發(fā)布時(shí)間：2018-03-08所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 利用GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)作為無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和定位是如今研究的熱點(diǎn)，通過(guò)利用該技術(shù)對(duì)車(chē)輛探測(cè)進(jìn)行研究，找到直射信號(hào)中延遲時(shí)間解決方法。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)接收的直射信號(hào)進(jìn)行處理，將直射信號(hào)信息作為先決條件，捕獲反射信號(hào)，縮小反射信號(hào)捕獲的范圍，
利用GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)作為無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和定位是如今研究的熱點(diǎn)，通過(guò)利用該技術(shù)對(duì)車(chē)輛探測(cè)進(jìn)行研究，找到直射信號(hào)中延遲時(shí)間解決方法。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)接收的直射信號(hào)進(jìn)行處理，將直射信號(hào)信息作為先決條件，捕獲反射信號(hào)，縮小反射信號(hào)捕獲的范圍，精確延遲時(shí)間，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論值展開(kāi)詳細(xì)論述，證明這類方法的正確性。
關(guān)鍵詞： GNSS,車(chē)輛探測(cè),反射信號(hào),直射信號(hào)
基于GNSS?R(Global Navigation Satellite System Reflections)目標(biāo)探測(cè)技術(shù)是一種新興的遙感技術(shù)，其本質(zhì)是利用傳統(tǒng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)中認(rèn)為是“有害的”多徑信號(hào)，遙感地表參數(shù)、探測(cè)外來(lái)目標(biāo)等[1]。四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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等多個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)射導(dǎo)航服務(wù)信號(hào)，可作為輻射源。該技術(shù)具有成本低、覆蓋寬、全天候等眾多優(yōu)勢(shì)，在海面測(cè)高[2]、海面測(cè)風(fēng)[3]、積雪厚度探測(cè)、陸地濕度[4?5]、海洋和陸地表面成像、空間飛行器以及海洋或陸地移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)[6?7]等方面都展現(xiàn)出應(yīng)用前景。
利用目標(biāo)反射的GNSS信號(hào)，探測(cè)目標(biāo)所在的空間位置和運(yùn)動(dòng)變化軌跡的雷達(dá)稱為非合作式“雙基地”(或“多基地”)無(wú)源雷達(dá)。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于探測(cè)戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)等移動(dòng)目標(biāo)的出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)變化現(xiàn)象中，以及對(duì)陸地和海洋上移動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別[8]。GNSS?R探測(cè)儀同時(shí)接收來(lái)自衛(wèi)星發(fā)射的直射信號(hào)和從目標(biāo)物體上反射的衛(wèi)星信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)對(duì)比直射信號(hào)與反射信號(hào)二維相關(guān)峰值的時(shí)間延遲，推算目標(biāo)物體與接收機(jī)之間的距離，從而確定被測(cè)物體的空間位置。計(jì)算反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的時(shí)間延遲是利用GNSS?R探測(cè)目標(biāo)的核心技術(shù)。
本文研究GNSS的目標(biāo)物體回波特性，利用回波進(jìn)行目標(biāo)定位。具體實(shí)驗(yàn)是用固定車(chē)輛的GPS反射信號(hào)計(jì)算汽車(chē)的空間位置。
1 GNSS?R目標(biāo)探測(cè)原理
在地球上任何地方任何時(shí)刻都能同時(shí)觀測(cè)到多顆導(dǎo)航衛(wèi)星，因此，可利用一臺(tái)接收機(jī)接收多顆衛(wèi)星的反射信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)反射目標(biāo)的定位。基于GNSS反射信號(hào)的目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)原理，接收機(jī)同時(shí)接收直射和反射兩路信號(hào)。
通過(guò)對(duì)直射信號(hào)和反射信號(hào)的分析處理，獲得反射信號(hào)與直射信號(hào)的傳播路徑差，結(jié)合衛(wèi)星及接收機(jī)的位置，計(jì)算反射目標(biāo)的位置坐標(biāo)。具體做法如下：
在地心直角坐標(biāo)系下，假設(shè)滿足條件的導(dǎo)航衛(wèi)星的坐標(biāo)分別為;目標(biāo)位置坐標(biāo)為;接收機(jī)的位置坐標(biāo)為。對(duì)于1號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星，其反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的路徑差為：
式中：導(dǎo)航衛(wèi)星與接收機(jī)位置可通過(guò)接收機(jī)直射信號(hào)的定位解算模塊求解得到，c為真空中光速;為反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，可將其轉(zhuǎn)化為接收機(jī)直射信號(hào)與反射信號(hào)碼相位延遲時(shí)間(以下簡(jiǎn)稱碼延遲時(shí)間)。同理，可得到滿足條件的其他3顆衛(wèi)星的路徑差方程，綜合上述方程建立方程組，便可解算出探測(cè)目標(biāo)的位置坐標(biāo)。
2 碼延遲時(shí)間的求解
由于直射信號(hào)與反射信號(hào)之間存在波程差，二者之間必然存在碼相位延遲，則兩路信號(hào)的二維相關(guān)功率。設(shè)導(dǎo)航信號(hào)碼周期為對(duì)于GPS信號(hào)而言，一個(gè)碼周期有1 023個(gè)碼片，則有如下關(guān)系式：
式中：為反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)的延遲碼片數(shù)(單位：個(gè));與式(1)中的意義相同，為碼延遲時(shí)間。求碼延遲時(shí)間的問(wèn)題可轉(zhuǎn)換成信號(hào)碼相位的求解問(wèn)題。
2.1 碼延遲求解過(guò)程
GPS?R測(cè)量碼延遲時(shí)間的電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。硬件部分由天線和中頻信號(hào)采集器組成，直射天線為右旋圓極化(RHCP)天線，為普通的商業(yè)GPS接收機(jī)天線，用來(lái)接收直射信號(hào)。反射天線為左旋圓極化(LHCP)天線，具有10 dB增益，指向反射目標(biāo)，接收經(jīng)目標(biāo)物體反射的反射信號(hào)。GN2012為GPS中頻信號(hào)采集器，對(duì)天線接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行降頻并采樣，得到數(shù)字中頻信號(hào)。將直射信號(hào)存儲(chǔ)在通道A，反射信號(hào)存儲(chǔ)在通道B，用圖3中所示數(shù)據(jù)格式交替存儲(chǔ)。
軟件部分為信號(hào)處理單元，完成直射信號(hào)和反射信號(hào)的數(shù)據(jù)處理，求出碼延遲時(shí)間。通過(guò)設(shè)置選取A路或B路信號(hào)進(jìn)行分析，直射信號(hào)的處理與常規(guī)GPS接收機(jī)相同，包括捕獲、跟蹤和定位解算。將獲得的衛(wèi)星號(hào)、碼相位和多普勒頻率作為先驗(yàn)條件，送入反射信號(hào)估算模塊，對(duì)反射信號(hào)的碼相位及多普勒頻移進(jìn)行估算，設(shè)置搜索范圍和搜索步長(zhǎng)，進(jìn)入反射信號(hào)細(xì)測(cè)量模塊，進(jìn)行精度小于一個(gè)碼片的精細(xì)捕獲，求得反射信號(hào)碼相位。最后將二者碼相位進(jìn)行比較，得到延遲碼片數(shù)由公式(2)求得
2.2 信息估算
信息估算模塊主要包括載波多普勒估算與碼相位估算。對(duì)于靜止接收機(jī)且反射面為陸地上的車(chē)輛而言，其運(yùn)動(dòng)速度相比于導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度來(lái)說(shuō)很小，其反射信號(hào)與直射信號(hào)的多普勒頻移在同一數(shù)量級(jí)上，因此直接用直射信號(hào)載波NCO的輸出作為反射信號(hào)的多普勒頻移[9]。反射信號(hào)本地C/A碼相位的估算為：
式中：為先驗(yàn)信息中直射信號(hào)碼相位;為接收機(jī)高度;為衛(wèi)星高度角;為一個(gè)C/A碼片的持續(xù)時(shí)間。
2.3 反射信號(hào)細(xì)測(cè)量
對(duì)于反射信號(hào)的處理如圖4所示，在基于FFT的并行碼相位捕獲算法[9]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將估算模塊獲得的碼相位和載波相位分別送入可調(diào)本地載波和本地C/A碼產(chǎn)生模塊，輸入數(shù)據(jù)與可調(diào)本地載波混頻，通過(guò)一個(gè)由16點(diǎn)累加器實(shí)現(xiàn)的低通濾波器，濾除和頻分量，實(shí)現(xiàn)載波的剝離;而與C/A碼的相關(guān)運(yùn)算，采用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)，將剝離載波后的信號(hào)做FFT并取共軛，與本地C/A碼做FFT后的結(jié)果相乘，再取IFFT得到反射信號(hào)的相關(guān)值波形;記錄相關(guān)峰值及相關(guān)峰所在的碼片位置。由于對(duì)碼相位分辨率的要求，此處將本地C/A碼按位擴(kuò)展16倍，以達(dá)到碼延遲時(shí)間精確到碼片的目的。
3 車(chē)輛探測(cè)實(shí)驗(yàn)
探測(cè)對(duì)象為校園空曠處停放的車(chē)輛，數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖5所示，主要包括左旋天線、右旋天線、GN2012中頻信號(hào)采樣器及筆記本電腦。圖中直射天線為低增益RHCP天線，指向天頂方向;反射天線為四陣列高增益LHCP天線，指向車(chē)輛方向;GN2012中頻信號(hào)采集器輸出數(shù)據(jù)是采樣率為16.369 MHz，信號(hào)中心頻率為4.123 MHz，2 bit量化的數(shù)字中頻信號(hào);筆記本電腦裝有中頻信號(hào)采集軟件，進(jìn)行數(shù)字中頻信號(hào)的傳送和保存。實(shí)驗(yàn)中，天線在車(chē)輛正南面，與接收機(jī)直線距離為35 m，將實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與此對(duì)比，驗(yàn)證該方法的正確性。
GPS信號(hào)中C/A碼長(zhǎng)度為1 023個(gè)碼片，周期為1 ms，則一個(gè)C/A碼周期所對(duì)應(yīng)的距離約為：
一個(gè)碼片對(duì)應(yīng)的距離為 m。在2.3節(jié)的反射信號(hào)細(xì)捕獲算法中，將每一個(gè)碼片擴(kuò)展了16倍，即采樣頻率為16.368 MHz，由此推算出理論測(cè)距精度約為 m。
先選4 ms直射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖6所示，結(jié)果給出數(shù)據(jù)采集時(shí)刻接收機(jī)捕獲到的直射信號(hào)的衛(wèi)星號(hào)、碼相位及多普勒頻率的粗略值。圖7為捕獲的衛(wèi)星星空視圖，同心圓為等仰角線，從外到內(nèi)分別代表0°，45°，90°。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置，低仰角衛(wèi)星的反射信號(hào)會(huì)更強(qiáng)[10]，天線朝向偏西北方向，因此，應(yīng)選取仰角為10.30°的6號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行碼延遲時(shí)間的求解。
由圖6可知，6號(hào)衛(wèi)星多普勒頻移為2 600 Hz，碼相位為第32個(gè)碼片，直射信號(hào)跟蹤結(jié)果顯示載波多普勒頻移為2 597 Hz。由于反射信號(hào)強(qiáng)度較弱，這里采用增加相干積分時(shí)間的方法，而GPS導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特寬度為20 ms，因此做反射信號(hào)細(xì)捕獲時(shí)，截取10 ms數(shù)據(jù)，以保證在連續(xù)兩段數(shù)據(jù)中至少有一段數(shù)據(jù)無(wú)導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳[11]。根據(jù)估算，碼延遲時(shí)間在一個(gè)碼片范圍內(nèi)，因此以第32號(hào)碼片為起點(diǎn)，搜索步進(jìn)為碼片，向后1個(gè)碼片，按2.3節(jié)所述進(jìn)行搜索。將反射信號(hào)相關(guān)峰值與直射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。
從中選取某一頻率點(diǎn)如2 600 Hz，對(duì)直射和反射信號(hào)碼相位相關(guān)峰值做歸一化處理并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示。
從圖9中可以看出6號(hào)衛(wèi)星反射信號(hào)相比于直射信號(hào)而言，有較大衰減，且相關(guān)峰延遲個(gè)碼片，換算成延后距離約為55 m，理論路徑延遲為m，誤差13.87 m，在測(cè)量精度范圍之內(nèi)。
4 結(jié) 語(yǔ)
為探究用GNSS衛(wèi)星反射信號(hào)作為無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和定位的可行性，本文以GPS信號(hào)為例，進(jìn)行基于GNSS?R技術(shù)車(chē)輛探測(cè)定位實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)給出反射信號(hào)相對(duì)于直射信號(hào)延遲時(shí)間的求解方法，用直射信號(hào)信息作為先驗(yàn)條件，進(jìn)行反射信號(hào)細(xì)捕獲，縮小了反射信號(hào)捕獲的搜索范圍，減少了捕獲所需的時(shí)間。采用基于FFT的并行碼相位捕獲算法，將碼相位延遲時(shí)間精確到碼片，即18.33 m。但實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地仍存在地面等其他反射面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本次實(shí)驗(yàn)并未考慮這些因素，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地其他多徑信號(hào)對(duì)探測(cè)目標(biāo)反射信號(hào)的影響將是今后的研究方向。
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