（空间物理学专业论文）gnssr海洋反射接收机的控制设计及实现.pdf

d e s i g na n d r e a l i z a t i o no fco n t r o ls y s t e m f o rt h eg n s s rr e c e i v e r s u nj i a n s u p e r v i s o r ： p r o f s u ny u e - q i a n g c e n t e rf o rs p a c es c i e n c ea n da p p l i e dr e s e a r c h c h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s m a y , 2 0 1 0 s u b m i t t e di nt o t a lf u l f i l m e n to f t h er e q u i r e m 饥t sf o rm a s t e rd e g r e e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知i 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何其他人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或 证书而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：垫剑日期：兰生：! 鱼：咝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：塑剑见证人：丝2 = 羹生星芰日期：兰2 2 1 ：2 鱼：旦尹 摘要 摘要 近些年来，g n s s r 海洋遥感技术引起了国内外越来越多的科研机构和科 研工作者的重视，研究成果表明，g n s s r 可以用来反演海面风场、海面高度、 有效波高等海面状态信息，这些对渔业生产、航海安全、气象预报等具有重要 意义。作为一种遥感技术，需要有专门的设备完成海面反射信号的采集和处理， 目前，国内外机构在接收机的研制方面取得了很大的发展，推出了众多的设计 方案。本论文结合几种主要设计方案的设计思想，给出了基于f p g a + d s p 的 g n s s r 海洋反射接收机的系统设计方案。 论文首先阐述了g n s s 信号的处理原理和g n s s - r 海洋遥感技术的相关理 论，以此为基础，着重论述了g n s s r 海洋反射接收机的设计思想，描述了整 个接收机的系统构架和各模块的主要功能。与传统g n s s 接收机相比，g n s s r 接收机除了需要完成对直接信号的捕获和跟踪，还需要接收由海平面反射的 g n s s 信号，并完成相关运算处理得到相关功率波形图。接收机基于f p g a 和 d s p 完成信号的处理和系统的控制，这是一种结合了硬件接收机和软件接收机 各自特点的设计方案，实现了实时性和灵活性两方面的要求。这一部分是接收 机的核心工作单元，论文中具体描述了其硬件设计过程。之后针对系统的硬件 结构，设计了基于d s p 运行的系统控制和信息处理程序。系统控制和信息处理 程序主要完成上电时程序加载，系统运行流程控制，可见卫星和镜像反射点预 报，实时通信等功能。最后对接收机的功能进行了测试和分析，并验证了预报 算法。 关键词：g n s s r ；接收机；d s p ；f p g a a b s t r a c t i nt h er e c e n t ) , c a r s ，t h et e c h n i q u eo fo c e a nr e m o t es e n s i n gb yu s i n gg n s s r s i g n a l sh a sb e e np a i da t t e n t i o nt ob ym o r ea n dm o r ed o m e s t i ca n df o r e i g ns c i e n t i f i c i n s t i t u t i o n sa n dr e s e a r c h e r s i ti sp r o v e dt h a tg n s s rs i g n a l sc a nb eu s e dt oe x t r a c t o c e a n8 u r f a c eg e o p h y s i c a li n f o r m a t i o n , s u c ha ss e as u r f a c ew i n df i e l d ，h e i g h ta n ds o o n , w h i c ha r eo fg r e a ti m p o r t a n c et of i s h e r i e sp r o d u c t i o n ，s a f e t yo fn a v i g a t i o na n d w e a t h e rf o r e c a s t t h es p e c i a le q u i p m e n ti sn e e d e dt os a m p l ea n dp r o c e s sg n s s r s i g n a l s s of a r , d o m e s t i ca n df o r e i g ns c i e n t i f i ci n s t i t u t i o n sh a v em a d eg r e a tp r o g r e s s i nt h ed e s i g no ft h eg n s s - rr e c e i v e ra n dd e v e l o p e ds e v e r a ld e s i g ns o l u t i o n s i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h ed e s i g np h i l o s o p h i e so ft h e s ed e s i g ns o l u t i o n sa r ec o m b i n e da n da n e w d e s i g ns o l u t i o no f t h eg n s s rr e c e i v e rb a s e do nf p g a & d s pi sd e v e l o p e d p r o c c 燧i n gt h e o r i e so fg n s ss i g n a l sa n dt h e o r i e so ft h et e c h n i q u eo fo c e a n r e m o t es e n s i n gb yu s i n gg n s s rs i g n a l sa r e e x p a t i a t e da tf i r s ti nt h i sp a p e r t h e d e s i g np h i l o s o p h yi sd i s c u s s e da n dt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dm o d u l ef u n c t i o ni s d e s c r i b e di nd e t a i l c o m p a r e dw i 廿1t h et r a d i t i o n a lg n s sr e c e i v e r , t h eg n s s r r e c e i v e rn o to n l ya c h i e v e st h ed i r e c ts i g n a l sa c q u i s i t i o na n dt r a c k i n g , b u ta l s o r e c e i v e st h er e f l e c ts i g n a l sf r o mt h eo c e a ns u r f a c e ，f i n i s h e sc o r r e l a t i o no p e r a t i o na n d g i v e sp o w e rs p e c t r u m b a s e do nf p g a & d s pt h es i g n a l sp r o c e s s i n ga n dt h es y s t e m c o n t r o li sc a r r i e do u t t h i sd e s i g ns o l u t i o nc o m b i n e sf e a t u r e so ft h eh a r d w a r e r e c e i v e ra n dt h es o f t w a r er e c e i v e ra n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m ep r o c e s s i n g a n df l e x i b i l i t y t h eh a r d w a r ed e s i g no ff p g aa n dd s pi sd e s c r i b e dc o n c r e t e l y s y s t e mc o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp r o g r a m ，w h i c hm a i n l ya c h i e v e sf l o w c o n t r o l ，v a l i dg n s ss a t e l l i t e sf o r e c a s t ，r e f l e c t i o np o i n tf o r e c a s ta n dc o m m u n i c a t i o n w i t ho t h e re q u i p m e n t ，i sd e s i g n e da n dr u na td s ef i n a l ，t h et e s t i n gr e s u l t sa n d a n a l y s e so ft h er e c e i v e ra r eg i v e n k e yw o r d ：g n s s r ；r e c e i v e r ；d s p ；f p g a i i 目录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论一l 1 1 研究背景与意义1 1 2g n s s r 接收机发展概况2 1 3 论文的主要工作和内容安排4 第2 章g n s s 信号处理原理及g n s s r 海洋遥感理论5 2 1g n s s 系统构成”5 2 1 1g p s 系统”5 2 1 2g l o n a s s 系统【1 3 1 一6 2 1 3g a l i l e o 系统6 2 1 4 北斗系统7 2 2g n s s 信号的处理7 2 2 1g p s 卫星信号的特征7 2 2 2g p s 信号的处理- - l o 2 3g n s s r 海洋遥感理论l4 2 3 1 海面风场测量原理l5 2 3 2 海面高度测量原理1 6 第3 章g n s s r 接收机总体设计1 7 3 1 设计思想一17 3 2 接收机系统组成l8 3 3 各功能模块设计1 9 3 3 1 射频前端一1 9 3 3 2a d 转换模块19 3 3 3 数字基带信号处理一2 0 3 3 4 控制及信息处理模块一2 l 第4 章信号处理及控制系统的硬件实现2 2 4 1 硬件系统整体设计”2 2 4 2 外围电路设计一2 2 4 2 1 系统供电设计2 2 4 2 2 时钟电路2 3 4 2 3 复位电路设计”2 4 4 3a d 模块设计“2 4 4 4f p g a 单元设计2 5 4 4 1 芯片简介2 5 4 4 2f p g a 的配置电路设计2 5 4 4 3f p g a 接口电路设计2 7 4 5d s p 单元设计一2 8 目录 4 5 1 芯片简介“2 8 4 5 2 时钟和锁相环滤波电路设计”2 9 4 5 3d s p 与j t a g 仿真口的连接2 9 4 5 4d s p 工作模式选择电路设计3 0 4 5 5d s p 与存储器接口设计31 4 5 6r s 4 2 2 接口设计“3 2 第5 章接收机控制系统程序设计及实现3 4 5 1 软件开发环境“3 4 5 2 程序总体设计3 5 5 3 系统的引导和加载程序3 5 5 4 系统主程序的设计”3 6 5 5 系统中断设计3 7 5 6 主要功能子模块的设计3 9 5 6 1 直反通道控制3 9 5 6 2 历书获取4 3 5 6 3 可视卫星的预报4 4 5 6 4 镜像反射点预报”4 9 5 6 5 数据的发送及接收一5 0 第6 章实验测试及分析5 2 6 1 接收机功能测试一5 2 6 1 1g p s 信号的捕获和跟踪”5 2 6 1 2g p s 卫星历书的接收测试”5 3 6 1 3 反射通道的数据处理”5 4 6 2 预报算法的验证及分析一5 5 6 2 1g p s 卫星位置的计算分析”5 5 6 2 2 接收机位置外推的计算分析5 7 6 2 3 镜像反射点计算方法的验证”5 9 第7 章总结与展望6 0 7 1 总结”6 0 7 2 展望”6 1 参考文献6 2 发表论文一6 4 致谢6 5 图目录 图目录 图2 1c ，a 码发生器8 图2 - 2 伪随机序列的自相关函数9 图2 3g p s 信号产生原理图1 0 图2 4 串行捕获原理框图。1 1 图2 5f f t 捕获算法示意图1 2 图2 - 6 伪码跟踪环原理框图13 图2 7 锁相环原理图一1 3 图2 8 叉积自动频率跟踪环路原理图1 4 图2 - 9 接收机与g n s s 卫星构成的多发单收雷达系统15 图2 1 0 反射信号功率波形与时间延迟的关系1 6 图2 - 1 1g n s s r 测量海面高度的原理示意图1 6 图孓1g n s s r 接收机的系统组成1 9 图3 - 2 直射通道信号跟踪实现示意图2 l 图夺1 信号处理及控制系统的组成2 3 图4 2 差分a d c 驱动器与a d 转换器的连接电路图2 5 图牛3m a s t e rs e r i a lm o d e 配置电路图2 7 图4 4f p g a 和d s p 的接口电路2 8 图4 5d s p 与j t a g 接口的连接方法3 0 图4 6d s p 与f l a s h 的连接3 2 图4 7d s p 与s d r a m 的连接3 2 图4 - 8r s 4 2 2 串口的连接3 3 图5 1 开发流程图3 4 图5 - 2 控制系统程序框图3 5 图5 3 主程序流程图3 7 图5 4 直射通道状态转换图3 9 图5 5 反射通道中断服务程序流程图4 2 图5 - 6 反射通道数据发送流程图4 2 图6 1g n s s r 接收机4 个通道的捕获跟踪结果5 3 图6 2 对应时刻星座分布图。5 3 图6 3 测风模式的反射信号功率波形图5 5 图6 4 测高模式的反射信号功率波形图5 5 图6 5 卫星坐标在x ，y ，z 轴的误差5 6 图6 6 卫星坐标的径向误差5 7 图6 7 外推计算值与真实轨道数据值的拟合曲线5 8 图6 8 外推计算值与真实轨道数据值间的误差曲线5 8 图6 9 镜像反射点计算结果的误差一5 9 表目录 表目录 表2 1 锁相环鉴相器14 表5 12 号卫星的历书数据4 3 表5 2 串口通信的收发关系和内容5 0 表6 18 号卫星的历书数据。：5 4 表6 2x y z 轴的误差均值和均方差的统计结果5 7 表6 3 相同历元不同阶数的拟合精度5 8 表6 - 4 相同阶数不同历元数的拟合精度5 9 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 全球导航卫星系统( g n s s ) 是近年来最具有开创意义的空间高新技术之一， 也是最具影响和最有实用价值的空间技术成果之一。目前世界上有三个已经投 入运行的卫星定位导航系统，包括美国的g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，俄 罗斯的g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 和我国的北斗导航系统。 其中g p s 、g l o n a s s 是全球卫星定位导航系统，北斗系统目前为区域定位导 航系统。除此以外，欧洲正在建设民用的全球导航卫星系统，即“g a l i l e o ”计划。 随着研究和应用的不断深入，在大气和海洋探测方面，g n s s 的应用也得 到迅速的发展，并且产生了以此技术为基础的新兴学科，如“g n s s 气象学”、 “g n s s r 海洋遥感学 等。 “g n s s r 海洋遥感学 作为一种新的遥感技术，它利用g n s s 的反射信 号( g n s s r ) 来反演海面风场、海面高度( s s h ) 、有效波高( s w h ) 、海水盐度、 土壤湿度以及冰的厚度，还可以进行涡流和海啸的监测、海面上空电离层的探 测等，从而为海洋遥感提供了一条新途径。g n s s r 技术是一种被动式的遥感 手段，即主要依靠g n s s 卫星提供信号源，通过在机载或者星载平台上安装 g n s s r 接收机来实现。与传统的遥感手段相比，该方法有如下优点【i 】：( 1 ) 采 用无源探测方法，不需要发射设备；( 2 ) 全球覆盖均匀，获取数据量大；( 3 ) 体积 小、重量轻、功耗小、成本低；( 4 ) 实时性强，可全天候工作，基本不受云、雨 等天气状况的影响，这从很大程度上弥补了现有海洋遥感手段的缺陷。 ， 海面风场是气象学和海洋学中的重要物理参数，是形成海上波浪的直接动 力，也是全球海洋环流的关键性的动力。在气象学中，海面风场是预报台风、 热带风暴、厄尔尼诺等现象的重要基础，是研究海汽间热量和物质交换的重要 影响因子【2 1 。此外，研究海面风场对于军事、渔业及海洋工程等领域同样意义 重大。 海面高度可以用于大洋环流、大洋潮汐模型的建立、以及中尺度气候模式 g n s s - r 海洋反射接收机的控制设计及实现 的研究和海啸的预警。因此获取高精度海面高度资料对于气象学家和海洋学家 非常重要。此外海浪高度资料对很多活动都是不可缺少的，例如海岸防护工作、 防波堤设计和离岸工程等。 g n s s r 海洋遥感理论和技术的发展对于生产和生活具有重大的意义。作 为一种遥感技术，需要相应的信号接收机，所以g n s s r 接收机的研制必然成 为g n s s r 海洋遥感技术研究的一个重要组成部分。本文的主要工作是完成 g n s s - r 海洋反射接收机( 以下简称为g n s s r 接收机) 的设计。 1 2g n s s r 接收机发展概况 g n s s r 接收机除了输出常规g n s s 接收机的导航参数外，最重要的输出 量是反射信号和本地生成的伪随机码的相关波形，最重要的信息包含在相关峰 值周围的若干码延迟波形内，根据相关波形可以反演出各种地球物理参数。根 据设计方案的不同，g n s s r 接收机可以分为软件接收机和硬件接收机两种。 其中软件接收机结构简单，直接采集包含了所有的有用信息的中频原始信号， 通过软件方式对采集的信号进行处理，具有灵活方便的特点，但是需要存储的 数据量大，处理过程一般需要在标准计算机中进行，所以实时性差。硬件接收 机可以直接输出海面反射信号的相关波形，数据量小实时性高；但是设备结构 复杂，成本较高，而且数据处理灵活性欠缺。总之二者各有优缺点，目前两种 设备都在不断开发和改进中。 从9 0 年代开始，g n s s r 软件接收机的研究工作一直在进行，出现了以 下几个具有代表性的发展实例： 1 ) e s a 设备a ，基于g e c p l e s s e yg p s 开发工具【3 l 完成信号变频到基带、 采样和数据存储，存储能力只有3 2 m b ，所以每次只能连续工作2 5 6 s 。在每次 采集数据后需要1 0 m i n 的时间将数据转存到数字磁带中。 2 ) j o h n sh o p k i n s 大学应用物理实验室开发的通用g p s 接收机 4 1 。系统前 端是g e c p l c s s e y 芯片，直接和反射信号在频率5 7 1 4 m h z 同步采样，使用高 速存储设备存储数据。后处理时使用具有码延迟和多普勒跟踪能力的软件。g p s 接收机算法对直接和反射信号处理得到相关波形。 3 ) 科罗拉多大学设备，研究组利用g p s 模块开发了专门的开环软件接收 2 第l 章绪论 机，采用两个小的g p s 接收天线安装到飞机的项部和底部，信号下交频到基 带，采样存储后进行开环后处理【卯。 4 ) s t a r l a b 的o c e a n p a l 接收机，系统有两个模拟下变频链路，原始数据用 1 6 m h z 采样。数据处理单元控制原始数据的接收，接收完毕后自动对数据进 行复相关处理并且反演地球物理参数。因系统与网络连接，所以结果可以在网 上传输。该设备目前主要用于岸基遥感，并进行了大量岸基试验 6 - r l 。 同时，另外一些研究机构把研究的重点放在了硬件接收机上，研制出了以 下几台硬件接收机： 1 ) n a s a 兰利研究中心设备，该设备以相对直接信号的反射信号接收时间 为函数测量海面反射信号功率。5 7 m h z 采样，有1 2 个相关器，相关芯片为 g e c p l e s s e y 2 0 2 1 芯片，时间分辨率为5 0 0 n s ，系统提供l m s 相干积分结果， 然后非相干到0 1 s 。接收机在文献【8 】和【9 】中详细描述。 2 ) g f z ( g e o f o r s c h u n g s z e n t r u mp o t s d a m ) 设备，基于o p e n g p s 接收机的硬 件和软州1 0 1 开发，反射信号跟踪采用开环跟踪，同时最大接收4 颗卫星信号， 延迟间隔分辨率为5 0 0 n s ，硬件同样基于g e c p l e s s e y 芯片。 3 ) i e e c 的g o l d r t r ( g p so p e n - l o o pd i f f e r e n t i a lr e a l t i m er e c e i v e r ) 接收机 1 q 。该设备有3 个天线输入，一个天顶方向接收直接信号和两个天底方向接收 反射信号。中频信号l b i t 量化以4 0 m h z 数字采样。数字数据然后在f p g a 中 处理，其中，有l o 个可同时处理的相关通道，每一个通道都有“个相关器， 相关延迟分辨率为5 0 n s ，有三个软核处理器，一个控制相关，一个控制以太网 连接，还有一个探测相关波形的峰值。以上设计使数据处理比较灵活，每一个 通道可以独立配置其处理信号的模型，可以在不同的通道配置不同的卫星数据， 也可用所有的通道来处理一颗卫星的数据。虽然该接收机的设计非常复杂，但 是它是目前最好的g n s s r 接收机之一。 开展g n s s r 研究的最终目标是能够实现星载观测。许多学者对卫星观测 g p s 反射信号已经进行了初步的研究。例如德国g f z ( g e o f o r s c h u n g s z e n m l m p o t s d a m ) 的学者b e y e r l e 等在针对1 9 9 7 年2 月2 1 6 日的g p s m e t 掩星数据进行能 量谱分析时发现，部分谱分量i ：l g p s 掩星信号分量弱1 0 - - 2 0 d b ，通过研究，他们 认为这些分量是地球表面的反射信号，从而证实在卫星上可以接收到反射信号。 g n s s r 海洋反射接收机的控制设计及实现 英国空间中心于2 0 0 3 年1 0 月发射了7 0 0 公里高的极轨u k - d m c 灾难探测卫星，其 上安装了由萨里卫星技术公司提供的g p s 反射信号接收设备，目的是研究利用 星载g n s s r 设备遥感海态参数、冰雪和陆地的可行性。接收数据验证了利用较 低增益( 11 s d b ) 的天底方向左旋天线可以接收到海面的反射信号。 目前，国内的总参大气环境研究所和解放军理工大学开展了风场反演的研 究。由中科院武汉物理与数学研究所、海洋局第三海洋研究所、中科院大气物理 研究所、中科院空间科学应用与研究中心以及武汉大学等单位组成了比较系统地 开展研究的小组，开展了g n s s r 的仿真研究，分析了c h a m p 掩星观测数据中的 海洋反射信息，模拟海洋反射功率，在厦门建立了一个实验研究基地，利用 g n s s r 反射信号反演海洋状态和潮位【1 2 1 。国内从事g n s s r 接收机的研制工作 的单位主要有北京航空航天大学、哈尔滨工程大学、中国科学院空间科学与应用 研究中心等。目前，这些单位在g n s s r 接收机的研制上取得了一定的成果。 1 3 论文的主要工作和内容安排 本论文的主要工作是基于f p g a 和d s p 设计完成g n s s r 海洋反射接收 机，并对接收机的控制系统的设计和实现进行研究。论文共分为六章，各章的 具体内容简述如下： 第l 章简要介绍了g n s s r 海洋遥感技术的意义和g n s s r 接收机的国内 外研究现状。 第2 章介绍了g n s s 的系统构成，论述了g p s 信号的处理原理，阐述了 g n s s r 海洋遥感的基础理论。 第3 章介绍了g n s s r 海洋反射接收机的系统组成，重点描述各模块的功 能和设计。 第4 章依据前面的论述，基于f p g a 和d s p 完成信号处理及控制系统的硬 件设计。 第5 章研究接收机的控制系统程序的设计和实现。给出了程序加载和引导 的方案，完成了主程序的运行流程设计和中断程序的设计，具体描述了直反通 道控制，历书获取，事件预报，同步串口通信等功能子模块的设计。 第6 章给出了实验测试结果，并做了相关分析。 第7 章是对文章工作的总结，并且在总结的基础上提出下一步的工作设想。 4 第2 章g n s s 信号处理原理及g n s s - r 海洋遥感理论 第2 章g n s s 信号处理原理及g n s s r 海洋遥感理论 g n s s r 接收机对g n s s 卫星信号进行处理，了解g n s s 系统及其信号的 处理原理是完成接收机设计的基础。与普通g n s s 。接收机不同，g n s s r 接收 机还要对g n s s 信号的海面反射信号进行处理，所以还需要掌握g n s s r 海洋 遥感的相关理论。 2 1g n s s 系统构成 g n s s 主要包括美国的g p s 、俄罗斯的g l o n a s s 和欧盟的g a l i l e o ，另外 我国建设了用于区域定位的北斗卫星系统。这些系统各具特点，同时又具有相 通之处。 2 1 1g p s 系统 为了满足军方和民用领域对连续、实时、精确导航的需求，美国国防部于 1 9 7 3 年提出了授时与测距导航系统全球定位系统( n a v s t a r g p s ) 方案，通常 简称为全球定位系统( g p s ) ，它向有适当接收设备的全球范围用户提供精确、连 续的三维位置和速度信息，并且有精密u t c 授时的服务。 g p s 系统由三部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 空间星座部分由2 4 颗卫星组成。卫星分布在6 个轨道面内，每个轨道上分布有 4 颗卫星。每个轨道面与地球赤道面的夹角约为5 5 度，相邻两个轨道面的升交 点经度相差6 0 度。卫星轨道的平均高度约为2 0 2 0 0 k i n ，运行轨道是一个很接 近于正圆的椭圆，运行周期为1 1 小时5 8 分。g p s 卫星采用码分多址( c d m a ) 技术在两个频率上广播测距码和导航数据；也就是说系统只使用两个频率，称 为l 1 ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和l 2 ( 1 2 2 7 6 m h z ) 。每颗卫星分配有专门的伪随机码( p r n ) ， 各个卫星的伪随机码之间几乎不相关。g p s 卫星采用了两种伪随机码，即粗 捕获( c a ) 码和精密( p ) 码。测距码使用户接收机能够确定信号的传输延时， 从而确定卫星到用户的距离；导航数据包括卫星星历、卫星工作状态、卫星历 g n s s r 海洋反射接收机的控制设计及实现 书、时问系统等数据，为接收机提供了确定卫星在信号发射时刻的位置的手段。 2 1 2g l o n a s s 系统1 1 3 i g l o n a s s 系统是前苏联对应于g p s 的类似系统。自1 9 6 5 年开始，原苏 联海军开始建设，并于1 9 8 2 年1 0 月开始不断地发射第二代导航卫星，组建原 苏联自己的第二代卫星导航系统。1 9 9 5 年1 2 月1 4 日，g l o n a s s 系统正式 建成。 g l o n a s s 由2 1 颗处于工作状态的卫星加上3 颗在轨备用卫星组成，它们 均匀分配在三个轨道上，每个轨道面上分布8 颗g l o n a s s 卫星。三个轨道面 的相互夹角按升交点经度计算为1 2 0 。，轨道倾角为6 4 8 。，轨道高度1 9 1 0 0 k m ， 轨道周期1 l 小时1 5 分钟，地面轨迹每8 天重复一次。 g l o n a s s 利用频分多址( f d m a ) 技术，卫星传送相同的p r n 码，但是以 不同的载波频率发送。g l o n a s s 分配有g 1 ( 1 5 9 8 0 6 2 5 1 6 0 7 0 6 2 5 m h z ) 和 g 2 ( 1 2 4 2 9 3 7 5 1 2 4 9 9 3 7 5 m h z ) 两个频段，在g 1 频段上频道间距是o 5 6 2 5 m h z ， 而在g 2 频段上频道间距是0 4 3 7 5 m h z 。载波频率是频道间距的整数倍。 在g i 频道，第k 个频道的中心频率是 五= 1 6 0 2 + k 0 5 6 2 5m h z k = 一7 ，- 6 ，一l ，0 ，l ， 6 ( 2 1 ) 2 1 3g a l i l e o 系统 g a l i l e o 系统是在欧盟和欧空局联合倡议下启动，对欧洲政治、战略和经济 有巨大影响的一个全球卫星导航系统。计划的卫星星座由3 0 颗卫星组成，包括 3 个轨道面，每个轨道面上l o 颗星。轨道高度为2 3 2 2 2 k m ，倾角为5 6 。，运行 周期为1 4 小时4 分钟，地面轨迹每1 0 天重复一次。g a l i l e o 系统计划提供5 种 基本的业务：开发业务( o s ) 、商业业务( c s ) 、生命安全业务( s o l ) 、公共管理业 务( p r s ) 、搜救业务( s a r ) 。 目前已发射了两颗试验卫星，g i o v ea 和g i o v eb 。g i o v ea 卫星可以 发射载波频率为e l + e 5 或e l + e 6 的信号，而g i o v eb 则可以同时发射三个载 6 第2 章g n s s 信号处理原理及g n s s r 海洋遥感理论 波频率( e i + e 5 + e 6 ) 。根据最新的g a l i l e o 的i c d 文件，上述三个载波中心频率 分别为e 1 = 1 5 7 5 4 2 0 m h z ，e 6 = 1 2 7 8 7 5 0 m h z ，e 5 = 1 1 9 1 7 9 5 m h z 。 2 1 4 北斗系统 北斗是为多阶段卫星导航计划起的中文名，计划为我国军用和民用用户设 计提供定位、船车队管理和精密授时服务。北斗二代系统是我国研制的新一代 导航系统，用户机可免发上行信号，不再依靠中心站电子高程图处理或由用户 提供高程信息，而是直接接收卫星单程测距信号自己定位，系统的用户容量不 受限制，并可提高用户位置隐蔽性。 2 2g n s s 信号的处理 g n s s 卫星信号采用伪码扩频技术进行调制，不同系统之间在载波频率、 伪码产生方法及码速率等方面存在差异，但是信号的捕获和跟踪是g n s s 信号 处理的共同基础。g p s 卫星信号是目前研究最为广泛、处理技术最为成熟的 g n s s 信号，本文以g p s 信号为代表简绍g n s s 信号的处理方法。 2 2 1g p s 卫星信号的特征 g p s 卫星信号从结构上分为三个层次：载波、伪随机码和导航电文数据。 伪码和数据位一起通过调制而依附在正弦波形式的载波上，然后卫星将调制后 的载波信号播发出去。 载波 g p s 卫星的载波信号有两个l 波段频率( l i 和l 2 ) ，其中载波l 1 的中心频 率石= 1 5 4f o = 1 5 7 5 4 2 m h z ( f o 为基准频率：1 0 2 3 m h z ) ，载波l 2 的中心频率 五= 1 2 0 五= 1 2 2 7 6 0 m h z 。 伪随机码 g p s 卫星采用了两种伪随机码，即粗捕获码( c a 码) 和精密码( p 码) 。伪码 在g p s 中又被用作测距码。接收机通过对所接收到的卫星信号与接收机内部所 复制的伪码进行相关运算，检测自相关的峰值，从而确定接收机信号中伪码的 7 g n s s - r 海洋反射接收机的控制设计及实现 相位并测量从卫星到接收机的空间距离。c a 码是周期为1 0 2 3 个码片的g o l d 码。它的码率为1 0 2 3 m e p s ，码周期为l m s ，即一个c a 码周期包括1 0 2 3 个码 元。p 码码率为1 0 2 3 m o p s ，具有2 3 5 x1 0 1 4 个码元，码周期为2 6 6 4 天。实际 中p 码发生器对这一周期约为3 8 星期长的的序列进行截短，得到周期为一星 期长的p 码层。本设计中主要针对c a 码序列进行处理，所以重点介绍c a 码 的生成方式和自相关特性。 c a 码发生器的结构如图2 1 所示，它包括两个具有十级反馈的移位寄存 器组，由此产生两组码率为1 0 2 3 m e p s 、周期长为1 0 2 3 码元的伪随机序列g 。和 g ：。g 。和g ：的特征多项式如下： g l ( 力= l + x 3 + x o( 2 2 ) g 2 ( 功= 1 + x 2 + x 3 + x 6 + x 8 + x 9 + x 1 0 ( 2 3 ) 然后g ：输出序列进行不同的时延后与g 。输出序列进行异或，生成不同卫 星的c a 码序列。g ：码的时延效果是由选择两个抽头的位置异或而获得的， 每个c a 码p r n 号对应了不同的抽头对，对应生成不同的伪随机序列。 g c ；| _ a t 图2 一lc a 码发生器 第2 章g n s s 信号处理原理及g n s s r 海洋遥感理论 c a 码具有一个很重要的特点：良好的自相关性。一个二进制数伪随机序 列工o ) 的自相关函数( a c f ) 足( r ) 定义为 疋( f ) = 亍1r x ( f ) x o f ) 以 ( 2 4 ) 其中，x ( f ) 为g p s 伪随机码( 值为+ 1 或一1 ) ，f 为时间延迟，t 为伪随机 码的周期。伪随机码的自相关函数疋( f ) 在原点中心呈一个三角形( 图2 - 2 ) ，表 明在r = 0 时，具有最大的自相关性，足( f ) 值等于1 。当f 与整数倍码周期的差 值超过一个码元宽度( 毛) 时，自相关函数值为一刍，p 为每个码周期包括的码 元数( 对c a 码来说是10 2 3 ) 。 ljt ， |：。 t |1 p 卜码元宽度 图2 2 伪随机序列的臼相芙函数 对于不同卫星间的伪随机码，其互相关函数为： 民心( f ) = 专r 五o ) t o f ) d t ( 2 5 ) 其中，五( f ) 、x 2 ( t ) 分别表示不同卫星的伪随机码。当一( f ) 和x 2 ( t ) 来之不 同的卫星时，互相关值氏电( f ) 接近于0 ，( f ) 与艺( f ) 被称为接近正交。 导航电文数据 c a 码和p 码信号上均调制有5 0 b p s 的数据。这些数据为用户计算每一颗 可见星的精确位置和每一