CN105204044A - 基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置包括全频段导航右旋、左旋天线10a、10b、高速宽带采集器20、预处理器21、互相关器组22，导航右旋天线10a接收包括GPS？L1、L2、L5,Galileo？E1、E5a、E5b、E6以及北斗B1、B2在内的所有导航频点的直射电磁信号，导航左旋天线10b)接收包括GPS？L1、L2、L5,Galileo？E1、E5a、E5b、E6以及北斗B1、B2在内的所有导航频点的经地球表面反射的电磁信号。高速率采集器30接收两路射频信号，通过采样、量化将其转化为原始的数字信号。预处理器21将原始的直射数字信号进行分离。互相关器组22将分离出来的各频点直射、反射数字信号进行互相关处理，得到与反射面对应的一维时延相关功率。

Description

基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置
技术领域
本发明涉及基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置,属于导航应用信号处理技术领域。
背景技术
GNSS-R(基于GNSS反射信号的遥感技术)无源探测技术是新式探测技术之一，与传统探测技术相比，具有设备轻，功耗低等优势，近年，得到了国际学者越来越多的重视和关注。GNSS-R通过岸基、机载或空基的特殊接收设备同时接收直达和经地球表面反射的导航信号，利用相关处理技术得到反射面对应的一维时延相关波形，通过从波形提取对反射面参数敏感的特征参数进行反射面参数的反演。
在处理方式上，GNSS-R具有反射信号和本地信号自相关、反射信号和直射信号互相关两种处理模式。相比于自相关处理模式，互相关处理具有：1)利用了更宽频带的信号，包含了更丰富的信息量，尤其在测高应用中，提供了更高的测量精度；2)省略了对直射信号的时延、多普勒了的估计，处理结构更简单等优点。
在进行反射面参数的反演时，如果接收到的导航信号数量越多，演算精度也就越高。由于现有的处理装置仅针对单一导航***的信号进行处理，因此，导航信号数也局限于该导航***内，而不能同时接受不同导航***的导航信号。并且，现有的装置对导航信号的接收，通常采用模拟多级下变频结构，其射频前端需要复杂的混频结构，容易产生虚假频率和引入相位误差，影响反演精度。
本发明的第一目的在于提供一种能够兼容不同导航***的基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置。
第二目的在于提供一种结构简单，能够提高反演精度的基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置。
发明内容
本发明的技术方案为一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置,其特征在于，包括全频段导航右旋天线(10a)、全频段导航左旋天线(10b)、高速宽带采集器(30)、预处理器(21)、互相关器组(22)。
所述全频段导航右旋天线(10a)接收包括GPSL1、L2、L5,GalileoE1、E5a、E5b、E6以及北斗B1、B2在内的所有导航频点的直射电磁信号，将其转化为电压信号；
所述全频段导航左旋天线(10b)接收包括GPSL1、L2、L5,GalileoE1、E5a、E5b、E6以及北斗B1、B2在内的所有导航频点的经地球表面反射的电磁信号，将其转化为电压信号；
所述高速率采集器(30)接收多频段导航右旋(10a)、左旋天线(10b)传输的两路射频信号，通过采样、量化将其转化为原始的数字信号；
所述预处理器(21)包括直射信号预处理(21a)和反射信号预处理(21b)，直射信号预处理(21a)将中心频率分别为1575.42MHz，1561.098MHz，1278.750MHz，1227.60MHZ，1207.140MHz，1176.450MHz的GPSL1和GalileoE1混合信号(L1/E1-d)，北斗B1信号(B1-d)，GalileoE6信号(E6-d)，GPSL2信号(L2-d)，GalileoE5b和北斗B2混合信号(E5b/B2-d)，GalileoE5a和GPSL5混合信号(E5a/L5-d)的原始数字信号进行数字下变频、数字滤波分离为六路数字信号，反射信号预处理(21b)将中心频率分别为1575.42MHz，1561.098MHz，1278.750MHz，1227.60MHZ，1207.140MHz，1176.450MHz的GPSL1和GalileoE1混合信号(L1/E1-r)，北斗B1信号(B1-r)，GalileoE6信号(E6-r)，GPSL2信号(L2-r)，GalileoE5b和北斗B2混合信号(E5b/B2-r)，GalileoE5a和GPSL5混合信号(E5a/L5-r)的原始数字信号进行数字下变频、数字滤波分离为六路数字信号；
所述互相关器组(22)包括6个结构完全相同的互相关器，用于将分离出来的各频点直射、反射数字信号进行互相关处理，其中，互相关器1将直射、反射的GPSL1和GalileoE1混合数字信号进行互相关处理；互相关器2将直射、反射的北斗B1数字信号进行互相关处理；互相关器3将直射、反射的GalileoE6数字信号进行互相关处理；互相关器4将直射、反射的GPSL2混合数字信号进行互相关处理；互相关器5将直射、反射的GalileoE5b与北斗B2的混合数字信号进行互相关处理；互相关器6将直射、反射的GalileoE5a与GPSL5的混合数字信号进行互相关处理。
附图说明
图1是基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置的总体架构图；
图2是软件处理框图；
图3是软件处理中预处理框图；
图4是软件处理中互相关处理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。在本实施方式中，对导航直反信号的预处理和互相关处理由软件处理装置实现。
图1为基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置的总体架构图，包括一个全频段导航右旋天线10a，一个全频段导航左旋天线10b，一个高速宽带采集器30，一个计算机20，一个固态存储硬盘40。
它们之间的位置连接和信号、信息走向是：全频段导航右旋天线10a接收导航直射射频信号，将电磁信号转换为电压信号，并将该电压信号通过射频电缆传输给高速宽带采集器30，即全频段导航右旋天线10a与高速宽带采集器30相连接。
全频段导航左旋天线10b接收经地球表面反射的导航射频信号，将电磁信号转化为电压信号，并将该电压信号通过射频电缆传输给高速宽带采集器30，即全频段导航左旋天线10b与高速宽带采集器30相连接。
高速宽带采集器30一方面接收全频段导航右旋、左旋天线传输的直射、反射射频信号，另一方面，将量化后的原始数字信号通过PCI总线接口传输给计算机20，即高速宽带采集器30的输入连接全频段导航右旋天线10a和全频段导航左旋天线10b，输出连接计算机20。
在信号采集时，计算机20接收PCI总线接口的数据将其存储在固态存储硬盘40中，在信号处理时，计算机20读取固态存储硬盘40的数据进行直射、反射数字信号的软件处理，即计算机20的输入连接高速宽带采集器30和连接固态存储硬盘40，输出连接固态存储硬盘40。
在信号采集时，整个装置的信号、信息走向全频段导航右旋天线10a、全频段导航左旋天线10b流向高速宽带采集器30，流向计算机20，流向固态存储硬盘40，在信号处理时，信号、信息流向为固态存储硬盘40到计算机(20)。
所述的全频段导航右旋天线10a接收包括GPSL1、L2、L5,GalileoE1、E5a、E5b、E6以及B1、B2在内的所有导航频点的直射电磁信号，将电磁信号转化为电压信号。
所述的全频段导航左旋天线10b接收包括GPSL1、L2、L5,GalileoE1、E5a、E5b、E6以及B1、B2在内的所有导航频点的经地球表面反射的电磁信号，将电磁信号转化为电压信号。
所述的高速宽带采集器30对所述导航***的导航直射、反射射频信号进行采样、量化将射频信号变化为原始数字信号，其中，采样率为656MHz，量化位数为2bit。
所述的计算机20将原始数字信号存储在固态存储硬盘(40)中，并为软件装置运行提供硬件平台。软件装置包括预处理器21和互相关处理器组22，其中，预处理器21将原始数字信号经过数字滤波、数字下变频以及数字降采样分离各频点导航信号，互相关处理器组22由一些列相关器组成，将相对应的直射、反射信号进行互相关处理得到一维时延相关功率。
图2是软件处理框图，如图2所示，包括一个预处理器21、一个互相关器组22。预处理器21分直射信号预处理和反射信号预处理，将中心频率分别为1575.42MHz，1561.098MHz，1278.750MHz，1227.60MHZ，1207.140MHz，1176.450MHz的GPSL1和GalileoE1混合信号，北斗B1信号，GalileoE6信号，GPSL2信号，GalileoE5b和北斗B2混合信号，GalileoE5a和GPSL5混合信号进行数字下变频和数字滤波以分离为六路数字信号。图中，L1/E1-d表示直射的GPSL1和GalileoE1混合信号；B1-d表示直射的北斗B1信号；E6-d表示直射的GalileoE6信号；L2-d表示直射的GPSL2信号；E2b/B2-d表示直射的GalileoE5b和北斗B2混合信号；E5a/L5-d表示直射的GalileoE5a和GPSL5混合信号；L1/E1-r表示反射的GPSL1和GalileoE1混合信号；B1-r表示反射的北斗B1信号；E6-r表示反射的GalileoE6信号；L2-r表示反射的GPSL2信号；E2b/B2-r表示反射的GalileoE5b和北斗B2混合信号；E5a/L5-r表示反射的GalileoE5a和GPSL5混合信号。
预处理器21中的直射信号预处理21a与反射信号预处理21b采用同样的结构。
图3是软件处理中预处理框图，如图3所示直射信号预处理21a，包括一个1级2倍抽取器，一个高通滤波器，七个数字下变频，两个3级2倍抽取器，四个4级2倍抽取器。
1级2倍抽取器中HP(Half-Pass)滤波器的设计指标为通带截止频率0.42π，阻带截止频率0.6π，最大通带增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，其任务是滤出频段位于1559～1610MHz的GPSL1、GalileoE1以及北斗B1信号的数字混合信号S1。
高通滤波器用于滤出频段位于1164～1300MHz的GPSL2、GPSL5、GalileoE6、GalileoE5b、GalileoE5a、北斗B2的数字混合信号S2，其设计参数为阻带截止频率为0.46π，通带截止频率为0.6π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，实际上，该高通滤波器可以由一个全通滤波器减去1级2倍抽取器中的HP滤波器实现。
数字下变频1将2倍抽取后的S1信号与频率为263.42MHz的本地数字载波混频。数字下变频2将2倍抽取后的S1信号与频率为249.098MHZ的本地载波混频。数字下变频3将高通滤波器输出的S2信号与频率为622.750MHz的本地载波混频。数字下边频4将高通滤波器输出的S2信号与频率为571.60MHz的本地载波混频。数字下变频5将高通滤波器输出的S2信号与频率为551.140MHz的本地载波混频。数字下变频6将高通滤波器输出的S2信号与频率为520.450MHz的本地载波混频。
3级2倍抽取器1和3级2倍抽取器2中每一级的HP滤波器的设计参数一致，均为阻带截止频率为0.4π，通带截止频率为0.6π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，主要将数字下变频1、2输出的数字信号的采样率从328MHz降到82MHz。
4级2倍抽取器1、2、3、4中HP滤波器的设计参数与3级2倍抽取器1、3中每级的HP滤波器的设计参数一致，用于将数字下变频3、4、5、6输出的数字信号的采样率从656MHz降为82MHz。
低通滤波器1、2的设计参数为通带截止频率0.14π，阻带截止频率0.17π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的分别是滤出GPSL1、GalileoE1的混合数字信号和北斗B1数字信号。
低通滤波器3的设计参数为通带截止频率0.3π，阻带截止频率0.6π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的是滤出GalileoE6数字信号。
低通滤波器4的设计参数为通带截止频率0.13π，阻带截止频率0.14π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的是滤出GPSL2数字信号。
低通滤波器5、6的设计参数为通带截止频率0.13π，阻带截止频率0.14π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的是分滤出GPSL2数字信号和GalileoE5b、北斗B2混合数字信号，用于滤出GalileoE5a与GPSL5混合数字信号。
图2中，互相关器组22包括6个结构完全相同的互相关器，用于将分离出来的各频点直射、反射数字信号进行互相关处理。其中，互相关器1将直射、反射的GPSL1和GalileoE1混合数字信号进行互相关处理；互相关器2将直射、反射的北斗B1数字信号进行互相关处理；互相关器3将直射、反射的GalileoE6数字信号进行互相关处理；互相关器4将直射、反射的GPSL2混合数字信号进行互相关处理；互相关器5将直射、反射的GalileoE5b与北斗B2的混合数字信号进行互相关处理；互相关器6将直射、反射的GalileoE5a与GPSL5的混合数字信号进行互相关处理。
图4是软件处理中互相关处理框图，如图4所示，包括一个时延估计，一个时延组，一个乘法器组，一个积分清零组，一个平法累加组。
时延估计根据定位信息估计反射信号相对于直射信号的路径延迟。时延组由一系列移位寄存器组成，将直射数字信号进行延时，一方面将直射信号的码相位延时到互相关窗内，另一方面引出互相关窗内的N路具有不同时延相位的直射数字信号。乘法器组由N个乘法器组成，主要将N路具有不同时延相位的直射数字信号与反射数字信号相乘。积分清零组由N个积分清零模块组成，分别将N路相乘后的结果进行时间积分，积分时长为1ms，每ms进行一次清零操作。平方累加组由N个平方累加模块组成，每个平方累加模块将每个积分清零模块输出的结果进行平方，并对1s的输出结果进行累加输出，得到与反射面对应的一维时延相关功率1、2、…、N。其中，N可由下式给出。
N = M 82 × 10 6 f c o d e
其中，M为相关窗内的码片数，可根据需求设置，fcode为各频点导航信号所有测距码中的最小码率。
以上通过实施方式对本发明的导航直反信号的互相关处理装置进行了说明。
由实施方式可知，本发明中，通过一个高采样率的双通道采集器(高速宽带采集器30)对导航全频段右旋和左旋天线接收的导航直射、反射信号进行射频直接采样；然后通过软件实现数字滤波、数字下变频以及数字降采样等预处理对各导航***直射、反射信号进行提取；对提取的各导航***直射、反射信号进行互相关处理得到一维时延相关功率。通过从波形中提取对反射面参数敏感的特征参数，利用反演模型就可以进行反射面参数的反演。
由于本发明的装置可对包括GPS、Galileo以及北斗***的信号进行处理，克服了传统处理装置仅对单一信号处理的缺点，不仅提高了演算的可靠性，由于处理的导航信号数量的增加，还提高了演算精度。
由于对射频信号直接进行采样，在功能上具有更大的灵活性，在射频前端不需要复杂的混频结构，消除了虚假频率的产生和引入相位误差，提高了演算精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，如实施方式中，预处理器21和互相关处理器组22采用了软件处理的方式，但也可用硬件的方式实现，互相关处理也可利用各种现有的技术，只要在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置,其特征在于，包括全频段导航右旋天线(10a)、全频段导航左旋天线(10b)、高速宽带采集器(20)、预处理器(21)、互相关器组(22)，
所述全频段导航右旋天线(10a)接收包括GPSL1、L2、L5,GalileoE1、E5a、E5b、E6以及B1、B2在内的所有导航频点的直射电磁信号，将其转化为电压信号；
所述全频段导航左旋天线(10b)接收包括GPSL1、L2、L5,GalileoE1、E5a、E5b、E6以及B1、B2在内的所有导航频点的经地球表面反射的电磁信号，将其转化为电压信号；
所述高速率采集器(30)接收多频段导航右旋(10a)、左旋天线(10b)传输的两路射频信号，通过采样、量化将其转化为原始的数字信号；
所述预处理器(21)包括直射信号预处理(21a)和反射信号预处理(21b)，直射信号预处理(21a)将中心频率分别为1575.42MHz，1561.098MHz，1278.750MHz，1227.60MHZ，1207.140MHz，1176.450MHz的GPSL1和GalileoE1混合信号(L1/E1-d)，北斗B1信号(B1-d)，GalileoE6信号(E6-d)，GPSL2信号(L2-d)，GalileoE5b和北斗B2混合信号(E5b/B2-d)，GalileoE5a和GPSL5混合信号(E5a/L5-d)通过数字下变频和数字滤波分离为六路数字信号，反射信号预处理(21b)将中心频率分别为1575.42MHz，1561.098MHz，1278.750MHz，1227.60MHZ，1207.140MHz，1176.450MHz的GPSL1和GalileoE1混合信号(L1/E1-r)，北斗B1信号(B1-r)，GalileoE6信号(E6-r)，GPSL2信号(L2-r)，GalileoE5b和北斗B2混合信号(E5b/B2-r)，GalileoE5a和GPSL5混合信号(E5a/L5-r)通过数字下变频和数字滤波分离为六路数字信号，
所述互相关器组(22)包括6个结构完全相同的互相关器，用于将分离出来的各频点直射、反射数字信号进行互相关处理，其中，互相关器1将直射、反射的GPSL1和GalileoE1混合数字信号进行互相关处理；互相关器2将直射、反射的北斗B1数字信号进行互相关处理；互相关器3将直射、反射的GalileoE6数字信号进行互相关处理；互相关器4将直射、反射的GPSL2混合数字信号进行互相关处理；互相关器5将直射、反射的GalileoE5b与北斗B2的混合数字信号进行互相关处理；互相关器6将直射、反射的GalileoE5a与GPSL5的混合数字信号进行互相关处理。
2.根据权利要求1记载的一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置，其特征在于，所述高速宽带采集器(30)的采样率为656MHz，量化位数为2bit。
3.根据权利要求2记载的一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置，其特征在于，所述预处理器(21)和互相关器组(22)为软件处理。
4.根据权利要求3记载的一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置，其特征在于，预处理器(21)中的直射信号预处理和反射信号预处理分别具有以下结构，
包括一个1级2倍抽取器，一个高通滤波器，六个数字下变频，两个3级2倍抽取器，四个4级2倍抽取器，六个低通滤波器
1级2倍抽取器中HP(Half-Pass)滤波器的设计指标为通带截止频率0.42π，阻带截止频率0.6π，最大通带增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，滤出频段位于1559～1610MHz的GPSL1、GalileoE1以及北斗B1信号的数字混合信号S1，
高通滤波器用于滤出频段位于1164～1300MHz的GPSL2、GPSL5、GalileoE6、GalileoE5b、GalileoE5a、北斗B2的数字混合信号S2，其设计参数为阻带截止频率为0.46π，通带截止频率为0.6π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，
数字下变频1将2倍抽取后的S1信号与频率为263.42MHz的本地数字载波混频。数字下变频2将2倍抽取后的S1信号与频率为249.098MHZ的本地载波混频，数字下变频3将高通滤波器输出的S2信号与频率为622.750MHz的本地载波混频，数字下边频4将高通滤波器输出的S2信号与频率为571.60MHz的本地载波混频，数字下变频5将高通滤波器输出的S2信号与频率为551.140MHz的本地载波混频，数字下变频6将高通滤波器输出的S2信号与频率为520.450MHz的本地载波混频，
3级2倍抽取器1和3级2倍抽取器2中每一级的HP滤波器的设计参数一致，均为阻带截止频率为0.4π，通带截止频率为0.6π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，主要将数字下变频1、2输出的数字信号的采样率从328MHz降到82MHz，
4级2倍抽取器1、2、3、4中HP滤波器的设计参数与3级2倍抽取器1、3中每级的HP滤波器的设计参数一致，用于将数字下变频3、4、5、6输出的数字信号的采样率从656MHz降为82MHz，
低通滤波器1、2的设计参数为通带截止频率0.14π，阻带截止频率0.17π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的分别是滤出GPSL1、GalileoE1的混合数字信号和北斗B1数字信号，
低通滤波器3的设计参数为通带截止频率0.3π，阻带截止频率0.6π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的是滤出GalileoE6数字信号，
低通滤波器4的设计参数为通带截止频率0.13π，阻带截止频率0.14π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，目的是滤出GPSL2数字信号，
低通滤波器5、6的设计参数为通带截止频率0.13π，阻带截止频率0.14π，最大通道增益为0.087dB，最大阻带增益为-60dB，用于分滤出GPSL2数字信号和GalileoE5b、北斗B2混合数字信号，用于滤出GalileoE5a与GPSL5混合数字信号。
5.根据权利要求3中任一项记载的一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置，其特征在于，所述互相关器组(22)包括六个互相关器，各个互相关器包括一个时延估计，一个时延组，一个乘法器组，一个积分清零组，一个平法累加组，
时延估计根据定位信息估计反射信号相对于直射信号的路径延迟，时延组由一系列移位寄存器组成，将直射数字信号进行延时，一方面将直射信号的码相位延时到互相关窗内，另一方面引出互相关窗内的N路具有不同时延相位的直射数字信号，乘法器组由N个乘法器组成，主要将N路具有不同时延相位的直射数字信号与反射数字信号相乘，积分清零组由N个积分清零模块组成，分别将N路相乘后的结果进行时间积分，积分时长为1ms，每ms进行一次清零操作，平方累加组由N个平方累加模块组成，每个平方累加模块将每个积分清零模块输出的结果进行平方，并对1s的输出结果进行累加输出，得到与反射面对应的一维时延相关功率1、2、…、N，
N由下式确定，
N = M 82 × 10 6 f c o d e
其中，M为相关窗内的码片数，fcode为各频点导航信号所有测距码中的最小码率。
6.根据权利要求3中任一项记载的一种基于射频直接采样导航直反信号的互相关处理装置，其特征在于，所述高通滤波器由一个全通滤波器减去1级2倍抽取器中的HP滤波器构成。
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