摘 要： 文中介紹一種多天線海冰接收機的整體架構以及其在多極化海冰探測領域的應用。在此基礎上系統描述其軟硬件的設計，給出直射通道、反射通道和控制系統的詳細設計方案及具體實現。針對“北斗三號”B1C新信號的特點，設計并實現一種利用“北斗二號”B1I信號輔助“北斗三號”B1C反射信號處理的方法。最后進行反射信號接收的初步試驗，在試驗中接收到不同極化的反射信號，并通過上位機軟件觀察其相關功率，同時對比B1C與B1I反射信號的相關結果，驗證設備可以正常工作。
關鍵詞： 延遲映射接收機; 海冰探測; GNSS?R; BD?3信號; 反射信號; 初步測試
0 引 言
是一種新興的遙感探測方式，通過接收從地球表面反射的全球導航衛星系統(GNSS)的衛星信號，測量其相對延遲和幅度變化，以實現對地球表面各種物理參數的探測和反演。GNSS?R技術可用于探測海面風場與高度、海冰、土壤濕度、目標檢測等[1]，具有測量精確、監測便利、信號源豐富、接收設備簡單輕便、價格低、實時性強等優勢[2]。近年來，GNSS?R技術及其應用發展迅速，具有代表性的項目有英國的UK?DMC，TDS?1、美國的CYGNSS星座等。
在海冰探測領域，Attila Komjathy等人于2000年首次進行了GNSS?R機載海冰觀測實驗，結果顯示可以通過GPS反射信號反射系數之間的差異來區分海水和海冰。Gleason等人將空間探測到的GPS海反射信號與美國對海冰的觀測數據進行對比，說明了星載設備接收到的GPS反射信號具有探測海冰的潛力[3]。Alonsoarroyo等人利用英國TDS?1衛星獲得的GNSS?R數據，闡述了基于延遲多普勒映像(DDM)進行極地海冰探測的方法[4]。在國內，張云等人于2013年分析了歐空局的格陵蘭島實驗數據，證明了可以通過直反信號極化比進行海水和海冰的區分[5]。尹聰等人記錄了國內首次利用GNSS?R測量渤海海冰的岸基試驗，通過三層輻射模型模擬了GNSS信號在海面或冰面的反射過程，得到了信號的反射率及衛星仰角與海冰厚度的關系[6]。
國內的GNSS?R海冰探測受限于儀器設計，通常僅接收單極化反射信號，觀察其與直射信號的區別來探測海冰。實際上，不同極化信號的海冰反射率相差巨大，如圖1所示(海冰復介電常數取4.0-j0.14)。因此，同時接收多極化信號有助于獲取更多的海冰信息。如文獻[7]提出，GNSS?R水平極化和垂直極化的相位差與海冰厚度相關性明顯。Fran Fabra等利用多極化GNSS?R信號的相位延遲觀測海冰厚度的改變，反演了海冰的形成和消融過程[8]。另一方面，“北斗三號”作為中國自主研發的導航衛星系統，具有衛星數量多、頻譜寬、精度高、抗干擾能力強等特點，適合用于GNSS?R觀測，但國內具有“北斗三號”信號接收能力的GNSS?R儀器較少。
針對多極化觀測需求，本文介紹了一種多極化GNSS?R接收機的軟硬件設計與實現。本接收機最多可以同時接收5路射頻信號，其中，1路直射信號用于接收機定位，其他4路可以同時接收來自于右旋、左旋、垂直、水平極化反射天線的信號。同時，針對“北斗三號”信號的接收，本文介紹了一種基于B1I信號輔助的”北斗三號”B1C新信號延遲映像信號處理方法的設計與實現。接收機經過了初步測試，對多極化信號和“北斗三號”B1C信號的接收功能進行了驗證并給出了初步結果，后續將用于北極海冰的長期觀測。
1 硬件系統設計
海冰延遲映射接收機由天線、射頻、基帶板、上位機四部分組成。其系統構成見圖2。本儀器配備1副右旋圓極化定位天線以及左旋、右旋、垂直、水平極化的4副反射天線，天線的峰值增益均約為6 dBi。天線接收的信號輸入到射頻模塊，其主要作用是對接收到的信號進行干擾濾波、低噪聲放大、下變頻和鏡像抑制濾波以得到中頻信號，可以同時接收頻點為GPS L1(1 575.42 MHz)、BD B1C(1 561.098 MHz)、BD B1I(1 575.42 MHz)的信號。基帶板采用DSP+FPGA架構，其中，FPGA選用Xilinx的Virtex?4芯片XC4VLX200，工作頻率為61.38 MHz，實現基帶信號處理。DSP選用TMS320C6701型DSP芯片，工作頻率為120 MHz，完成定位解算、反射預測等控制處理。基帶處理完的直射/反射數據通過USB分別傳輸至上位機。上位機通過USB接口接收并存儲接收機發送的數據，并由顯示軟件實時顯示接收機位置、接收到的衛星信息、直射/反射通道狀態、包計數、反射信號的相關功率圖等信息。
2 軟件系統設計
接收機軟件系統分為直射模塊和反射模塊。直射模塊共有2個捕獲引擎和24個跟蹤通道(GPS和北斗系統各占1個捕獲引擎和12個跟蹤通道)。捕獲采用基于FFT 的并行碼相位搜索方式，其流程是先將A/D輸出的數字中頻信號與本地復現載波做乘法并進行傅里葉變換，然后將本地偽碼做傅里葉變換并取復共軛，二者復數相乘后進行傅里葉逆變換，將得到的幅值和捕獲閾值進行對比來判斷是否成功捕獲。直射通道需要對偽碼和載波進行實時跟蹤，其中，碼跟蹤采用延遲鎖定環路，載波跟蹤環路由二階鎖頻環和三階鎖相環組合而成。直射通道結構如圖3所示。
反射模塊采用多通道并行的工作模式，共有32個通道(GPS和北斗各占16個)，每4個通道處理同一衛星的4路反射信號，最多可同時處理8顆衛星(GPS和北斗各4顆)的反射信號。反射通道主要的工作是把接收到的反射衛星信號進行載波剝離并與多級延遲后的本地復現信號進行相關處理，得到關于碼延遲的一維相關波形即延遲映像，而后將其存儲。反射通道的設計如圖4所示，其中，偽碼延遲級數和延遲間隔可調，延遲間隔可以設置為FPGA采樣頻率或[12]，[14]，[18]偽碼碼片，延遲級數可以設置為3～300。反射通道主要包括本地偽碼發生器、本地載波生成器、載波/偽碼剝離器、相干/非相干積分器、數據存儲器幾個模塊。其中，本地偽碼發生器由直射通道碼跟蹤的相位值加上DSP反射延遲預測的偽碼相位間隔，產生相應的偽碼，而后通過移位寄存器進行多級延遲。本地載波生成器由直射通道載波跟蹤的頻率值加上反射延遲預測的載波頻率間隔來復現反射信號載波。本地復現的載波和多級延遲偽碼與反射中頻信號相乘后，得到的I路與Q路信號分別進行相干積分并用乘法器進行平方運算，最后完成非相干累加，積分結果由FPGA中的Block Ram進行存儲。
DSP完成系統控制，包含如下模塊：
1) 直射環路濾波及直射通道控制，完成直射通道中的鑒頻、鑒相、環路濾波以及工作狀態的控制;
2) 直射信號定位解算，由精確碼相位求得偽距并利用衛星位置信息解算出接收機的位置;
3) 反射衛星預測，通過判斷跟蹤衛星的仰角和方位角是否合適選出做反射信號處理的衛星;
4) 反射信號頻率/相位預測及反射通道控制，實時計算及控制反射載波/偽碼NCO并實現反射通道狀態的控制。
反射預測的工作流程如圖5所示。
3 “北斗三號”衛星B1C新信號處理
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