基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收机

摘要

本发明公开一种GNSS-R延迟映射软件接收机，包括直射通道、码生成模块、载波生成模块、BAP处理模块与相关模块。通过直射通道对直射数字中频信号进行捕获和跟踪，并通过码生成模块生成本地码。通过载波生成模块生成本地载波对反射信号进行载波剥离；通过BAP处理模块对载波剥离后的反射信号进行L块，长度为1ms的分块、并对这L块分块进行叠加、平均，实现白噪声抑制和非镜面反射点的信号分量抑制，然后将BAP处理后的信号与本地码通过相关模块进行相关处理，输出一维相关功率。本发明具有白噪声抑制和非镜面反射点信号分量抑制，计算复杂度小等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GNSS-R（Global Navigation Satellite system- Reflectometer）技术的延迟映射（Delay Mapping）软件接收机，具体来说， 是一种基于BAP（Block Averaging Pre-Processing）方法的GNSS-R延迟 映射软件接收机，该接收机输出的一维相关功率主要可用于海面测高。

背景技术

利用GNSS反射信号进行海洋遥感是卫星遥感技术的新型技术之一，是一 种被动式双基或多基遥感技术。GNSS-R遥感技术通过岸基、机基或空基的特 殊接受设备接受经地球表面反射的GNSS信号，利用相关处理技术得到反射面 对应的一维时延相关功率或二维时延-多普勒相关功率，然后通过一定的反演方 法得到地球表面的物理参数。

延迟映射接收机（DMR）是接受、处理GNSS反射信号的一种特殊装置， 采用相关解扩的处理方法。由于GNSS反射信号经历的路径比GNSS直射信号 长，并经历了地球表面的吸收和散射，信号强度比直射信号弱，如何提高延迟映 射接收机的处理增益和提高测量精度是其研究的重点和关键技术之一。通常提高 处理增益的方法是延长相关积分时间或进行相干累加，但是随着相关积分时间的 延迟和相干累加次数的增多，接收机的计算复杂度和处理时间相应增加。

发明内容

为解决上述问题,本发明提出一种基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收 机GNSS-R延迟映射软件接收机，通过BAP方法——利用GNSS测距码的周 期属性，对接受的数字中频信号以CA码周期1ms为长度进行分块，通过叠加 平均的方法对所有分块进行叠加平均预处理，然后对预处理后的信号进行相关处 理输出一维相关功率。

本发明基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收机，包括直射通道、码生成 模块、载波生成模块、BAP处理模块与相关模块。

所述直射通道用来对直射数字中频信号进行捕获和跟踪；通过跟踪精确得到 直射数字中频信号的码相位τ_d和载波多普勒值f_d。

所述码生成模块将码相位τ_d与码相位延迟补偿量Δτ之和作为初始码，生成 模块生成本地码。

所述载波生成模块用来产生本地载波，对反射信号进行载波剥离。

所述BAP处理模块用来对进行载波剥离后的反射信号进行处理，具体方式 为：

令载波剥离后的信号为：

其中，A(x,y)、τ(x,y)、分别为(x,y)反射单元对应的反射信 号幅度、码延迟、载波剥离后的载波残余量、载波剥离后的相位；n为采样点 序列，取值0，1，2，…；Ts为采样周期；CA(n)为CA码；j为虚数；

对载波剥离后的反射信号进行分块，分块数目设置为L<20，每块的长度等 于CA码周期1ms；每块中的采样点数为N个；

则第i块中的采样数据为：

将每块中的采样数据进行叠加以及平均处理，得到输出信号为：

所述相关模块具有4M个相关器，M为本地生成码的延迟码片数；4M个相 关器分别用来对BAP处理后的信号与本地码进行相关运算，输出一维的相关功 率〈|Y(m)|²〉为：

$⟨{\left|Y\left(m\right)\right|}^2⟩=\int A^2(x,y){\Lambda }^2(m-\tau (x,y)){\sin c}^2\left(\pi \right[f\widetilde{\left(\mathrm{0,0}\right)}-f\widetilde{(x,y)}\left]T_s{T}_{\mathrm{coh}}\right)|H\left(f\widetilde{(x,y)}\right){|}^2\mathrm{dxdy}---\left(4\right)$

其中，T_coh为相关积分时间，本发明中T_coh为1ms；Λ(τ)为CA码自相关函 数；m为码延迟序列，m=0,1,…,4M-1，表达式为：

$H\left(f\widetilde{(x,y)}\right)=\frac{1}{L}{\Sigma }_{i=0}^{L-1}{e}^{e^{j2\mathrm{\pi f}\widetilde{(x,y)}i{\mathrm{NT}}_s}}=\frac{1}{L}\left[\frac{\sin \left(\mathrm{\pi f}\widetilde{(x,y)}{\mathrm{NLT}}_s\right)}{\sin \left(\mathrm{\pi f}\widetilde{(x,y)}{\mathrm{NLT}}_s\right)}\right]e^{\mathrm{j\pi f}\widetilde{(x,y)}N(L-1)T_s}---\left(5\right)$

本发明的优点在于：

1、本发明基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收机，通过设置分块数目 L，可以处理比一般反射信号信噪比低的信号，有效抑制白噪声，提高接收机处 理增益；

2、本发明基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收机，通过设置分块数目 L，在海面测高应用中，可以有效抑制非镜面反射点处的反射信号分量，提高测 高精度；

3、本发明基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收机，在处理增益相等条 件下，与延迟相关积分时间的方法相比，可以有效降低计算复杂度。

附图说明

图1为本发明于BAP方法的GNSS-R延迟软件接收机框图

图2为本发明中BAP处理模块处理方式示意图；

图3为BAP模块的幅频特性。

具体实施方式

本发明基于BAP的GNSS-R延迟映射软件接收机，初始输入分别为经过 RHCP和LHCP天线接收、射频前端放大、下变频、AD采样后的直射GNSS 数字中频信号和反射GNSS数字中频信号。

如图1所示，本发明GNSS-R延迟映射软件接收机，包括直射通道、码生 成模块、载波生成模块、BAP处理模块、相关模块。

所述直射通道用来对直射数字中频信号进行捕获和跟踪；通过跟踪精确得到 直射数字中频信号的码相位τ_d和载波多普勒值f_d；为后续处理中载波生成和码生 成提供参考值。

所述码生成模块将码相位τ_d与码相位延迟补偿量Δτ之和作为初始码，步长 设置为chip/4；其中，chip为码长293.25m，进而通过码生成模块生成本地 码。对于处理岸基数据的软件接收机而言，码相位延迟补偿量Δτ=0；对于处理 机载的软件接收机而言，Δτ为：

Δτ=2h·sinθ

其中，h为飞机高度，θ为GNSS卫星仰角；对于处理星载数据的软件接收 机而言，Δτ为：

$\mathrm{\Delta \tau }=\frac{|R-S|+|T-S|-|R-T|}{c}$

其中，R为LEO卫星坐标，通过导航接收机或其他定轨方式得到；T为GNSS 坐标，通过解析GNSS导航电文得到；S为镜面反射点坐标，可以由R、T通过 一定镜面反射点估计算法得到；c为光速299792458m/s。

所述载波生成模块用来产生本地载波，对反射信号进行载波剥离。本地载波 的频率为f_IF+δf，其中，f_IF为反射信号数字中频频率，δf为直射信号多普勒频率 f_d与频率补偿量Δf之和；对于处理岸基数据的软件接收机而言，码相位延迟补偿 量Δf=0；对于处理机载和星载数据的软件接收机而言，Δf为：

Δf=[v_t·p-v_r·q-(vt-vr)·u_tr]/λ

其中，v_t，v_r分别为GNSS卫星和数据接受平台（飞机，LEO卫星）的运 行速度；p，q分别为入射波和反射波的单位方向矢量；u_tr为GNSS卫星和接受 平台之间的单位矢量。

所述BAP处理模块用来对进行载波剥离后的反射信号进行处理，具体方式 为：

令载波剥离后的信号为：

其中，A(x,y)、τ(x,y)、分别为(x,y)反射单元对应的反射信 号幅度、码延迟、载波剥离后的载波残余量、载波剥离后的相位。N为采样点 序列，取值为0，1，2，…；Ts为采样周期；CA(n)为CA码；j为虚数。上述 反射单元的镜面反射点位于（0、0）处；

对载波剥离后的反射信号进行分块，分块数目设置为L<20，每块的长度等 于CA码周期1ms；每块中的采样点数为N个，如图2所示。

则第i块中的采样数据为：

将每块中的采样数据进行叠加以及平均处理，得到输出信号为：

令

$H\left(f\right)=\frac{1}{L}{\Sigma }_{i=0}^{L-1}{e}^{e^{j2\mathrm{\pi f}\mathrm{inN}}}=\frac{1}{L}\left[\frac{\sin \left(\mathrm{\pi f}{\mathrm{NLT}}_s\right)}{\sin \left(\mathrm{\pi f}{\mathrm{NLT}}_s\right)}\right]e^{\mathrm{j\pi f}N(L-1)T_s}---\left(4\right)$

则式（3）可写为：

其中，H(f)的幅频特性如图3所示；由H(f)幅频特性可看出，通过BAP模 块对波剥离后的信号进行处理的过程实际是一个滤波过程。当L较大时，通过设 定频率补偿量Δf，使镜面反射点处的对于非镜面反射点处的反射 分量，通过BAP处理，得到了很好的抑制，在海面测高应用中，可以有效提高 反射信号相对于直射信号延迟的测量精度。

上述对载波剥离后的反射信号进行分块，假设输入信号的加性噪声为w(n)， 是均值为0，方差为σ²的高斯白噪声，则经过BAP处理后的输出信号噪声为：

$\overline{w\left(n\right)}=\frac{1}{L}{\Sigma }_{i=0}^{L-1}w(n+\mathrm{iN})---\left(6\right)$

根据白噪声特点，各个采样点相互独立，各分块相互独立，BAP处理后的 输出信号的噪声方差为：

$\overline{{\sigma }^2}=\frac{1}{L}{\sigma }^2---\left(7\right)$

令反射单元(x,y)对应的信号分量的信噪比为SNR(x,y)_in，经过BAP处理后 的反射单元(x,y)对应的信号分量的信噪比为SNR(x,y)_out，则BAP模块的处理增 益为：

$G_{\mathrm{BAP}}(x,y)=\frac{\mathrm{SNR}{(x,y)}_{\mathrm{out}}}{{\mathrm{SNR}(x,y)}_{\mathrm{in}}}=\frac{A^2(x,y)/{\sigma }_2}{A^2(x,y)|H{\left(f\left(\widetilde{x,y}\right)\right)|}^2/\overline{{\sigma }^2}}=10\mathrm{lgL}{\left|H\left(f\left(\widetilde{x,y}\right)\right)\right|}^2---\left(8\right)$

由于BAP处理具有滤波作用，对于镜面反射点处的信号分量，其处理增益 与L ms的相关累加的增益相同，有效提高了信噪比，但是非镜面发射点处的信 号分量，其增益下降，有效抑制了非镜面反射点处的信号分量。

所述相关模块具有4M个相关器，M为本地生成码的延迟码片数；4M个相 关器分别用来对BAP处理后的信号与本地码进行相关运算，信号处理延迟为Z^-1， 输出一维的相关功率〈|Y(m)|²〉为：

$⟨{\left|Y\left(m\right)\right|}^2⟩=\int A^2(x,y){\Lambda }^2(m-\tau (x,y)){\sin c}^2\left(\pi \right[f\widetilde{\left(\mathrm{0,0}\right)}-f\widetilde{(x,y)}\left]T_s{T}_{\mathrm{coh}}\right)|H\left(f\widetilde{(x,y)}\right){|}^2\mathrm{dxdy}---\left(9\right)$

其中，T_coh为相关积分时间，本发明中T_coh为1ms；Λ(τ)为CA码自相关函 数。m为码延迟序列，m=0、1、……、4M-1。

假设处理Lms数据，本发明GNSS-R延迟映射软件接收机，经过BAP处 理的反射中频信号与本地码进行相关运算的计算量为4M（N-1）次加法运算， 4MN次乘法运算；而若未经BAP处理，直接对相同数量的采样点与本地码进行 相关运算的计算量为4M（LN-1）次加法运算，4MLN次乘法运算；BAP处理 计算量为（L-1）N；综上可见，在处理增益相等条件下，与延迟相关积分时间 的方法相比，可以有效降低计算复杂度。