CN102520419A - 一种gnss海洋反射信号接收***及接收方法 - Google Patents

Abstract

一种GNSS海洋反射信号接收***及接收方法，包括：N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、实时校准模块、A/D、DDC、数字波束形成模块、合成信号数字上变频模块和D/A，接收***及方法可以实现通道的幅相自校准功能，可以根据卫星反射点位置控制天线波束指向。通过实际工程实现及试验结果表明，本发明接收***及接收方法性能稳定，可以稳定可靠的接收海洋反射信号，不仅可应用于GNSS海洋遥感领域，还可应用于GNSS-R土壤湿度测量等利用GNSS反射信号进行测量的领域，具有广阔的推广应用前景。

Description

一种GNSS海洋反射信号接收***及接收方法

技术领域

本发明属于卫星应用领域，涉及一种GNSS海洋反射信号接收***及接收方法。

背景技术

随着全球卫星导航***(GNSS)技术研究和应用的不断深入，在海洋探测方面，GNSS的应用也得到了迅速发展，并产生了以此技术为基础的新兴学科-GNSS-R海洋遥感学。GNSS-R海洋探测技术利用LEO卫星上搭载的GNSS接收机，接收GNSS直射信号和海面反射信号，通过它们之间的时间延迟和相关函数波形及其后沿特性进行分析，并结合海面、海浪对电波的散射理论，获取海面平均高度、海面风场、浪高、海面盐度等信息，同时结合海面反射和前向散射的信息，可以探测到海面风速和风向信息。与其他海洋遥感技术相比，GNSS-R采用无源探测方法，不需要发射设备，可以实现全球均匀覆盖，获取数据量大，并且可以全天候工作，不受天气状况的影响。因此GNSS-R在海洋遥感方面有着巨大的应用前景。

现有GNSS信号接收技术面向的是信号功率较强的GNSS直射信号，采用普通增益的宽波束右旋圆极化天线就能够满足要求。然而，GNSS卫星导航信号经过海面反射后，发生了两方面的变化：一是信号功率大大衰减，变成了微弱卫星导航信号；二是信号极性发生了变化，从右旋圆极化信号变为了左旋圆极化信号。同时，由于GNSS卫星和LEO卫星之间的相对运动，GNSS信号的海洋反射点位置时刻在变动。因此，如何有效可靠的接收经过海面反射后的微弱GNSS卫星信号是GNSS-R海洋遥感探测方面首要解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种GNSS海洋反射信号接收***及接收方法，能够稳定有效的接收微弱的GNSS海洋反射信号。

本发明的技术解决方案：一种GNSS海洋反射信号接收***，包括：N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、实时校准模块、A/D、DDC、数字波束形成模块、合成信号数字上变频模块和D/A；

N元阵列天线接收微弱海洋反射信号；

射频前端模块安置于N元阵列天线上，在实时接收信号模式下，接收N元阵列天线信号，进行滤波、放大后送入L波段变频组件；在校准模式下，接收实时校准模块输出的校准信号，进行滤波、放大后送入L波段变频组件；

L波段变频组件进行放大和下变频；

A/D将L波段变频组件输出的下变频信号转换成数字信号送入DDC中；

DDC进行数字下变频处理，得到N路基带信号，并将N路基带信号送入数字波束形成模块；

数字波束形成模块，有实时接收信号模式和校准模式两种工作模式，在校准模式下，数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路幅度和相位相等的标准信号，送入射频前端模块；N路校准信号经过射频前端模块、L波段下变频组件、A/D、DDC后变为N路基带信号，送入数字波束形成模块；数字波束形成模块根据此时输入的N路基带信号计算校正系数；校正系数计算完成后，数字波束形成模块控制实时校准模块，关闭校准信号的产生，转入实时接收信号模式；在实时接收信号模式下，根据海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，利用空域滤波器处理由DDC输出的N路基带信号，通过改变空域滤波器权值，使期望方向的信号通过空域滤波器，同时抑制其他方向的信号，从而实时调整N元阵列天线的波束指向，使卫星的镜面反射点始终在N元阵列天线方向图的主瓣内，完成数字波束合成；

实时校准模块产生N路幅度和相位相等的标准信号，送入射频前端模块；

合成信号数字上变频模块，将数字波束合成信号变换为数字中频信号；

D/A将合成信号数字上变频模块变换后的数字中频信号变换为模拟中频信号。

一种GNSS海洋反射信号接收方法，实现步骤如下：

(1)当外部的波束指向控制信号发生改变时，转入校准模式，由数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路校准信号，送入射频前端模块；此时，射频前端模块检测到N路校准信号的有效性，切断从N元阵列天线输入的实际信号；N路校准信号经过射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后，变为N路基带信号，进入数字波束形成模块；数字波束形成模块根据此时输入的N路基带信号计算校正系数；校正系数计算完成后，数字波束形成模块控制实时校准模块，关闭校准信号的产生，转入实时接收信号模式；

(2)在实时接收信号模式下，海洋反射信号依次经过N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后变为N路基带信号，送入数字波束形成模块；数字波束形成模块首先根据在校准模式下计算的校准系数对N路基带信号进行幅度相位校正，消除前端各模块给N路基带信号幅度相位带来的不一致性，然后根据后端海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，采用空域滤波技术将N路基带信号进行数字波束形成，将合成信号送入合成信号上变频模块；合成信号上变频模块将合成信号进行上变频处理，变为数字中频信号，送入D/A；D/A将数字中频信号变换为模拟中频信号输出。

一种GNSS海洋反射信号接收方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)当外部的波束指向控制信号发生改变时，转入校准模式，由数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路校准信号，送入射频前端模块；此时，射频前端模块检测到N路校准信号的有效性，切断从N元阵列天线输入的实际信号；N路校准信号经过射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后，变为N路基带信号，进入数字波束形成模块；数字波束形成模块根据此时输入的N路基带信号计算校正系数；校正系数计算完成后，数字波束形成模块控制实时校准模块，关闭校准信号的产生，转入实时接收信号模式；

(2)在实时接收信号模式下，海洋反射信号依次经过N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后变为N路基带信号，送入数字波束形成模块；数字波束形成模块首先根据在校准模式下计算的校准系数对N路基带信号进行幅度相位校正，消除前端各模块给N路基带信号幅度相位带来的不一致性，然后根据后端海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，采用空域滤波技术将N路基带信号进行数字波束形成，将合成信号送入合成信号上变频模块；合成信号上变频模块将合成信号进行上变频处理，变为数字中频信号，送入D/A；D/A将数字中频信号变换为模拟中频信号输出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用实时校准和数字波束形成技术，根据海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，实时调整天线的波束指向，使N元阵列天线方向图实时对准GNSS信号的海洋反射点位置，进一步提高了接收海洋反射信号的增益，使***能够有效可靠的接收微弱海洋反射信号。

(2)本发明采用N元阵列天线，提高了天线增益，从而能够接收微弱海洋反射信号。

(3)本发明采用实时校准模块对射频前端模块、L波段变频组件、A/D和DDC带来的基带信号幅度和相位的不一致性进行校正，消除基带信号幅度和相位的不一致性给后端处理带来的测量误差。

附图说明

图1为本发明原理框图；

图2为本发明射频前端模块组成框图；

图3为本发明L波段变频组件组成框图；

图4为本发明通道校准系数获得原理图；

图5为本发明空域滤波器原理图；

图6为本发明数字波束形成模块实现原理图；

图7为本发明数字波束形成模块数学仿真图。

具体实施方式

(一)接收***组成

如图1所示，本发明接收***包括N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、实时校准模块、A/D、DDC、数字波束形成模块、合成信号数字上变频模块和D/A。

(1)N元阵列天线

由于GNSS信号在海洋表面反射后，信号功率被大幅度衰减，运行在500km至800km高度LEO卫星上的海洋反射接收机所接收到的海洋反射信号功率比直射信号功率低30dB以上，这就要求海洋反射天线具有较高的增益。同时，导航卫星信号直射到海面后产生的反射波受海面粗糙度等因素的影响，导航卫星信号的反射点是一个椭圆形区域，海洋反射天线波束宽度必须覆盖这一反射区，才能使后端***正常工作。

为了满足上述需要，海洋反射天线选择低剖面的微带天线阵列方案。根据二维平面阵列天线的基本原理，一个维度方向上阵元数越多，天线总增益越高，但在这个维度方向上的方向图波束越窄。因此在设计时需要满足天线对增益的需求，又得考虑天线实际使用中的波束宽度。经过大量试验，本发明的N元阵列天线采用2×16微带阵列，并进行一维数字波束扫描，这样就可以兼顾增益和扫描覆盖的要求。而且N元阵列天线为单收天线，其工作频段相对较窄，适宜于采用数字波束控制的方式进行扫描。

(2)射频前端模块

射频前端模块的组成框图如图2所示。射频前端模块包括能切换正常和校准工作模式的开关模块、前端滤波模块和低噪声放大模块三部分。开关模块用于切换正常工作模式和标准工作模式；在校准工作模式下，射频前端模块的输入信号为实时校准模块产生的N路幅度和相位相等的标准信号，而正常工作模式下，射频前端模块的输入信号为从N元阵列天线输出的信号。前端滤波模块用于滤除外部的干扰信号。低噪声放大模块对前端滤波模块输出的信号进行放大。

(3)L波段变频组件

L波段变频组件完成信号的下变频、滤波和放大。图3为L波段变频组件的组成框图。L波段信号首先经过放大器A进行放大，经过滤波器A滤除带外干扰信号；温补晶振、PLL和放大器B组成本振信号产生器；本振信号与滤波器A输出的信号进行混频处理，混频处理将信号频谱进行了搬移，除产生期望的中频信号外，还会产生镜像干扰信号；混频器输出的信号经过滤波器B滤除镜像干扰信号，输出期望的中频信号，送入自动增益控制模块；自动增益控制模块采用检波电路和定向耦合器对期望的中频信号幅度进行调整；滤波器C对自动增益控制模块输出的中频信号进行滤波处理，滤除自动增益模块中检波电路和定向耦合器对期望的中频信号产生的干扰。

(4)实时校准模块

在校准模式下，数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路幅度和相位相等的标准信号，送入射频前端模块。标准信号经过射频前端模块、L波段变频组件、A/D和DDC后，变为N路基带信号。N路基带信号送入数字波束形成模块，在数字波束形成模块中对N路基带信号进行测量，得到幅度相位差，计算出校准系数。

在实时接收信号模式下，数字波束形成模块控制实时校准模块不产生校准信号，实时校准模块不工作。

(5)A/D

A/D为模拟数字转换器，它直接决定了模拟信号的量化精度、线性度和最大输入带宽。本发明对A/D的选择考虑了以下因素：

a)转换速度，决定了最大采样率；

b)模拟输入频率上限，决定了***能够处理的模拟信号的最高频率；

c)转换位数，决定了输入信号的最大无失真动态范围；

d)线性度，决定了输入信号的谐波分量；

e)输出电平标准，决定了后续器件的接口兼容性；

f)输入模拟信号幅度，决定了灵敏度；

g)功耗，***电路等，决定了电路设计的难度。

(6)DDC

DDC为数字下变频器，其实现方式主要有FPGA和ASIC两种方式。目前数字下变频器主流实现方案有FPGA和ASIC两种方式。

FPGA擅长并行运算和流水线处理，能够满足DDC对高速处理需求；另外，由于FPGA设计的灵活性，使DDC模块能根据具体***需求量身定制，实现资源和性能的优化，特别适合一些需要高带宽或特殊采样率的场合。缺点是，参数调整的灵活性差难以实现可变带宽，程序的效率和可靠性难以保证，开发调试难度大，另外占用FPGA资源较多。

由于DDC在无线电***中的广泛应用，IC厂商推出了各种各样的DDC专用芯片(ASIC)。ASIC的性能经过严格验证，其可靠性和稳定性相对FPGA程序而言要高得多；用户可灵活配置其内部参数以实现不同指标。但ASIC的结构固定，处理性能有一定局限，无法应用于特殊场合。

本***对DDC的处理带宽要求并不高，FPGA和ASIC都可实现，但ASIC实现可靠性稳定性更高，因此选择了采用专用DDC芯片来实现数字下变频。

(7)空域滤波器实现原理

本发明接收***利用空域滤波器处理DDC输出的N元基带信号，通过改变滤波器权值，可使某些期望方向的信号通过滤波器，同时抑制其他方向的信号。波束形成原理如图5所示。

M元均匀线阵的接收信号作为M抽头横向滤波器的输入，滤波器权向量可表示为

w＝[w₀ w₁…w_N-1]^T

平面波s(n)以角度θ入射到阵列上，以第一个阵元作为参考阵元，则阵列接收信号可以表示为

x(n)＝a(θ)s(n)

其中均匀线阵的导向向量

a(θ)＝[]a(θ)＝[1 e^-jφ…e^-j(M-1)φ]^T

φ＝2πdsinθ/λ。

空域滤波器的输出为

y(n)＝w^Hx(n)＝w^Ha(θ)s(n)

从上式可以看出，若取权向量w满足w^Ha(θ)＝0，那么

y(n)＝0

上式表明θ方向的信号被抑制，不能通过滤波器。如果令权向量w满足w＝a(θ)，那么

y(n)＝a^H(θ)a(θ)s(n)＝Ms(n)

上式表明θ方向的信号可以通过滤波器，并被放大M倍。所以，通过改变空域滤波器的权向量w，可使某些方向的信号通过滤波器，而抑制另一些方向的信号，或改变输出信号的幅度。

假设已知空余滤波器权向量w，定义空域滤波的方向图为输出信号与输入信号的幅度之比为

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{\left|y\left(n\right)\right|}{\left|s\left(n\right)\right|}=\left|w^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|$

与时域滤波器的频率响应类似，方向图描述了空域滤波器对空间不同方向信号的响应。注意到F²(θ)是空域滤波器输出输入瞬时功率之比。

如果选择空域滤波器的权向量幅度相同，仅相位均匀递增，为

$w={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{-j{\mathrm{\φ}}_0}& ...& e^{-j(M-1){\mathrm{\φ}}_0}\end{array}\right]}^T$

其中，φ₀＝2πdsinθ₀/λ，则有

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\left|w^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)\right|=\left|\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-\mathrm{jm}(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0)}\right|=\left|\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-j\frac{2\mathrm{\πdm}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)}\right|$

$=\left|e^{-j\frac{M-1}{2}(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0)}\frac{\sin \left(\frac{M}{2}(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0)\right)}{\sin \left(\frac{1}{2}(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}_0)\right)}\right|=\left|\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{M\πd}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)\right)}{\sin \left(\frac{\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}(\sin \mathrm{\θ}-\sin {\mathrm{\θ}}_0)\right)}\right|$

此时，波束图在θ＝θ₀处取得最大值，使得从θ₀方向入射的信号在滤波器的输出端同相叠加，输出最大。因此改变φ₀(或θ₀)即可改变波束的指向，从而实现波束指向的扫描(简称电扫)。

(8)数字波束形成模块

在校准模式下，数字波束形成模块完成校准系数的计算。

图4为通道校准系数获得原理图。X₁(t)为实时校准模块产生的N路幅度和相位相等的标准信号，校准信号经过不同的射频前端模块、L波段变频组件、A/D和DDC后产生不同的相位延迟和幅度变化，DDC输出的基带数据分别为X₁(n)，X₂(n)，...，X_N(n)。如果以第一通道为参考通道，那么可得到第i通道的校正系数为：

C_i＝X₁(n)/X_i(n)，i＝2，...，N

在实时信号接收模式下，根据空域滤波器实现原理，数字波束形成模块的实现框图见图6。其中，x＝[x₁，x₂，…，x_N]为输入到数字波束形成模块的N元基带信号，

为数字波束形成模块的权矢量，

在

中，d为N元阵列天线相邻阵元之间的垂直距离，λ为GNSS信号的波长，θ₁为海洋反射信号入射到N元阵列天线阵元时，与N元阵列天线阵元法线方向的夹角，其输出信号为：

本发明采用模拟GPS信号，对数字波束形成模块采用Matlab进行了数学仿真，在仿真条件中设定GPS的频率为1575.42MHz±1.023MHz，信号入射角度分别为0°，25°，得到的接收波束图如图7所示。从仿真图可以看出，当信号入射角度分别为0°，25°时，接收波束图主瓣中心点的空间角度分别为0°，25°，这说明数字波束形成模块的接收波束图会随着信号入射角度的变化而变化，从而完成了数字波束形成。

(9)合成信号数字上变频模块

合成数字信号上变频模块将数字波束形成模块输出的数字基带信号变换为数字中频信号。其过程如下：首先在数字波束形成模块输出的相邻数字基带信号之间***零值，用来增加信号的采样率；由于在时域中向数据***零值会使信号在频域上产生信号频谱的镜像，因此采用低通滤波器将信号的镜像频谱进行滤除；最后将低通滤波器输出的信号通过数控振荡器和混频器进行混频，输出数字中频信号。

(10)D/A

D/A为数字模拟转换器，它将合成数字信号上变频模块输出的数字中频信号转换为模拟中频信号。本发明采用高性能的D/A芯片AD9777来完成数字中频信号到模拟中频信号的转换，并采用七阶低通椭圆滤波器滤除数字模拟转换造成的镜像频率。

(二)接收方法

(1)当外部的波束指向控制信号发生改变时，转入校准模式，由数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路校准信号，送入射频前端模块；此时，射频前端模块检测到N路校准信号的有效性，切断从N元阵列天线输入的实际信号；N路校准信号经过射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后，变为N路基带信号，进入数字波束形成模块；数字波束形成模块根据此时输入的N路基带信号计算校正系数；校正系数计算完成后，数字波束形成模块控制实时校准模块，关闭校准信号的产生，转入实时接收信号模式；

(2)在实时接收信号模式下，海洋反射信号依次经过N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后变为N路基带信号，送入数字波束形成模块；数字波束形成模块首先根据在校准模式下计算的校准系数对N路基带信号进行幅度相位校正，消除前端各模块给N路基带信号幅度相位带来的不一致性，然后根据后端海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，采用空域滤波技术将N路基带信号进行数字波束形成，将合成信号送入合成信号上变频模块；合成信号上变频模块将合成信号进行上变频处理，变为数字中频信号，送入D/A；D/A将数字中频信号变换为模拟中频信号输出。

通过实际工程实现及试验结果表明，该接收***及接收方法性能稳定，可以稳定可靠的接收海洋反射信号。本发明不仅可应用于GNSS海洋遥感领域，还可应用于GNSS-R土壤湿度测量等利用GNSS反射信号进行测量的领域，具有广阔的推广应用前景。

Claims (2)

1.一种GNSS海洋反射信号接收***，其特征在于包括：N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、实时校准模块、A/D、DDC、数字波束形成模块、合成信号数字上变频模块和D/A；

N元阵列天线接收微弱海洋反射信号；

射频前端模块安置于N元阵列天线上，在实时接收信号模式下，接收N元阵列天线信号，进行滤波、放大后送入L波段变频组件；在校准模式下，接收实时校准模块输出的校准信号，进行滤波、放大后送入L波段变频组件；

L波段变频组件进行放大和下变频；

A/D将L波段变频组件输出的下变频信号转换成数字信号送入DDC中；

DDC进行数字下变频处理，得到N路基带信号，并将N路基带信号送入数字波束形成模块；

数字波束形成模块，有实时接收信号模式和校准模式两种工作模式，在校准模式下，数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路幅度和相位相等的标准信号，送入射频前端模块；N路校准信号经过射频前端模块、L波段下变频组件、A/D、DDC后变为N路基带信号，送入数字波束形成模块；数字波束形成模块根据此时输入的N路基带信号计算校正系数；校正系数计算完成后，数字波束形成模块控制实时校准模块，关闭校准信号的产生，转入实时接收信号模式；在实时接收信号模式下，根据海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，利用空域滤波器处理由DDC输出的N路基带信号，通过改变空域滤波器权值，使期望方向的信号通过空域滤波器，同时抑制其他方向的信号，从而实时调整N元阵列天线的波束指向，使卫星的镜面反射点始终在N元阵列天线方向图的主瓣内，完成数字波束合成；

实时校准模块产生N路幅度和相位相等的标准信号，送入射频前端模块；

合成信号数字上变频模块，将数字波束合成信号变换为数字中频信号；

D/A将合成信号数字上变频模块变换后的数字中频信号变换为模拟中频信号。

2.一种GNSS海洋反射信号接收方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)当外部的波束指向控制信号发生改变时，转入校准模式，由数字波束形成模块控制实时校准模块产生N路校准信号，送入射频前端模块；此时，射频前端模块检测到N路校准信号的有效性，切断从N元阵列天线输入的实际信号；N路校准信号经过射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后，变为N路基带信号，进入数字波束形成模块；数字波束形成模块根据此时输入的N路基带信号计算校正系数；校正系数计算完成后，数字波束形成模块控制实时校准模块，关闭校准信号的产生，转入实时接收信号模式；

(2)在实时接收信号模式下，海洋反射信号依次经过N元阵列天线、射频前端模块、L波段变频组件、A/D、DDC后变为N路基带信号，送入数字波束形成模块；数字波束形成模块首先根据在校准模式下计算的校准系数对N路基带信号进行幅度相位校正，消除前端各模块给N路基带信号幅度相位带来的不一致性，然后根据后端海洋反射信号接收机计算的卫星反射点轨迹和N元阵列天线波束指向的关系，采用空域滤波技术将N路基带信号进行数字波束形成，将合成信号送入合成信号上变频模块；合成信号上变频模块将合成信号进行上变频处理，变为数字中频信号，送入D/A；D/A将数字中频信号变换为模拟中频信号输出。

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