延迟映射软件接收机的设计与实现

王利恒，陈智慧

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430000）

多源微波信号发射源的GPS全球卫星定位系统星座，通过延迟匹配接收机等接收装置，可全天时、全天候、大面积监测GPS发射信号和其他物体（本文主要考虑地面）的反射信号。和主动微波探测相比，该系统能省去专门的发射装置，节省开发成本，且覆盖范围广、实时性强。目前包括美国、欧洲、俄罗斯还有中国，全球共有100多颗GNSS卫星提供稳定的测量信号[1]。

传统的GPS接收机，是将射频前端和信号处理由专门的定制芯片实现，如基于Zarlink公司的射频前端芯片GP2010和相关器芯片GP2021设计的双射频前端GPS接收机[2]，这种基于ASIC（application specific integrated circuit）结构的接收机又被叫作硬件接收机。因为其信号处理功能全部在芯片内部完成，所以芯片一经定型，用户就不可能更改其相应的参数或更新算法。而作为遥感应用的接收机，至少支持双天线，并且应用研究目的不同，后期处理的算法会不同，有很强的功能定制性要求。为了适应这一要求，研究一种多天线延迟映射软件接收机很有必要。

1 接收机结构

延迟映射接收机不同于普通的定位授时接收机，它要接收不同路径传递而来的GPS信号，因此至少包含两路以上的射频前端。接收机结构如图1所示，它包括两通道的射频前端设备和软件结构的信号处理部分。也就是说，除射频前端外，其他所有部分均通过软件在PC机上实现。软件实现可以用各种高级编程语言如C/C++，Matlab等。

图1 GPS软件接收机结构Fig.1 Structure diagram of GPS software receiver

在这个结构中，上天线，即右旋极化天线（RHCP）安装在接收机上面，接收到达GPS接收机的直射信号；下天线，即左旋极化天线（LHCP）安装在接收机 “腹部”，接收到达GPS接收机的反射信号。由于分开接收，且上、下天线间还隔着金属板，故认为接收的两路信号互不干扰。这两路信号再经过采样、保持、量化过程后，输出的数字信号被暂存在存储器中，以供此后的软件部分处理。由于GPS信号在软件接收机中不需要做实时处理，所以可以采用各种改进的增强算法处理数字信号，最大化增加在恶劣环境中捕捉到GPS信号的可能性。同时由于不同路径的GPS原始信号被同步采集到本地，可以通过后期的软件处理得到不同路径的时延特征和不同界面的反射特征参数。本文射频前端采用东方联星NewStar210M多天线同步GPS中频信号采样器，该采集器接收1575.42 MHz的L1频段射频信号，并通过下变频至频率为20.492 MHz信号，模数转换采样率为16.368 MHz，采样后中频为4.124 MHz。

2 GPS信号处理

不管是直射信号还是反射信号，由于经过远距离的传输所造成的衰减，使得接收到的GPS信号淹没在噪声之中。必须通过相应处理后才能从采样后的中频数据中捕获GPS信号，并实现跟踪测量。

GPS卫星向用户发送的GPS信号是一组组合码，包括载波、数据码和测距码。测距码包含C/A码和P码，本文中的延迟映射接收机系统处理的是L1频段的C/A码。C/A码具有良好的自相关特性。利用这一特性可以很好地在接收的混频信号中检测到微弱的GPS信号。

GPS接收机采集到的是包含很多颗卫星信号的混频信号：

式中：Sr为采集到的信号；S1，S2，…Sn为当前可见的n颗GPS卫星信号；N为噪声信号。搜索的目的就是从这一混频信号中确认出对接收机当前位置的“可见”卫星，进而计算出载波的粗频率和C/A码的初始相位。

接收机接收了来自GPS卫星的直射信号以及地面的反射信号，分别通过安装向天的右旋极化天线和向地的左旋极化天线接收并引入到2个射频前端进行同步采集。在实际搜索过程中，不管是直射信号还是反射信号，都要考虑接收机相对卫星运动产生的多普勒频移，因此搜星的过程其实是在时延和多普勒频移2个方向进行搜索，也就是通过时延-多普勒二维相关函数来搜索。

搜索时，预先设置一个粗略估计的载波值（包含多普勒频移），将之与输入的中频数字信号相乘使输入信号变成一个连续波。再移动本地码，每次移动一个码相位单元。移动后的信号与连续信号做相关运算，其相关值大于预设“门限”值表明搜索成功；未超过的话，本地码再移动一个码相位，并重复以上搜索步骤。

直射信号是卫星通过空间直接传递到接收天线相位中心的信号，任意时刻t0在本地产生PRN（pseudo-random noise）复制码a与接收天线在t0+τ接收的信号u的相关函数为

式中：Ti为积分时间；fL为接收信号的中心频率；为补偿接收机与GPS星座间的相对运动而产生的多普勒频移值。当 Y（t0，τ）＞M（M 为门限值）时该卫星“可见”，记录此时的C/A码相位和载波频率值。

反射信号是经过地面反射后进入接收天线的，其相关函数和直射信号基本类似，但由于反射区不同，反射路径有不同的时延和多普勒频移。反射信号总体表现为不同时延和不同多普勒信号的叠加，如图2所示，以镜面反射点为中心的每一个椭圆有相同的时延[3]。

图2 GPS接收信号的几何关系Fig.2 Geometric diagram of GPS receiving signal

反射信号的时延-多普勒二维相关函数可以写为

在信号处理阶段，输入的数字中频信号（分为RHCP天线接收的直射信号与LHCP天线接收的反射信号），与本地载波相乘进行载波分离后再与相应的延迟C/A码相关，得到I、Q两路信号。再对两路信号进行积分、平方、求和运算得到二维相关功率。处理过程如图3所示。

图3 接收机的信号处理原理Fig.3 Signal processing diagram of receiver

最后输出的是基于时延-多普勒频移的二维相关功率P，Ta为非相干累加时间：

如此，通过以上分析可知，延迟映射接收机的RHCP天线接收直射信号，经过直射通道信号处理后得到直射中频信号的相关峰值，进而求出C/A码相位和多普勒频移观测值；LHCP天线接收反射信号，经过反射通道信号处理，根据式（3）求得时延-多普勒二维相关值，根据式（4）求得二维相关功率。

3 延迟映射接收机特征参数

不同于定位测量的接收机，延迟映射接收机主要用于反射信号的处理与数据反演，因此，对于后期的导航电文的提取，通常不是必须的，延迟映射接收机主要找到GPS直射信号和反射信号的功率关系和相位的关系，以方便做后期的测量反演处理。

直射信号的相关值用于判定卫星是否“可见”，从中得到的延迟C/A码相位反映了接收机与卫星之间的距离，除此之外还可以得到由相对运动引起的多普勒频移值；而反射信号的二维相关功率反映了多径效应影响下的信号变化。由于发射功率限制及传播路径的衰减，GPS二维相关功率值比较小，为更好研究延迟映射下接收机的GPS信号，可以将直射信号和反射信号的相关功率做归一化处理[4]。运用这种思路，可将这种延迟映射接收机用于海面风场、土壤湿度以及其他领域的反演中。

4 试验结果分析

基于前文的理论分析进行试验。试验平台是北京东方联星科技有限公司开发的软件NewStar210M，GPS系统，L1载波频率为1575.42 MHz，C/A码码长1023，码片速率1.023 MHz，频谱主瓣的零点到零点的带宽为2.046 MHz，中频载波为4.124 MHz，多普勒频移范围为-10 kHz～10 kHz，多普勒频移步长为1 kHz。以16.368 MHz采样1 ms长数据，总采集时间为100 ms，其结果如图4、图5所示。

由图4可知，PRN=28，卫星28的直射信号相关峰值显著，该卫星“可见”，其C/A码相位为152.63，多普勒频移值为0.55 kHz。由图5可知，反射信号的二维相关值为Y=34618604.90，即式（3）的值为34618604.90。将之带入式（4）计算出反射信号的二维相关功率（积分时间100 ms，为计算方便Y值取在3.4×107～3.5×107之间）。可以看到，直射信号的相关值近似为反射信号的4倍，反射信号较微弱。而延迟映射软件接收机主要用于反射信号的处理与数据反演，所以处理方法是将它的二维相关功率做归一化，如此可以很好地反映反射信号的特性。

图4 直射信号相关结果Fig.4 Correlation result of direct signal

图5 反射信号相关结果Fig.5 Correlation result of reflected signal

5 结语

本文设计的延迟映射软件接收机将除射频前端外的所有信号处理工作放在了软件处理阶段，不仅很好地控制了由多径效应引起的误差，同时还具有软件接收机的方便灵活性，可实现将数据离线采集然后带回试验室研究分析，试验结果证明了其可行性。当然，在实际应用中，测量误差不止有多路径误差，还包括与卫星有关的星历误差、卫星钟差，与信号传播有关的除多径效应以外的电离层和对流层的延迟误差；与接收机有关的接收机钟差、位置误差等[5]，这些都是影响定位精度的因素，要提高GPS接收机的精度有待更深入的研究。

[1]魏娜.卫星导航与定位技术学科发展研究[J].教育教学论坛，2016（19）：59-60.

[2]胡荣磊，张其善，张益强.双射频前端GPS遥感延迟映射接收机设计[J].测控技术，2006，25（5）：46-50.

[3]张益强，杨东凯，张其善，等.GPS海面散射信号探测技术研究[J].电子与信息学报，2006，28（6）：1091-1094.

[4]王炎，杨东凯，胡国英，等.利用GPS反射信号遥感土地湿度变化趋势[J].全球定位系统，2009，34（5）：7-10.

[5]王友，冯胜涛，刘垚.试论GPS测量的误差源及精度控制[J].科技传播，2016，8（11）：205.