基于GNSS—R的車輛探測定位實驗研究

陶瓊+孟李林+黃海生+李鑫+魏婷+楊銳+邢永強

摘 要： 針對目前導航衛星應用領域中一個新的熱點研究內容，利用GNSS衛星反射信號作為無源雷達進行目標探測和定位，基于GNSS?R技術進行車輛探測定位實驗研究，并給出反射信號相對于直射信號的延遲時間求解方法。實驗對接收到的直射信號進行處理，提取直射信號信息作為先驗條件，進行反射信號的細捕獲，縮小反射信號捕獲的搜索范圍，采用基于FFT的并行碼相位捕獲算法將碼相位延遲時間精確到碼片。將實驗數據與理論值進行對比分析，驗證了該方法的正確性。

關鍵詞： GNSS； 車輛探測； 反射信號； 直射信號； 相位捕獲算法； 相位延遲

中圖分類號： TN967?34； P228.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）05?0106?04

Abstract： The reflected signal of global navigation satellite system （GNSS） is used to perform the target detection and location for the passive radar. The vehicle detection and localization experiment based on GNSS?R technology is studied. The delay time solving method of reflected signal relative to direct signal is given. The received direct signal is processed in the experiment. The direct signal information is extracted as the prior condition to carry out the fine capture of the reflected signal， so as to narrow the search range of the reflected signal capture. The FFT?based parallel code phase capture algorithm can correct the code phase delay time to chip. The experimental data is compared with the theoretical values. The correctness of the method was verified.

Keywords： global navigation satellite system； vehicle detection； reflected signal； direct signal； phase capture algorithm； phase delay

0 引 言

基于GNSS?R（Global Navigation Satellite System Reflections）目標探測技術是一種新興的遙感技術，其本質是利用傳統導航定位系統中認為是“有害的”多徑信號，遙感地表參數、探測外來目標等[1]。四大衛星導航系統在L波段的GPS L1，GPS L2，GPS L5，BDS B1，BDS B2，BDS B3，GLONASS L1以及伽利略L1等多個頻點上發射導航服務信號，可作為輻射源。該技術具有成本低、覆蓋寬、全天候等眾多優勢，在海面測高[2]、海面測風[3]、積雪厚度探測、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目標探測[6?7]等方面都展現出應用前景。

利用目標反射的GNSS信號，探測目標所在的空間位置和運動變化軌跡的雷達稱為非合作式“雙基地”（或“多基地”）無源雷達。該技術可廣泛應用于探測戰斗機、導彈、無人機等移動目標的出現和運動變化現象中，以及對陸地和海洋上移動目標的探測和識別[8]。GNSS?R探測儀同時接收來自衛星發射的直射信號和從目標物體上反射的衛星信號，并進行信號處理，通過對比直射信號與反射信號二維相關峰值的時間延遲，推算目標物體與接收機之間的距離，從而確定被測物體的空間位置。計算反射信號相對于直射信號的時間延遲是利用GNSS?R探測目標的核心技術。

本文研究GNSS的目標物體回波特性，利用回波進行目標定位。具體實驗是用固定車輛的GPS反射信號計算汽車的空間位置。

1 GNSS?R目標探測原理

在地球上任何地方任何時刻都能同時觀測到多顆導航衛星，因此，可利用一臺接收機接收多顆衛星的反射信號，就可以實現對反射目標的定位。基于GNSS反射信號的目標探測系統原理如圖1所示。接收機同時接收直射和反射兩路信號，在圖1中分別用虛線和實線標出。

通過對直射信號和反射信號的分析處理，獲得反射信號與直射信號的傳播路徑差，結合衛星及接收機的位置，計算反射目標的位置坐標。具體做法如下：

在地心直角坐標系下，假設滿足條件的導航衛星的坐標分別為；目標位置坐標為；接收機的位置坐標為。在圖1中，對于1號導航衛星，其反射信號相對于直射信號到達接收機的路徑差為：

式中：導航衛星與接收機位置可通過接收機直射信號的定位解算模塊求解得到，c為真空中光速；為反射信號相對于直射信號到達接收機的時間延遲，可將其轉化為接收機直射信號與反射信號碼相位延遲時間（以下簡稱碼延遲時間）。同理，可得到滿足條件的其他3顆衛星的路徑差方程，綜合上述方程建立方程組，便可解算出探測目標的位置坐標。

2 碼延遲時間的求解

由于直射信號與反射信號之間存在波程差，二者之間必然存在碼相位延遲，則兩路信號的二維相關功率如圖2所示。設導航信號碼周期為對于GPS信號而言，一個碼周期有1 023個碼片，則有如下關系式：endprint

式中：為反射信號相對于直射信號的延遲碼片數（單位：個）；與式（1）中的意義相同，為碼延遲時間。求碼延遲時間的問題可轉換成信號碼相位的求解問題。

2.1 碼延遲求解過程

GPS?R測量碼延遲時間的電路系統結構圖如圖3所示。硬件部分由天線和中頻信號采集器組成，直射天線為右旋圓極化（RHCP）天線，為普通的商業GPS接收機天線，用來接收直射信號。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，接收經目標物體反射的反射信號。GN2012為GPS中頻信號采集器，對天線接收到的模擬信號進行降頻并采樣，得到數字中頻信號。將直射信號存儲在通道A，反射信號存儲在通道B，用圖3中所示數據格式交替存儲。

軟件部分為信號處理單元，完成直射信號和反射信號的數據處理，求出碼延遲時間。通過設置選取A路或B路信號進行分析，直射信號的處理與常規GPS接收機相同，包括捕獲、跟蹤和定位解算。將獲得的衛星號、碼相位和多普勒頻率作為先驗條件，送入反射信號估算模塊，對反射信號的碼相位及多普勒頻移進行估算，設置搜索范圍和搜索步長，進入反射信號細測量模塊，進行精度小于一個碼片的精細捕獲，求得反射信號碼相位。最后將二者碼相位進行比較，得到延遲碼片數由公式（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。對于靜止接收機且反射面為陸地上的車輛而言，其運動速度相比于導航衛星運動速度來說很小，其反射信號與直射信號的多普勒頻移在同一數量級上，因此直接用直射信號載波NCO的輸出作為反射信號的多普勒頻移[9]。反射信號本地C/A碼相位的估算為：

式中：為先驗信息中直射信號碼相位；為接收機高度；為衛星高度角；為一個C/A碼片的持續時間。

2.3 反射信號細測量

對于反射信號的處理如圖4所示，在基于FFT的并行碼相位捕獲算法[9]的基礎上進行改進，將估算模塊獲得的碼相位和載波相位分別送入可調本地載波和本地C/A碼產生模塊，輸入數據與可調本地載波混頻，通過一個由16點累加器實現的低通濾波器，濾除和頻分量，實現載波的剝離；而與C/A碼的相關運算，采用快速傅里葉變換實現，將剝離載波后的信號做FFT并取共軛，與本地C/A碼做FFT后的結果相乘，再取IFFT得到反射信號的相關值波形；記錄相關峰值及相關峰所在的碼片位置。由于對碼相位分辨率的要求，此處將本地C/A碼按位擴展16倍，以達到碼延遲時間精確到碼片的目的。

3 車輛探測實驗

探測對象為校園空曠處停放的車輛，數據采集環境如圖5所示，主要包括左旋天線、右旋天線、GN2012中頻信號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，指向車輛方向；GN2012中頻信號采集器輸出數據是采樣率為16.369 MHz，信號中心頻率為4.123 MHz，2 bit量化的數字中頻信號；筆記本電腦裝有中頻信號采集軟件，進行數字中頻信號的傳送和保存。實驗中，天線在車輛正南面，與接收機直線距離為35 m，將實驗計算結果與此對比，驗證該方法的正確性。

GPS信號中C/A碼長度為1 023個碼片，周期為1 ms，則一個C/A碼周期所對應的距離約為：

一個碼片對應的距離為 m。在2.3節的反射信號細捕獲算法中，將每一個碼片擴展了16倍，即采樣頻率為16.368 MHz，由此推算出理論測距精度約為 m。

先選4 ms直射信號數據進行處理，如圖6所示，結果給出數據采集時刻接收機捕獲到的直射信號的衛星號、碼相位及多普勒頻率的粗略值。圖7為捕獲的衛星星空視圖，同心圓為等仰角線，從外到內分別代表0°，45°，90°。根據實驗場景設置，低仰角衛星的反射信號會更強[10]，天線朝向偏西北方向，因此，應選取仰角為10.30°的6號衛星進行碼延遲時間的求解。

由圖6可知，6號衛星多普勒頻移為2 600 Hz，碼相位為第32個碼片，直射信號跟蹤結果顯示載波多普勒頻移為2 597 Hz。由于反射信號強度較弱，這里采用增加相干積分時間的方法，而GPS導航電文數據比特寬度為20 ms，因此做反射信號細捕獲時，截取10 ms數據，以保證在連續兩段數據中至少有一段數據無導航數據跳[11]。根據估算，碼延遲時間在一個碼片范圍內，因此以第32號碼片為起點，搜索步進為碼片，向后1個碼片，按2.3節所述進行搜索。將反射信號相關峰值與直射信號進行對比，結果如圖8所示。

從中選取某一頻率點如2 600 Hz，對直射和反射信號碼相位相關峰值做歸一化處理并進行對比，結果如圖9所示。

從圖9中可以看出6號衛星反射信號相比于直射信號而言，有較大衰減，且相關峰延遲個碼片，換算成延后距離約為55 m，理論路徑延遲為m，誤差13.87 m，在測量精度范圍之內。

4 結 語

為探究用GNSS衛星反射信號作為無源雷達進行目標探測和定位的可行性，本文以GPS信號為例，進行基于GNSS?R技術車輛探測定位實驗。實驗給出反射信號相對于直射信號延遲時間的求解方法，用直射信號信息作為先驗條件，進行反射信號細捕獲，縮小了反射信號捕獲的搜索范圍，減少了捕獲所需的時間。采用基于FFT的并行碼相位捕獲算法，將碼相位延遲時間精確到碼片，即18.33 m。但實驗場地仍存在地面等其他反射面對實驗結果的影響，本次實驗并未考慮這些因素，實驗場地其他多徑信號對探測目標反射信號的影響將是今后的研究方向。

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