BD3信号多天线GNSS-R海冰延迟映射接收机设计

郝嘉琪　王先毅　孙越强　王冬伟　蔡跃荣　夏俊明　田羽森

摘  要： 文中介绍一种多天线海冰接收机的整体架构以及其在多极化海冰探测领域的应用。在此基础上系统描述其软硬件的设计，给出直射通道、反射通道和控制系统的详细设计方案及具体实现。针对“北斗三号”B1C新信号的特点，设计并实现一种利用“北斗二号”B1I信号辅助“北斗三号”B1C反射信号处理的方法。最后进行反射信号接收的初步试验，在试验中接收到不同极化的反射信号，并通过上位机软件观察其相关功率，同时对比B1C与B1I反射信号的相关结果，验证设备可以正常工作。

关键词： 延迟映射接收机; 海冰探测; GNSS?R; BD?3信号; 反射信号; 初步测试

中图分类号： TN827+.2?34                        文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2020）24?0008?05

Design of multi?antenna GNSS?R sea?ice delay mapping receiver of BD?3 signal

HAO Jiaqi1，2，3， WANG Xianyi1，3，4， SUN Yueqiang1，2，3，4， WANG Dongwei1，3，4，

CAI Yuerong1，3，4， XIA Junming1，3，4， TIAN Yusen1，2，3

（1. National Space Science Center， Chinese Academy of Science， Beijing 100190， China;

2. University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China;

3. Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration， Beijing 100190， China;

4. Key Laboratory of Space Environment Situational Awareness Technology， Beijing 101499， China）

Abstract： The overall architecture of multi?antenna sea?ice receiver and its application in the field of the multi?polar sea?ice detection are introduced. On this basis， its hardware and software design are described systematically， the detailed design scheme and concrete realization of the direct channel， reflection channel and control system are given. In allusion to the characteristic of the new signal B1C of the BeiDou navigation satellite system 3 （BDS?3）， a method using BeiDou?2 B1I signal to assist BDS?3 B1C reflected signal processing is designed and implemented. The preliminary test of reflected signal reception was carried out. In the experiment， the reflected signals of different polarizations were received， the correction power was observed by means of the upper computer software， and the correlation results between B1C and B1I reflection signals were compared. All these verify that the equipment can work normally.

Keywords： delay mapping receiver; sea?ice detection; GNSS?R; BD?3 signal; reflection signal; preliminary testing

0  引  言

GNSS?R（Global Navigation Satellite System Reflecto?

metry）是一种新兴的遥感探测方式，通过接收从地球表面反射的全球导航卫星系统（GNSS）的卫星信号，测量其相对延迟和幅度变化，以实现对地球表面各种物理参数的探测和反演。GNSS?R技术可用于探测海面风场与高度、海冰、土壤湿度、目标检测等[1]，具有测量精确、监测便利、信号源丰富、接收设备简单轻便、价格低、实时性强等优势[2]。近年来，GNSS?R技术及其应用发展迅速，具有代表性的项目有英国的UK?DMC，TDS?1、美国的CYGNSS星座等。

2018年底“北斗三号”系统基本完成建设，开始提供全球服务，到2020年将会实现整个星座的完全部署[9]。“北斗三号”系统在B1频段（1 575.42 MHz）上增加B1C信号。B1C信号采用BOC调制方式，满足B1频点与[L1E1]频谱兼容性的要求，增加了带宽，提高了抗干扰能力。B1C信号的自相关谱图具有多峰特点，相关峰更加尖锐，抗多径和码跟踪性能更好。B1C信号由数据（data）分量和导频（pilot）分量两部分组成，其信号结构为：

[sB1Ct=sB1C_datat+jsB1C_pilott] （1）

式中，数据分量和导频分量可分别由式（2）、式（3）表示。

[sB1C_datat=12DB1C_datatCB1C_datatscB1C_datat] （2）

[sB1C_pilott=32CB1C_pilottscB1C_pilott]  （3）

式中：[DB1C_datat]为导航数据;[CB1C_datatCB1C_pilott]与[scB1C_datatscB1C_pilott]分别是两个分量的测距码和副载波。

B1C信号数据分量和导频分量的功率比为1∶3，其导频分路的副载波包含2个双相子载波，因此B1C信号实际上由3个分量组成[10]，其调制特性如表1所示。

B1C信号的伪码周期为10 ms，能够进行更长时间的相干积分，可以提高在信号较弱情况下的检测概率。但受伪码长度的影响（B1C是B1I码长的10倍码，为10 230码片），B1C码的捕获速度较慢，并且跟踪环节会大量占用FPGA中的资源（B1C跟踪资源的占用约为B1I信号的4倍），对硬件要求较高。因此，本文提出了一种利用“北斗二号”B1I信号辅助接收“北斗三号”B1C反射信号的方法，具体实现过程如图6所示，采用的本地伪码为B1C的pilot通道伪码。B1C的频率计算可由式（5）得出。

[fIF_B1C=fIF_B1C_STD+fRF_B1CfRF_B1IfIF_B1I-fIF_B1I_STD] （5）

式中：[fIF_B1C]为预测的B1C载波中频频率;[fIF_B1I]为接收到的B1I信号的实际载波中频频率;[fIF_B1C_STD]与[fIF_B1I_STD]分别为B1C与B1I信号的基准载波中频频率;[fRF_B1C]与[fRF_B1I]分别为B1C与B1I信号的射频频率。

对于同一颗卫星发出的信号，B1C反射信号处理利用了B1C信号与B1I信号的时间相关性。在B1I信号完成位同步后，利用B1I信号相位生成本地B1C信号，经过延迟后与剥离载波的反射信号进行相关以生成延迟映射。B1C反射信号相对于直射B1I信号的延迟为：

[τ=2Hsinθ] （6）

式中：H为天线距离反射面的高度;θ为卫星仰角。此方式不需要直接进行B1C信号的捕获与跟踪，减少了硬件资源的使用。

4  初步测试结果

为了检验海冰延迟映射接收机的设计，在怀柔水库对该接收机进行了初步实验。接收机天线架放和接收机实物如图7所示，天线放置高度大约为25 m，直反天线与水平面的夹角均为45°。上位机软件界面如图8所示，软件中显示了接收到的GPS/北斗直射卫星实时定位结果，右下角显示了不同卫星对应不同天线的反射相关功率（码延迟取[-12] chip，0，[12] chip三个点），ANT1?4分别对应左旋、右旋、水平、垂直极化天线。以“北斗六号”为例，其卫星仰角约为61.88°，各反射天线接收到的信号如图8右下角的曲线所示。

图9为接收到的B1I信号与B1C信号的相关结果，为了检验B1C信号处理，在接收时将反射通道配置成多级延迟以覆盖整个码片。接收到的B1C反射信号相关图表现出明显的BOC调制多峰特性，通过对比可知B1C信号的相关峰值比B1I信号高出许多，主峰也更加尖锐，有利于反射信号观测。

5  结  语

本文介绍一种多天线GNSS?R海冰延迟映射接收机的软硬件设计，并通过初步实验证明了其可以同时接收多路天线信号，同时实现了“北斗三号”B1C反射信号的接收。

本仪器后续将在北极进行海冰的长期观测，其数据及其处理结果将在后续论文中进一步描述。

注：本文通讯作者为王先毅。

参考文献

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[9] GAO Y， YAO Z， LU M Q. Design and implementation of a real?time software receiver for BDS?3 signals [J]. Navigation， 2019， 66（1）： 83?97.

[10] LU Mingquan， LI Wenyi， YAO Zheng， et al. Overview of BDS III new signals [J]. Navigation， 2019， 66（1）： 19?35.

作者簡介：郝嘉琪（1995—），男，硕士，研究方向为GNSS软件设计。

王先毅（1982—），男，研究员，硕士生导师，主要从事GNSS无线电遥感研究。

孙越强（1963—），女，研究员，博士生导师，主要从事GNSS空间遥感及天基空间环境探测技术研发。