基于GNSS-R 的移動目標(biāo)探測技術(shù)研究

朱鵬飛，朱慶林，董翔，孫明晨

(中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引言

作為一種無源雷達(dá)，全球衛(wèi)星導(dǎo)航反射信號(GNSS-R)系統(tǒng)自身不發(fā)射能量，而是利用目標(biāo)反射的電磁信號對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測.相比于主動探測雷達(dá)，無源被動雷達(dá)具有以下優(yōu)勢：首先，不需要向外發(fā)射能量，本身耗能小，同時不易被其他電磁信號探測設(shè)備探測到，戰(zhàn)場生存能力強(qiáng)；其次，具有功耗低、尺寸小、維護(hù)成本低等特性，能夠安裝在主動雷達(dá)無法安裝的位置；再次，具有雙基地雷達(dá)的特性，能夠?qū)﹄[身目標(biāo)進(jìn)行探測；最后，具有成本低、安裝限制少等特性，能夠進(jìn)行站網(wǎng)式布置，對民用滑翔飛機(jī)、無人機(jī)等目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測.而全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)信號作為一種無源被動雷達(dá)信號源，具有其他信號源不具備的優(yōu)勢.首先，GNSS 信號具有全球覆蓋、全天時、全天候工作、信號源豐富、信號結(jié)構(gòu)公開等優(yōu)勢；其次，相比于全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、數(shù)字視頻廣播(DVB-T)等信號源，GNSS 信號源更加豐富.全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo 和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)，每個單獨(dú)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)均能夠在任意時刻提供6～8 顆可視衛(wèi)星[1].另外，作為一種微波信號，GNSS 信號能夠穿透密林等遮擋，在云、雨、霧等天氣仍能正常工作.

自1993 年Martin-Neria 首次提出GNSS-R 技術(shù)理論[2]，該技術(shù)經(jīng)歷了三十年的發(fā)展.起初，GNSS-R技術(shù)主要用于海洋遙感，而在該領(lǐng)域已經(jīng)具有了比較成熟的研究，在海面高度測量[3]、海面有效波高[4]、海面風(fēng)場[5-6]、海水鹽度[7]、潮汐探測[8]等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用.隨后，在陸面遙感方面，如土壤濕度[9-10]、積雪厚度[11]、植被覆蓋[12]等參數(shù)的遙感也逐漸取得眾多突破性進(jìn)展.隨著我國北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)的全面建成，其完備的星座構(gòu)成及良好的信號質(zhì)量為GNSS-R 遙感提供了更加優(yōu)越的硬件基礎(chǔ).

近年來，基于GNSS-R 的目標(biāo)探測技術(shù)逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，探測目標(biāo)主要分為海洋目標(biāo)、陸地目標(biāo)以及空中目標(biāo)三大類.其中，海洋目標(biāo)探測主要針對海冰、油污、滸苔以及大型船舶等海上漂浮物[13-15]；陸地目標(biāo)探測主要針對建筑物、車輛等[16-17]；空中目標(biāo)探測主要針對飛機(jī)等目標(biāo)[18].本文基于GNSS-R信號遙感探測區(qū)域表面形狀特性變化的方法，進(jìn)行移動目標(biāo)的探測.相比與其他探測方法，該方法能夠得到較為準(zhǔn)確的目標(biāo)位置與高度信息，能夠?qū)δ繕?biāo)類型進(jìn)行初步判定.

1 反演算法原理

1.1 信號傳播模型

GNSS-R 信號接收系統(tǒng)有兩個GNSS 信號接收天線，前者利用右旋圓極化(RHCP)天線接收來自導(dǎo)航衛(wèi)星的直射信號，后者利用左旋天線接收經(jīng)過地面反射后的信號.地面為較粗糙的GNSS 信號反射面，GNSS 信號經(jīng)過地面反射后極化特性變?yōu)樽笮龍A極化(LHCP)，由于極化特性的變化，直射與反射信號接收天線接收到的信號互不干擾.同時，由于兩個天線距離近，可以忽略不同路徑傳播造成的電離層延遲和對流層折射效應(yīng).因此與自身信號唯一不同的是，反射信號經(jīng)過目標(biāo)區(qū)域的反射，信號中攜帶了目標(biāo)探測區(qū)域的物理特征信息，本文主要對探測區(qū)域的高度特征進(jìn)行監(jiān)測.信號的傳播模型如圖1 所示.

圖1 信號傳播模型

從圖1 可知，由于GNSS 衛(wèi)星距離地面非常遠(yuǎn)，可以將傳播到地面的GNSS 衛(wèi)星信號視為平行信號進(jìn)行處理，根據(jù)鏡面反射原理，反射信號相對于直射信號的路徑延遲為

式中：H為接收機(jī)高度；? 為入射信號與地面的夾角(衛(wèi)星仰角)；τ 為反射信號相比于直射信號的延遲時間；c為光速.

探測區(qū)域與天線的高度差為

式中，L0為目標(biāo)進(jìn)入前直射信號與反射信號的路徑延遲.

如圖2 所示，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域后，鏡面反射點(diǎn)位置發(fā)生變化，探測區(qū)域高度為

圖2 目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域后信號傳播模型

式中：h為移動目標(biāo)頂部相對于基準(zhǔn)面的高度；L為目標(biāo)進(jìn)入后直射信號與反射信號的路徑延遲.

1.2 信號處理流程

兩路信號接收天線接收到GNSS 信號后，經(jīng)過前端射頻模塊進(jìn)行濾波、下變頻、功率放大、A/D 采樣等處理，得到數(shù)字中頻信號，表達(dá)式為

式中：Ps為信號功率；C(t) 為CA 碼，其值為±1；D(t)為導(dǎo)航電文比特；τ 表示傳輸過程中造成的時間延遲；ωIF為中頻載波頻率；φ(t) 為 初始載波相位；n(t) 為白噪聲.

對直射信號數(shù)字中頻信號進(jìn)行捕獲、跟蹤處理，得到當(dāng)前時刻的碼相位、多普勒頻移等信息.基于直射信號碼相位和多普勒頻移信息產(chǎn)生本地載波信號與偽碼序列，并將本地信號與反射中頻信號進(jìn)行相關(guān)處理.

數(shù)據(jù)處理流程如圖3 所示.

圖3 信號處理流程

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)場地

由于在山東青島地區(qū)BDS 衛(wèi)星數(shù)量多，且多位于南方向，為了取得更好的實(shí)驗(yàn)效果，選擇南側(cè)空曠的實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于青島市城陽區(qū)某酒店樓頂，酒店坐北朝南，為一個三層建筑，建筑高度約為14 m，建筑前方為汽車行駛通道與花圃，如圖4 所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)場地實(shí)景圖(正視)

將信號接收天線(直射信號接收天線朝向天頂方向，反射信號接收天線朝向汽車行駛通道)放置于酒店樓頂南向矮墻上，GNSS 中頻信號采集器(將接收到的直射通道射頻信號與反射通道射頻信號通過濾波、放大、下變頻及模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)字信號)與數(shù)據(jù)處理主機(jī)(用于設(shè)置接收信號頻點(diǎn)、采樣率、存儲位置、存儲數(shù)據(jù)大小與時長等信息，并存儲中頻數(shù)據(jù))放置于酒店樓頂中央位置.其中信號接收天線與GNSS 中頻信號采集器之間使用10 m 長的射頻線纜連接，GNSS 中頻信號采集器與數(shù)據(jù)處理主機(jī)之間使用USB3.0 數(shù)據(jù)傳輸線連接，實(shí)驗(yàn)場地布置如圖5 所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)場地示意圖(俯視)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括直射信號接收天線、反射信號接收天線、GNSS 中頻信號采集器、數(shù)據(jù)處理終端、實(shí)驗(yàn)車輛以及其他連接線纜等，如圖6 所示.其中直射信號接收天線為RHCP 有源天線，直流供電電壓為5 V，仰角90°方向增益為6 dB，仰角20°時增益降低為0 dB；反射信號接收天線為LHCP 有源天線，直流供電電壓為5 V，仰角90°方向增益為5.5 dB，仰角20°時增益降低為0 dB；GNSS 中頻信號采集器為雙通道GNSS 信號同步采樣設(shè)備，支持 10 MHz、20 MHz、40 MHz 三種采樣頻率，采樣制式為I/Q 正交采樣，支持 4 bit 和8 bit 兩種數(shù)據(jù)位寬；數(shù)據(jù)處理終端使用華為PC 機(jī)，型號為MateBook D，具有兩個USB3.0 數(shù)據(jù)傳輸接口和一個USB2.0 數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)驗(yàn)車輛高1.5 m、寬1.8 m、長4.5 m.

圖6 實(shí)驗(yàn)場景

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建完成后，打開數(shù)據(jù)采集軟件(數(shù)據(jù)采集軟件可以選擇通道使能、數(shù)據(jù)采集頻段、信號帶寬、速率、數(shù)據(jù)位寬等).由于山東青島地區(qū)可視BDS衛(wèi)星通常情況下多于GPS 衛(wèi)星，且BDS 信號帶寬較大(測量精度高)，設(shè)定采集頻段為1 561 MHz，信號帶寬為2 MHz，采樣速率為40 MHz，數(shù)據(jù)位寬為4 bit.其中通道1 連接直射信號接收天線，通道2 連接反射信號接收天線，數(shù)據(jù)采集軟件界面如圖7所示.

圖7 數(shù)據(jù)采集界面

實(shí)驗(yàn)車輛沿酒店內(nèi)部道路行駛，實(shí)驗(yàn)車輛共三次經(jīng)過信號接收天線正前方.數(shù)據(jù)采集過程中，錄制實(shí)驗(yàn)過程，視頻錄制時間對應(yīng)數(shù)據(jù)采集時間，以便后期進(jìn)行對應(yīng).

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對接收到的GNSS 信號進(jìn)行處理，得到實(shí)驗(yàn)位置BDS 衛(wèi)星星空分布圖，如圖8 所示.

圖8 BDS 衛(wèi)星星空圖

BDS 星空圖結(jié)合場地實(shí)際情況，選用鏡面反射區(qū)域位于汽車行駛通道的衛(wèi)星信號，27、28、40、30 號衛(wèi)星均位于北向，無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，7、8、38、46 號衛(wèi)星仰角較大，鏡面反射區(qū)域位于酒店門口，即汽車無法行駛到達(dá)的位置，60、2、13 號衛(wèi)星鏡面反射區(qū)域位于右側(cè)停車場區(qū)域，1、59 號衛(wèi)星鏡面反射區(qū)域位于花圃中，只有3 號衛(wèi)星鏡面反射區(qū)域位于汽車行駛通道位置.這里使用BDS-3 衛(wèi)星作為信號源.表1 為根據(jù)數(shù)據(jù)處理得到的BDS-3 同步衛(wèi)星仰角、方位角信息計(jì)算得到的天線高度及鏡面反射區(qū)域信息.

表1 導(dǎo)航衛(wèi)星仰角與方位角

經(jīng)過計(jì)算，得到鏡面反射區(qū)域位置，通過查看實(shí)驗(yàn)視頻，得到車輛經(jīng)過鏡面反射區(qū)域的時間分別為60～78 s、117～135 s、180～205 s.

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)處理過程中，為獲得更加詳細(xì)的高度信息，每秒鐘對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行8 次高度測量，實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果如圖9 所示.

圖9 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由圖9 可知，在目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域后，反射信號相對于直射信號的路徑延遲發(fā)生了明顯變化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)路徑延遲變化的時間段與實(shí)驗(yàn)記錄中目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域的時間段一一對應(yīng).去除數(shù)據(jù)中野值信息，平滑后路徑延遲為2.24 m，經(jīng)過計(jì)算，目標(biāo)物體高度為1.516 m、誤差為1.6 cm.由于轎車高度通常為1.4～1.6 m，SUV 汽車高度通常為1.7 m，公交車高度通常為2.5～3.5 m，可以初步判斷出移動目標(biāo)類型為轎車，與實(shí)際情況相符.

由于接收天線經(jīng)緯度已知，以天線坐標(biāo)為基準(zhǔn)，計(jì)算目標(biāo)位置坐標(biāo).目標(biāo)經(jīng)緯度坐標(biāo)為：

式中：L為目標(biāo)與測量天線之間的距離；β 為衛(wèi)星仰角；θ 為目標(biāo)方位；R為地球半徑；α 為天線位置緯度.

經(jīng)過計(jì)算，目標(biāo)位置為(36°14′34.544 9″N，120°24′40.498 1″E).

3 結(jié)束語

基于GNSS 信號的反射特性，本文提出了一種利用信號傳播路徑延遲探測移動目標(biāo)的新方法.通過分析GNSS 衛(wèi)星、探測區(qū)域與接收天線之間的幾何構(gòu)型，并利用直射通道捕獲跟蹤信息作為參考提取直反射通道信號相位延遲，對監(jiān)測區(qū)域高度特征進(jìn)行計(jì)算，分析探測區(qū)域是否出現(xiàn)移動目標(biāo).并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效進(jìn)行移動目標(biāo)的探測并精確計(jì)算目標(biāo)高度及位置信息.