机载GNSS?R海面风场信号处理技术研究
刘原华 张珂娜 牛新亮
摘 要： 研究GNSS海面散射信号相关功率，对反演海面风速具有非常重要的作用。针对低信噪比下，传统的方法不能成功捕获卫星信号，无法得到海面散射信号相关功率的问题，提出一种延长相干积分时间来获得海面散射信号相关功率的方法，并进行了仿真。将仿真结果与传统方法的仿真结果进行对比分析，发现该方法可以捕获到卫星信号，提高了接收机的灵敏度并准确绘制了海面散射信号相关功率波形图。
关键词： GNSS； 反射信号； 海面散射信号； 相关功率
中图分类号： TN911.73?34； TP7 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0049?03
Research on airborne GNSS?R signal processing technology of sea surface wind field
LIU Yuanhua1， ZHANG Kena1， NIU Xinliang2
（1. School of Communications and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China；
2. Xian Branch， China Academy of Space Technology， Xian 710000， China）
Abstract：The study of correlation power of sea surface scattering signal for the global navigation satellite system （GNSS） has important significance for the inversion of the sea surface wind speed. Under the condition of low signal?to?noise ratio， the traditional method can′t capture the satellite signal successfully and get the correlation power of the sea surface scattering signal. Therefore， a method used to acquire the correlation power of the sea surface scattering signal by extending the coherent integration time is presented and simulated. The simulation result is compared with that of the traditional method. It is found that the method can capture the satellite signal， improve the sensitivity of the receiver， and draw the correlation power waveform of the sea surface scattering signal accurately.
Keywords： global navigation satellite system； reflection signal； sea surface scattering signal； relative power
0 引 言
GNSS?R（Global Navigation Satellite System?Reflection）技术是自1993年发展起来的一个新型分支。从电磁波的传播理论角度分析，海面反射信号中必然含有反射面的相关特征信息，其中包括反射信号的频率、幅值和相位的变化以及反射信号的波形和极化特性等变化。因此，可以借助于对经反射面反射的信号的接收处理，来实现反射面物理特征的估计，并进行下一步反演方面的相关工作[1]。
GNSS?R技术在测量海面风速方面取得了很大的进展[2?6]。其中，机载方面进行的相关试验是有效手段之一，可用来检验延迟映射接收机的性能并开展反演方法的研究工作。但随着机载试验环境变得越来越复杂，接收机所接收信号的能量可能会越来越弱，信噪比相对较低，实现低信噪比下卫星导航信号的反演是一个备受关注的问题。传统的方法是先利用1 ms的数据捕获导航卫星信号，然后计算该信号的相关功率[7]。但对于散射信号能量较小、信噪比较低的情况，传统的方法并不能成功捕获到卫星信号，限制了GNSS?R探测海面风速的适用性。
本文在分析GNSS海面散射信号接收的基础上，给出一种能在低信噪比下成功获得海面散射信号相关功率波形的方法，最后模拟一组卫星信号并开展了仿真验证，对结果进行了讨论总结。
1 GNSS散射信号的接收处理
1.1 海面反射点码延迟的计算
GNSS发射信号是呈右旋极性，到达海面后经海面散射，信号的极性会发生反转，其主要分量会呈现左旋圆极化特性[8]。同时，因为海面散射信号和它的直射信号之间必然会存在着波程差，这就造成散射信号相对于直射信号的时间延迟（码延迟）[9]。在延迟映射接收机中，图1为镜面反射点处的码片延迟的估算模型。[a+b]为镜面反射点处的信号到达延迟映射接收机的时延，且[a+b=a+c=2hsinθ，]其中：[θ]为飞机观察的入射角，[h]为飞机的飞行高度。
精确码延迟用下述方式计算。
在地心直角坐标系下，利用GPS卫星位置[（XG，YG，ZG）]和左旋天线位置[（XL，YL，ZL）]对式（1）采用Nelder?Mead单纯形算法[10]，取GNSS信号经过海面反射后路径延迟的最小值，即[Pmin（?S，λS）]，进一步确定镜面反射点的位置[（XS，YS，ZS）]。
[P（?S，λS）=XL-XS2+YL-YS2+ZL-ZS2+XG-XS2+YG-YS2+ZG-ZS2] （1）
式中[?S，][λS]为镜面反射点在地心坐标系下的参数。在地心直角坐标系下，有：
[XS=a2cos?ScosλSa2cos2?S+b2sin2?SYS=a2cos?SsinλSa2cos2?S+b2sin2?SZS=b2sinλSa2cos2?S+b2sin2?S] （2）
式中[a，b]分别为地球长半轴和短半轴。
利用[XG，YG，ZG，XL，YL，ZL，][XS，YS，ZS]便可得出海面镜面反射点处的几何路径延迟[τ0]。
1.2 散射信号相关功率的计算
假定[u（t）]为接收信号，[a（t）]为本地C/A码序列，[t0]为信号接收时刻，[Ti]为积分时间，[τ]为在[{-M，+N}]码元区间的延迟量。式（3）可用于反映信号接收互相关函数： [Yτ，t0=0Tiat+t0-τ?ut+t0dt] （3）
因为伪随机噪声的一些相关特性，仅当[u（t）]和[a（t）]在时间延迟上一致时才能产生显著的相关。为了避免数据量过大，同时考虑到输出数据的可靠性，延迟映射接收机实际输出时，取散射信号在[T0]内的平均相关功率，其定义如下：
[Y（τ）=ITa0TIY（τ，t0）2dt0] （4）
由此便获得了在镜面反射点周围照射区的散射信号的强度，这正是以相关功率为表达形式的。若散射表面的粗糙程度不同，互相关函数变化曲线就会呈现不同的形状[11]，如图2所示。
2 相干积分时间对散射信号相关功率的影响分析
计算海面散射信号的相关功率是在计算其[I]和[Q]两个支路上的相关值的基础上进行的。对于正常的卫星导航信号，可利用1 ms的数据在相关器中计算其[I]值和[Q]值后，进行相干?非相干累加即可求解出散射信号的相关功率。而在信号的功率较低时，由于信号被淹没在噪声中，1 ms长度的数据能量较小，不能准确得到其相关功率值，而风速反演应用的前提就是要通过信号处理的方法得到海面散射信号的相关功率。为此，本文提出一种改进的海面反射信号处理方法，即在相关器中先计算出10 ms数据的[I]值和[Q]值之后，再进行相干?非相干累加就能成功求解出反射信号的二维相关值，进一步得到散射信号的相关功率。该方法相比于传统方法的优点在于较好地提高了海面散射信号的信噪比增益，其信号处理流程如图3所示。
尽管长时间的相干积分可以获得较高的增益补偿，但相干积分长度受制于导航数据的跳变。为此，可以利用直射信号来辅助反射信号进行相关处理操作。具体做法为：先对直射信号的载波相位进行跟踪处理，待载波的同步处理完成后，便可借助直射信号的相关处理通道得到的同相分量的符号来补偿反射信号的二维相关矩阵。
3 仿真实验
仿真数据是根据实际GPS L1频率的C/A码信号特性生成的，该数据信号可灵活设置采样频率、输入载噪比等，便于所提方法的验证。仿真参数设置如下：输入信号的采样率为5 MHz，频率搜索步长为500 Hz，不考虑多普勒频移，预检噪声带宽为2 MHz，仿真产生的GPS信号长度为100 ms。为了验证低信噪比下延长相干积分时间对求解散射信号相关功率的影响，忽略了图3中相干?非相干累加这一模块的分析，仿真实验采用的相干积分时间是10 ms。
为了得到海面状态参数信息，如海面风速，需要给出反射信号的相关功率波形。其中，相关峰值周围的若干个码延迟波形包含重要的海面参数信息。图4中码片延迟是相对于直射信号的C/A码相位而言的，所以最大相关峰应该出现在0码片延迟附近[12]。
图4（a）中，由于信号能量较小，未能成功捕获到卫星信号，且其最大相关峰值在第26个延迟采样点处，不能正确得到海面散射信号相关功率波形图。而图4（b）中，延长了相干积分的时间，提高了接收机的灵敏度，且其最大相关峰值在第0个延迟采样点处即0码片延迟附近准确得到了海面散射信号的相关功率波形图。
4 结 语
本文介绍了一种在低信噪比下利用延长单次相干積分时间来获得GNSS海面散射信号相关功率波形的方法，通过仿真实验并与传统的方法进行比较分析。结果显示，新方法的信噪比相对于传统方法提高了48.2%，实现了低信噪比条件下散射信号相关功率的计算。
本文也有不足之处，在验证延长单次相干积分时间对求解海面散射信号相关功率的影响时，默认相干?非相干累加这一模块在两次仿真实验下是一致的。因此，综合分析延长单次相干积分时间、相干累加和非相干累加三者对散射信号相关功率的影响是下一步的工作内容。
参考文献
[1] MART?N?NEIRA M， CAPARRINI M， FONT?ROSSELL? J， et al. The PARIS concept： an experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2001， 39（1）： 142?150.
[2] 李伟强，杨东凯，李明里，等.面向遥感的GNSS反射信号接收处理系统及实验[J].武汉大学学报（信息科学版），2011，36（10）：1204?1208.
[3] 周晓中，李紫薇.机载GPS?R遥感海面风场实验[J].解放军理工大学学报（自然科学版），2011，12（1）：84?89.
[4] 符养，周兆明.GNSS?R海洋遥感方法研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2006，31（2）：128?131.
[5] ZAVOROTNY V U， VORONOVICH A G. Scattering of GPS signals from the ocean with wind remote sensing application [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2000， 38（2）： 951?964.
[6] GARRISON J L， KOMJATHY A， ZAVOROTNY V U， et al. Wind speed measurement using forward scattered GPS signals [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2002， 40（1）： 50?65.
[7] 王迎强，严卫，符养，等.利用机载GNSS反射信号反演海面风速的研究[J].海洋学报，2008，30（6）：51?59.
[8] THOMPSON D R， ELFOUHAILY T M， GASPAROVIC R F. Polarization dependence of GPS signals reflected from the ocean [C]// Proceedings of 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Honolulu： IEEE， 2000： 3099?3101.
[9] 曹珂，王长林，梁宏，等.低信噪比环境下短扩频码捕获性能的改善[J].电讯技术，2008，48（7）：69?73.
[10] MATHEWS J H， FINK K D. Numerical methods using Matlab [M]. 4th ed. New Jersey， USA： Prentice?Hall Inc.， 2004.
[11] 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.
[12] 王波，董翔，刘海丰，等.岸基GPS海面反射信号提取方法及特性分析[J].系统工程与电子技术，2013，35（9）：1825?1829.
摘 要： 研究GNSS海面散射信号相关功率，对反演海面风速具有非常重要的作用。针对低信噪比下，传统的方法不能成功捕获卫星信号，无法得到海面散射信号相关功率的问题，提出一种延长相干积分时间来获得海面散射信号相关功率的方法，并进行了仿真。将仿真结果与传统方法的仿真结果进行对比分析，发现该方法可以捕获到卫星信号，提高了接收机的灵敏度并准确绘制了海面散射信号相关功率波形图。
关键词： GNSS； 反射信号； 海面散射信号； 相关功率
中图分类号： TN911.73?34； TP7 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0049?03
Research on airborne GNSS?R signal processing technology of sea surface wind field
LIU Yuanhua1， ZHANG Kena1， NIU Xinliang2
（1. School of Communications and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China；
2. Xian Branch， China Academy of Space Technology， Xian 710000， China）
Abstract：The study of correlation power of sea surface scattering signal for the global navigation satellite system （GNSS） has important significance for the inversion of the sea surface wind speed. Under the condition of low signal?to?noise ratio， the traditional method can′t capture the satellite signal successfully and get the correlation power of the sea surface scattering signal. Therefore， a method used to acquire the correlation power of the sea surface scattering signal by extending the coherent integration time is presented and simulated. The simulation result is compared with that of the traditional method. It is found that the method can capture the satellite signal， improve the sensitivity of the receiver， and draw the correlation power waveform of the sea surface scattering signal accurately.
Keywords： global navigation satellite system； reflection signal； sea surface scattering signal； relative power
0 引 言
GNSS?R（Global Navigation Satellite System?Reflection）技术是自1993年发展起来的一个新型分支。从电磁波的传播理论角度分析，海面反射信号中必然含有反射面的相关特征信息，其中包括反射信号的频率、幅值和相位的变化以及反射信号的波形和极化特性等变化。因此，可以借助于对经反射面反射的信号的接收处理，来实现反射面物理特征的估计，并进行下一步反演方面的相关工作[1]。
GNSS?R技术在测量海面风速方面取得了很大的进展[2?6]。其中，机载方面进行的相关试验是有效手段之一，可用来检验延迟映射接收机的性能并开展反演方法的研究工作。但随着机载试验环境变得越来越复杂，接收机所接收信号的能量可能会越来越弱，信噪比相对较低，实现低信噪比下卫星导航信号的反演是一个备受关注的问题。传统的方法是先利用1 ms的数据捕获导航卫星信号，然后计算该信号的相关功率[7]。但对于散射信号能量较小、信噪比较低的情况，传统的方法并不能成功捕获到卫星信号，限制了GNSS?R探测海面风速的适用性。
本文在分析GNSS海面散射信号接收的基础上，给出一种能在低信噪比下成功获得海面散射信号相关功率波形的方法，最后模拟一组卫星信号并开展了仿真验证，对结果进行了讨论总结。
1 GNSS散射信号的接收处理
1.1 海面反射点码延迟的计算
GNSS发射信号是呈右旋极性，到达海面后经海面散射，信号的极性会发生反转，其主要分量会呈现左旋圆极化特性[8]。同时，因为海面散射信号和它的直射信号之间必然会存在着波程差，这就造成散射信号相对于直射信号的时间延迟（码延迟）[9]。在延迟映射接收机中，图1为镜面反射点处的码片延迟的估算模型。[a+b]为镜面反射点处的信号到达延迟映射接收机的时延，且[a+b=a+c=2hsinθ，]其中：[θ]为飞机观察的入射角，[h]为飞机的飞行高度。
精确码延迟用下述方式计算。
在地心直角坐标系下，利用GPS卫星位置[（XG，YG，ZG）]和左旋天线位置[（XL，YL，ZL）]对式（1）采用Nelder?Mead单纯形算法[10]，取GNSS信号经过海面反射后路径延迟的最小值，即[Pmin（?S，λS）]，进一步确定镜面反射点的位置[（XS，YS，ZS）]。
[P（?S，λS）=XL-XS2+YL-YS2+ZL-ZS2+XG-XS2+YG-YS2+ZG-ZS2] （1）
式中[?S，][λS]为镜面反射点在地心坐标系下的参数。在地心直角坐标系下，有：
[XS=a2cos?ScosλSa2cos2?S+b2sin2?SYS=a2cos?SsinλSa2cos2?S+b2sin2?SZS=b2sinλSa2cos2?S+b2sin2?S] （2）
式中[a，b]分别为地球长半轴和短半轴。
利用[XG，YG，ZG，XL，YL，ZL，][XS，YS，ZS]便可得出海面镜面反射点处的几何路径延迟[τ0]。
1.2 散射信号相关功率的计算
假定[u（t）]为接收信号，[a（t）]为本地C/A码序列，[t0]为信号接收时刻，[Ti]为积分时间，[τ]为在[{-M，+N}]码元区间的延迟量。式（3）可用于反映信号接收互相关函数： [Yτ，t0=0Tiat+t0-τ?ut+t0dt] （3）
因为伪随机噪声的一些相关特性，仅当[u（t）]和[a（t）]在时间延迟上一致时才能产生显著的相关。为了避免数据量过大，同时考虑到输出数据的可靠性，延迟映射接收机实际输出时，取散射信号在[T0]内的平均相关功率，其定义如下：
[Y（τ）=ITa0TIY（τ，t0）2dt0] （4）
由此便获得了在镜面反射点周围照射区的散射信号的强度，这正是以相关功率为表达形式的。若散射表面的粗糙程度不同，互相关函数变化曲线就会呈现不同的形状[11]，如图2所示。
2 相干积分时间对散射信号相关功率的影响分析
计算海面散射信号的相关功率是在计算其[I]和[Q]两个支路上的相关值的基础上进行的。对于正常的卫星导航信号，可利用1 ms的数据在相关器中计算其[I]值和[Q]值后，进行相干?非相干累加即可求解出散射信号的相关功率。而在信号的功率较低时，由于信号被淹没在噪声中，1 ms长度的数据能量较小，不能准确得到其相关功率值，而风速反演应用的前提就是要通过信号处理的方法得到海面散射信号的相关功率。为此，本文提出一种改进的海面反射信号处理方法，即在相关器中先计算出10 ms数据的[I]值和[Q]值之后，再进行相干?非相干累加就能成功求解出反射信号的二维相关值，进一步得到散射信号的相关功率。该方法相比于传统方法的优点在于较好地提高了海面散射信号的信噪比增益，其信号处理流程如图3所示。
尽管长时间的相干积分可以获得较高的增益补偿，但相干积分长度受制于导航数据的跳变。为此，可以利用直射信号来辅助反射信号进行相关处理操作。具体做法为：先对直射信号的载波相位进行跟踪处理，待载波的同步处理完成后，便可借助直射信号的相关处理通道得到的同相分量的符号来补偿反射信号的二维相关矩阵。
3 仿真实验
仿真数据是根据实际GPS L1频率的C/A码信号特性生成的，该数据信号可灵活设置采样频率、输入载噪比等，便于所提方法的验证。仿真参数设置如下：输入信号的采样率为5 MHz，频率搜索步长为500 Hz，不考虑多普勒频移，预检噪声带宽为2 MHz，仿真产生的GPS信号长度为100 ms。为了验证低信噪比下延长相干积分时间对求解散射信号相关功率的影响，忽略了图3中相干?非相干累加这一模块的分析，仿真实验采用的相干积分时间是10 ms。
为了得到海面状态参数信息，如海面风速，需要给出反射信号的相关功率波形。其中，相关峰值周围的若干个码延迟波形包含重要的海面参数信息。图4中码片延迟是相对于直射信号的C/A码相位而言的，所以最大相关峰应该出现在0码片延迟附近[12]。
图4（a）中，由于信号能量较小，未能成功捕获到卫星信号，且其最大相关峰值在第26个延迟采样点处，不能正确得到海面散射信号相关功率波形图。而图4（b）中，延长了相干积分的时间，提高了接收机的灵敏度，且其最大相关峰值在第0个延迟采样点处即0码片延迟附近准确得到了海面散射信号的相关功率波形图。
4 结 语
本文介绍了一种在低信噪比下利用延长单次相干積分时间来获得GNSS海面散射信号相关功率波形的方法，通过仿真实验并与传统的方法进行比较分析。结果显示，新方法的信噪比相对于传统方法提高了48.2%，实现了低信噪比条件下散射信号相关功率的计算。
本文也有不足之处，在验证延长单次相干积分时间对求解海面散射信号相关功率的影响时，默认相干?非相干累加这一模块在两次仿真实验下是一致的。因此，综合分析延长单次相干积分时间、相干累加和非相干累加三者对散射信号相关功率的影响是下一步的工作内容。
参考文献
[1] MART?N?NEIRA M， CAPARRINI M， FONT?ROSSELL? J， et al. The PARIS concept： an experimental demonstration of sea surface altimetry using GPS reflected signals [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2001， 39（1）： 142?150.
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[4] 符养，周兆明.GNSS?R海洋遥感方法研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2006，31（2）：128?131.
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[6] GARRISON J L， KOMJATHY A， ZAVOROTNY V U， et al. Wind speed measurement using forward scattered GPS signals [J]. IEEE transactions on geoscience and remote sensing， 2002， 40（1）： 50?65.
[7] 王迎强，严卫，符养，等.利用机载GNSS反射信号反演海面风速的研究[J].海洋学报，2008，30（6）：51?59.
[8] THOMPSON D R， ELFOUHAILY T M， GASPAROVIC R F. Polarization dependence of GPS signals reflected from the ocean [C]// Proceedings of 2000 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Honolulu： IEEE， 2000： 3099?3101.
[9] 曹珂，王长林，梁宏，等.低信噪比环境下短扩频码捕获性能的改善[J].电讯技术，2008，48（7）：69?73.
[10] MATHEWS J H， FINK K D. Numerical methods using Matlab [M]. 4th ed. New Jersey， USA： Prentice?Hall Inc.， 2004.
[11] 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.
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