基于GNSS—R的车辆探测定位实验研究

陶琼+孟李林+黄海生+李鑫+魏婷+杨锐+邢永强

摘 要： 针对目前导航卫星应用领域中一个新的热点研究内容，利用GNSS卫星反射信号作为无源雷达进行目标探测和定位，基于GNSS?R技术进行车辆探测定位实验研究，并给出反射信号相对于直射信号的延迟时间求解方法。实验对接收到的直射信号进行处理，提取直射信号信息作为先验条件，进行反射信号的细捕获，缩小反射信号捕获的搜索范围，采用基于FFT的并行码相位捕获算法将码相位延迟时间精确到码片。将实验数据与理论值进行对比分析，验证了该方法的正确性。

关键词： GNSS； 车辆探测； 反射信号； 直射信号； 相位捕获算法； 相位延迟

中图分类号： TN967?34； P228.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）05?0106?04

Abstract： The reflected signal of global navigation satellite system （GNSS） is used to perform the target detection and location for the passive radar. The vehicle detection and localization experiment based on GNSS?R technology is studied. The delay time solving method of reflected signal relative to direct signal is given. The received direct signal is processed in the experiment. The direct signal information is extracted as the prior condition to carry out the fine capture of the reflected signal， so as to narrow the search range of the reflected signal capture. The FFT?based parallel code phase capture algorithm can correct the code phase delay time to chip. The experimental data is compared with the theoretical values. The correctness of the method was verified.

Keywords： global navigation satellite system； vehicle detection； reflected signal； direct signal； phase capture algorithm； phase delay

0 引 言

基于GNSS?R（Global Navigation Satellite System Reflections）目标探测技术是一种新兴的遥感技术，其本质是利用传统导航定位系统中认为是“有害的”多径信号，遥感地表参数、探测外来目标等[1]。四大卫星导航系统在L波段的GPS L1，GPS L2，GPS L5，BDS B1，BDS B2，BDS B3，GLONASS L1以及伽利略L1等多个频点上发射导航服务信号，可作为辐射源。该技术具有成本低、覆盖宽、全天候等众多优势，在海面测高[2]、海面测风[3]、积雪厚度探测、陆地湿度[4?5]、海洋和陆地表面成像、空间飞行器以及海洋或陆地移动目标探测[6?7]等方面都展现出应用前景。

利用目标反射的GNSS信号，探测目标所在的空间位置和运动变化轨迹的雷达称为非合作式“双基地”（或“多基地”）无源雷达。该技术可广泛应用于探测战斗机、导弹、无人机等移动目标的出现和运动变化现象中，以及对陆地和海洋上移动目标的探测和识别[8]。GNSS?R探测仪同时接收来自卫星发射的直射信号和从目标物体上反射的卫星信号，并进行信号处理，通过对比直射信号与反射信号二维相关峰值的时间延迟，推算目标物体与接收机之间的距离，从而确定被测物体的空间位置。计算反射信号相对于直射信号的时间延迟是利用GNSS?R探测目标的核心技术。

本文研究GNSS的目标物体回波特性，利用回波进行目标定位。具体实验是用固定车辆的GPS反射信号计算汽车的空间位置。

1 GNSS?R目标探测原理

在地球上任何地方任何时刻都能同时观测到多颗导航卫星，因此，可利用一台接收机接收多颗卫星的反射信号，就可以实现对反射目标的定位。基于GNSS反射信号的目标探测系统原理如图1所示。接收机同时接收直射和反射两路信号，在图1中分别用虚线和实线标出。

通过对直射信号和反射信号的分析处理，获得反射信号与直射信号的传播路径差，结合卫星及接收机的位置，计算反射目标的位置坐标。具体做法如下：

在地心直角坐标系下，假设满足条件的导航卫星的坐标分别为；目标位置坐标为；接收机的位置坐标为。在图1中，对于1号导航卫星，其反射信号相对于直射信号到达接收机的路径差为：

式中：导航卫星与接收机位置可通过接收机直射信号的定位解算模块求解得到，c为真空中光速；为反射信号相对于直射信号到达接收机的时间延迟，可将其转化为接收机直射信号与反射信号码相位延迟时间（以下简称码延迟时间）。同理，可得到满足条件的其他3颗卫星的路径差方程，综合上述方程建立方程组，便可解算出探测目标的位置坐标。

2 码延迟时间的求解

由于直射信号与反射信号之间存在波程差，二者之间必然存在码相位延迟，则两路信号的二维相关功率如图2所示。设导航信号码周期为对于GPS信号而言，一个码周期有1 023个码片，则有如下关系式：endprint

式中：为反射信号相对于直射信号的延迟码片数（单位：个）；与式（1）中的意义相同，为码延迟时间。求码延迟时间的问题可转换成信号码相位的求解问题。

2.1 码延迟求解过程

GPS?R测量码延迟时间的电路系统结构图如图3所示。硬件部分由天线和中频信号采集器组成，直射天线为右旋圆极化（RHCP）天线，为普通的商业GPS接收机天线，用来接收直射信号。反射天线为左旋圆极化（LHCP）天线，具有10 dB增益，指向反射目标，接收经目标物体反射的反射信号。GN2012为GPS中频信号采集器，对天线接收到的模拟信号进行降频并采样，得到数字中频信号。将直射信号存储在通道A，反射信号存储在通道B，用图3中所示数据格式交替存储。

软件部分为信号处理单元，完成直射信号和反射信号的数据处理，求出码延迟时间。通过设置选取A路或B路信号进行分析，直射信号的处理与常规GPS接收机相同，包括捕获、跟踪和定位解算。将获得的卫星号、码相位和多普勒频率作为先验条件，送入反射信号估算模块，对反射信号的码相位及多普勒频移进行估算，设置搜索范围和搜索步长，进入反射信号细测量模块，进行精度小于一个码片的精细捕获，求得反射信号码相位。最后将二者码相位进行比较，得到延迟码片数由公式（2）求得

2.2 信息估算

信息估算模块主要包括载波多普勒估算与码相位估算。对于静止接收机且反射面为陆地上的车辆而言，其运动速度相比于导航卫星运动速度来说很小，其反射信号与直射信号的多普勒频移在同一数量级上，因此直接用直射信号载波NCO的输出作为反射信号的多普勒频移[9]。反射信号本地C/A码相位的估算为：

式中：为先验信息中直射信号码相位；为接收机高度；为卫星高度角；为一个C/A码片的持续时间。

2.3 反射信号细测量

对于反射信号的处理如图4所示，在基于FFT的并行码相位捕获算法[9]的基础上进行改进，将估算模块获得的码相位和载波相位分别送入可调本地载波和本地C/A码产生模块，输入数据与可调本地载波混频，通过一个由16点累加器实现的低通滤波器，滤除和频分量，实现载波的剥离；而与C/A码的相关运算，采用快速傅里叶变换实现，将剥离载波后的信号做FFT并取共轭，与本地C/A码做FFT后的结果相乘，再取IFFT得到反射信号的相关值波形；记录相关峰值及相关峰所在的码片位置。由于对码相位分辨率的要求，此处将本地C/A码按位扩展16倍，以达到码延迟时间精确到码片的目的。

3 车辆探测实验

探测对象为校园空旷处停放的车辆，数据采集环境如图5所示，主要包括左旋天线、右旋天线、GN2012中频信号采样器及笔记本电脑。图中直射天线为低增益RHCP天线，指向天顶方向；反射天线为四阵列高增益LHCP天线，指向车辆方向；GN2012中频信号采集器输出数据是采样率为16.369 MHz，信号中心频率为4.123 MHz，2 bit量化的数字中频信号；笔记本电脑装有中频信号采集软件，进行数字中频信号的传送和保存。实验中，天线在车辆正南面，与接收机直线距离为35 m，将实验计算结果与此对比，验证该方法的正确性。

GPS信號中C/A码长度为1 023个码片，周期为1 ms，则一个C/A码周期所对应的距离约为：

一个码片对应的距离为 m。在2.3节的反射信号细捕获算法中，将每一个码片扩展了16倍，即采样频率为16.368 MHz，由此推算出理论测距精度约为 m。

先选4 ms直射信号数据进行处理，如图6所示，结果给出数据采集时刻接收机捕获到的直射信号的卫星号、码相位及多普勒频率的粗略值。图7为捕获的卫星星空视图，同心圆为等仰角线，从外到内分别代表0°，45°，90°。根据实验场景设置，低仰角卫星的反射信号会更强[10]，天线朝向偏西北方向，因此，应选取仰角为10.30°的6号卫星进行码延迟时间的求解。

由图6可知，6号卫星多普勒频移为2 600 Hz，码相位为第32个码片，直射信号跟踪结果显示载波多普勒频移为2 597 Hz。由于反射信号强度较弱，这里采用增加相干积分时间的方法，而GPS导航电文数据比特宽度为20 ms，因此做反射信号细捕获时，截取10 ms数据，以保证在连续两段数据中至少有一段数据无导航数据跳[11]。根据估算，码延迟时间在一个码片范围内，因此以第32号码片为起点，搜索步进为码片，向后1个码片，按2.3节所述进行搜索。将反射信号相关峰值与直射信号进行对比，结果如图8所示。

从中选取某一频率点如2 600 Hz，对直射和反射信号码相位相关峰值做归一化处理并进行对比，结果如图9所示。

从图9中可以看出6号卫星反射信号相比于直射信号而言，有较大衰减，且相关峰延迟个码片，换算成延后距离约为55 m，理论路径延迟为m，误差13.87 m，在测量精度范围之内。

4 结 语

为探究用GNSS卫星反射信号作为无源雷达进行目标探测和定位的可行性，本文以GPS信号为例，进行基于GNSS?R技术车辆探测定位实验。实验给出反射信号相对于直射信号延迟时间的求解方法，用直射信号信息作为先验条件，进行反射信号细捕获，缩小了反射信号捕获的搜索范围，减少了捕获所需的时间。采用基于FFT的并行码相位捕获算法，将码相位延迟时间精确到码片，即18.33 m。但实验场地仍存在地面等其他反射面对实验结果的影响，本次实验并未考虑这些因素，实验场地其他多径信号对探测目标反射信号的影响将是今后的研究方向。

参考文献

[1] 杨东凯，张其善.GNSS反射信号处理基础与实践[M].北京：电子工业出版社，2012.

YANG Dongkai， ZHANG Qishan. GNSS reflected signal proces?sing： fundamentals and applications [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2012.endprint

[2] 邵连军，张训械，刘经南，等.GNSS?R海面测高算法[J].海洋测绘，2010（2）：1?3.

SHAO Lianjun， ZHANG Xunxie， LIU Jingnan， et al. The algorithm of sea surface altimetry on GNSS?R [J]. Hydroaphic surveying and charting， 2010（2）： 1?3.

[3] LOFGREN J S， HASSR， JOHANSSON J M. Monitoring coastal sea level using reflected GNSS signals [J]. Advances in space research， 2011（47）： 213?220.

[4] CARDELLACH E， FABRA F， NODUES?CORREIG O， et al. GNSS?R ground?based and airborne campaigns for ocean， land， ice and snow techniques： application to the GOLD?RTR datasets [J]. Radio science， 2011， 46（6）： 3604?3629.

[5] CHEW C， SMALL E E， LARSONK M. An algorithm for soil moisture estimation using GPS?interferometric reflectometry for bare and vegetated soil [J]. GPS solutions， 2016， 20（3）： 525?537.

[6] SUBERVIOLA I， MAYORDOMO I， MENDIZABAL J. Experimental results of air target detection with a GPS forward?scattering radar [J]. IEEE geoscience and remote sensing letters， 2012， 9（9）： 47?51.

[7] 裴振宁，叶伟，曲卫，等.基于GPS信号的无源雷达性能分析[J].雷达与对抗，2012（2）：9?12.

PEI Zhenning， YE Wei， QU Wei， et al. Performance analysis of passive radar based on GPS signal [J]. Radar & ecm.， 2012（2）： 9?12.

[8] CLARIZIA M P， BRACA P， RUF C S， et al. Target detection using GPS signals of opportunity [C]// 18th International Confe?rence on Information Fusion. Washington， DC： IEEE， 2015： 1429?1436.

[9] 腾小霁，孙越强，吴迪，等.GNSS?R接收机信号捕获算法设计[J].科学技术与工程，2010（10）：2278?2283.

TENG Xiaoji， SUN Yueqiang， WU Di， et al. Signal acquisition algorithm design for GNSS?R receiver [J]. Science technology and engineering， 2010（10）： 2278?2283.

[10] 马小东.GNSS?R反射信号特征分析及仿真[D].北京：北京化工大学，2013.

MA Xiaodong. GNSS?R reflected signal feature analysis and application simulation [D]. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2013.

[11] 黄海生，张伟，赵焕焕.GPS并行频率域捕获算法分析[J].西安邮电大学学报，2016（3）：38?41.

HUANG Haisheng， ZHANG Wei， ZHAO Huanhuan. Analysis on GPS parallel frequency acquisition algorithm [J]. Journal of Xian University of Posts and Telecommunications， 2016（3）： 38?41.

[12] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

XIE Gang. Principles of GPS and receiver design [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2009.endprint