摘 要： 文中介紹一種多天線海冰接收機的整體架構(gòu)以及其在多極化海冰探測領(lǐng)域的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)描述其軟硬件的設(shè)計，給出直射通道、反射通道和控制系統(tǒng)的詳細設(shè)計方案及具體實現(xiàn)。針對“北斗三號”B1C新信號的特點，設(shè)計并實現(xiàn)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(guān)功率，同時對比B1C與B1I反射信號的相關(guān)結(jié)果，驗證設(shè)備可以正常工作。

　　關(guān)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

　　0 引 言

　　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?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的衛(wèi)星信號，測量其相對延遲和幅度變化，以實現(xiàn)對地球表面各種物理參數(shù)的探測和反演。GNSS?R技術(shù)可用于探測海面風(fēng)場與高度、海冰、土壤濕度、目標(biāo)檢測等[1]，具有測量精確、監(jiān)測便利、信號源豐富、接收設(shè)備簡單輕便、價格低、實時性強等優(yōu)勢[2]。近年來，GNSS?R技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)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。

　　在海冰探測領(lǐng)域，Attila Komjathy等人于2000年首次進行了GNSS?R機載海冰觀測實驗，結(jié)果顯示可以通過GPS反射信號反射系數(shù)之間的差異來區(qū)分海水和海冰。Gleason等人將空間探測到的GPS海反射信號與美國對海冰的觀測數(shù)據(jù)進行對比，說明了星載設(shè)備接收到的GPS反射信號具有探測海冰的潛力[3]。Alonsoarroyo等人利用英國TDS?1衛(wèi)星獲得的GNSS?R數(shù)據(jù)，闡述了基于延遲多普勒映像(DDM)進行極地海冰探測的方法[4]。在國內(nèi)，張云等人于2013年分析了歐空局的格陵蘭島實驗數(shù)據(jù)，證明了可以通過直反信號極化比進行海水和海冰的區(qū)分[5]。尹聰?shù)热擞涗浟藝鴥?nèi)首次利用GNSS?R測量渤海海冰的岸基試驗，通過三層輻射模型模擬了GNSS信號在海面或冰面的反射過程，得到了信號的反射率及衛(wèi)星仰角與海冰厚度的關(guān)系[6]。

　　國內(nèi)的GNSS?R海冰探測受限于儀器設(shè)計，通常僅接收單極化反射信號，觀察其與直射信號的區(qū)別來探測海冰。實際上，不同極化信號的海冰反射率相差巨大，如圖1所示(海冰復(fù)介電常數(shù)取4.0-j0.14)。因此，同時接收多極化信號有助于獲取更多的海冰信息。如文獻[7]提出，GNSS?R水平極化和垂直極化的相位差與海冰厚度相關(guān)性明顯。Fran Fabra等利用多極化GNSS?R信號的相位延遲觀測海冰厚度的改變，反演了海冰的形成和消融過程[8]。另一方面，“北斗三號”作為中國自主研發(fā)的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，具有衛(wèi)星數(shù)量多、頻譜寬、精度高、抗干擾能力強等特點，適合用于GNSS?R觀測，但國內(nèi)具有“北斗三號”信號接收能力的GNSS?R儀器較少。

　　針對多極化觀測需求，本文介紹了一種多極化GNSS?R接收機的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)。本接收機最多可以同時接收5路射頻信號，其中，1路直射信號用于接收機定位，其他4路可以同時接收來自于右旋、左旋、垂直、水平極化反射天線的信號。同時，針對“北斗三號”信號的接收，本文介紹了一種基于B1I信號輔助的”北斗三號”B1C新信號延遲映像信號處理方法的設(shè)計與實現(xiàn)。接收機經(jīng)過了初步測試，對多極化信號和“北斗三號”B1C信號的接收功能進行了驗證并給出了初步結(jié)果，后續(xù)將用于北極海冰的長期觀測。

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

　　海冰延遲映射接收機由天線、射頻、基帶板、上位機四部分組成。其系統(tǒng)構(gòu)成見圖2。本儀器配備1副右旋圓極化定位天線以及左旋、右旋、垂直、水平極化的4副反射天線，天線的峰值增益均約為6 dBi。天線接收的信號輸入到射頻模塊，其主要作用是對接收到的信號進行干擾濾波、低噪聲放大、下變頻和鏡像抑制濾波以得到中頻信號，可以同時接收頻點為GPS L1(1 575.42 MHz)、BD B1C(1 561.098 MHz)、BD B1I(1 575.42 MHz)的信號。基帶板采用DSP+FPGA架構(gòu)，其中，F(xiàn)PGA選用Xilinx的Virtex?4芯片XC4VLX200，工作頻率為61.38 MHz，實現(xiàn)基帶信號處理。DSP選用TMS320C6701型DSP芯片，工作頻率為120 MHz，完成定位解算、反射預(yù)測等控制處理。基帶處理完的直射/反射數(shù)據(jù)通過USB分別傳輸至上位機。上位機通過USB接口接收并存儲接收機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由顯示軟件實時顯示接收機位置、接收到的衛(wèi)星信息、直射/反射通道狀態(tài)、包計數(shù)、反射信號的相關(guān)功率圖等信息。

　　2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　接收機軟件系統(tǒng)分為直射模塊和反射模塊。直射模塊共有2個捕獲引擎和24個跟蹤通道(GPS和北斗系統(tǒng)各占1個捕獲引擎和12個跟蹤通道)。捕獲采用基于FFT 的并行碼相位搜索方式，其流程是先將A/D輸出的數(shù)字中頻信號與本地復(fù)現(xiàn)載波做乘法并進行傅里葉變換，然后將本地偽碼做傅里葉變換并取復(fù)共軛，二者復(fù)數(shù)相乘后進行傅里葉逆變換，將得到的幅值和捕獲閾值進行對比來判斷是否成功捕獲。直射通道需要對偽碼和載波進行實時跟蹤，其中，碼跟蹤采用延遲鎖定環(huán)路，載波跟蹤環(huán)路由二階鎖頻環(huán)和三階鎖相環(huán)組合而成。直射通道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　反射模塊采用多通道并行的工作模式，共有32個通道(GPS和北斗各占16個)，每4個通道處理同一衛(wèi)星的4路反射信號，最多可同時處理8顆衛(wèi)星(GPS和北斗各4顆)的反射信號。反射通道主要的工作是把接收到的反射衛(wèi)星信號進行載波剝離并與多級延遲后的本地復(fù)現(xiàn)信號進行相關(guān)處理，得到關(guān)于碼延遲的一維相關(guān)波形即延遲映像，而后將其存儲。反射通道的設(shè)計如圖4所示，其中，偽碼延遲級數(shù)和延遲間隔可調(diào)，延遲間隔可以設(shè)置為FPGA采樣頻率或[12]，[14]，[18]偽碼碼片，延遲級數(shù)可以設(shè)置為3～300。反射通道主要包括本地偽碼發(fā)生器、本地載波生成器、載波/偽碼剝離器、相干/非相干積分器、數(shù)據(jù)存儲器幾個模塊。其中，本地偽碼發(fā)生器由直射通道碼跟蹤的相位值加上DSP反射延遲預(yù)測的偽碼相位間隔，產(chǎn)生相應(yīng)的偽碼，而后通過移位寄存器進行多級延遲。本地載波生成器由直射通道載波跟蹤的頻率值加上反射延遲預(yù)測的載波頻率間隔來復(fù)現(xiàn)反射信號載波。本地復(fù)現(xiàn)的載波和多級延遲偽碼與反射中頻信號相乘后，得到的I路與Q路信號分別進行相干積分并用乘法器進行平方運算，最后完成非相干累加，積分結(jié)果由FPGA中的Block Ram進行存儲。

　　DSP完成系統(tǒng)控制，包含如下模塊：

　　1) 直射環(huán)路濾波及直射通道控制，完成直射通道中的鑒頻、鑒相、環(huán)路濾波以及工作狀態(tài)的控制;

　　2) 直射信號定位解算，由精確碼相位求得偽距并利用衛(wèi)星位置信息解算出接收機的位置;

　　3) 反射衛(wèi)星預(yù)測，通過判斷跟蹤衛(wèi)星的仰角和方位角是否合適選出做反射信號處理的衛(wèi)星;

　　4) 反射信號頻率/相位預(yù)測及反射通道控制，實時計算及控制反射載波/偽碼NCO并實現(xiàn)反射通道狀態(tài)的控制。

　　反射預(yù)測的工作流程如圖5所示。

　　3 “北斗三號”衛(wèi)星B1C新信號處理

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