[11] LIN D M，TSUI J B Y，LIOU L L，et al.Sensitivity limit of a stand-alone GPS receiver and an acquisition method[C].Proceedings of International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation，2002：1663-1667.

[12] SCHMID A，NEUBAUER A.Performance evaluation of differential correlation for single shot measurement positioning[C].Proc.ION GNSS 2004，Long Beach，CA，2004：1998-2009.

作者信息:

楊  銳1，黃海生1，李  鑫1，曹新亮2

（1.西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安710121；2.延安大學 物理學與電子信息學院，陜西 延安716000）