一种实现gnss-r相位差提取的硬件接收机及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于利用全球卫星导航系统反射信号（GNSS-R信号）进行大地、海洋遥感 或无源目标探测的技术领域，设及一种新的用于提取导航直射信号与反射信号码相位差和 载波相位差的硬件接收机及方法。
【背景技术】
[0002] 在卫星导航信号反射信号（GNSS-R信号）应用领域，主要通过导航直射信号与反 射信号的信号特征差异，如码相位差、载波相位差、相关功率波形变化等，实现特殊的应用 功能，如大地、海洋遥感，无源目标探测等。在GNSS-R研究和应用领域，由于反射信号的接 收处理过程复杂，目前主要采用软件接收机对导航反射信号进行接收和处理。GNSS-R硬件 接收机的设计难度较高，使用效果较差，主要体现在实时性差、消耗存储资源大、相位差提 取的精度误差较大等方面。
[0003] 现有GNSS-R接收机的主要技术问题或技术缺陷一般包括W下几方面：
[0004] 1.GNSS-R反射信号的接收处理一般需要完整的解扩解调后的直射导航信号基带 信息作为参考，若采用硬件接收机对反射信号进行接收处理，反射信号处理通道需要大量 的存储资源对实时采集的反射信号进行存储，等待直射信号处理通道完成完整的直射信号 处理过程，信号处理的时间长，硬件存储资源消耗较大。
[0005] 2.GNSS-R反射信号经过DMR相关器积分处理后，需要估计其码相位的精确延时。 由于反射信号信噪比差，且信号中包含了反射面的物理特征，故码相位延时的估计误差较 大。目前主要采用的两种反射信号码相位延时估计方法分别是DCF方法和迭代估计法。在 实际应用中，DCF方法的精度较差，迭代估计法精度较高，但所需的计算量较大。
[0006] 3.导航信号通过反射面的反射后，信号的载波相位会出现因反射面引起的变化， 起伏的海面、高速运动的飞行器均可能造成反射信号载波相位的变化，如信号相位的断裂 等。而目前的软、硬件GNSS-R接收机在估计直射与反射信号载波相位差时均无法估计和消 除反射过程所造成的载波相位变化。
[0007] 若将GNSS-R技术实际应用于遥感和无源探测领域，需要基于现有的数字器件实 现一种能够对GNSS-R信号进行实时、精确处理的硬件接收机。
【发明内容】
[0008] 本发明针对上述问题，提出一种实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机及方法。该 方案基于FPGA和DSP，利用FIFO进行数据延时相关实现反射信号有效相干积分，利用码相 位差粗测值作为牛顿高斯迭代算法的初值计算码相位差精测值，利用码相位差精测值引导 载波相位差求解，利用全相位FFT计算直射信号与反射信号的初相值，并通过初相值的比 较修正载波相位差最终结果。
[0009] 本发明的基于FPGA和DSP的GNSS-R相位差提取硬件接收机，划分为四个模块，分 别是码相位差快速粗测模块、码相位差精测模块、载波相位差估计模块和全相位变换与载 波相位差修正模块。其中，码相位差快速粗测模块、载波相位差估计模块和全相位变换与载 波相位差修正模块使用FPGA(Field Programm油le Gate Array,现场可编程口阵列）实现， 码相位差精测模块使用DSP值igital Si即al Processor,数字信号处理器）实现。
[0010] 本发明的GNSS-R相位差提取方法，划分为四个实现步骤，分别是码相位差快速粗 测、码相位差精测、载波相位差估计和全相位变换与载波相位差修正。其中，码相位差快速 粗测、载波相位差估计和全相位变换与载波相位差修正等使用FPGA实现，码相位差精测使 用DSP实现。
[0011] 具体来说，本发明采用的技术方案如下：
[0012] 一种采用硬件接收机的GNSS-R相位差提取方法，首先实现了码相位差粗测和精 测，在此基础上实现了载波相位差估计和修正，具体包括W下步骤：
[0013] 步骤1:码相位差快速粗测。
[0014] 子步骤1 :通过DMR值elay-Doppler Maps Receiver,延时多普勒映射接收机）相 关器在时域和频域对直射、反射信号在一个导航扩频码周期内进行相关处理，获取1个码 周期内的相关处理结果；
[001引子步骤2 :通过FIFO(FirstInFirstOut,先入先出队列）对DMR相关器输出的 直射信号处理结果进行1ms的固定延时，并与当前直射信号DMR相关器输出结果相乘，产生 可对当前基带导航电文数据变化实时检测的参考信号；
[0016] 子步骤3:通过延时可调FIFO对参考信号进行延时后，将参考信号与实时采集处 理的反射信号DMR相关器输出结果相乘，消除反射信号中导航电文对相干积分的影响，即 实现了直射信号导航电文数据变化对相应的反射信号的映射；
[0017] 子步骤4:直射与反射信号的DMR相关器输出结果在消除了导航电文变化的影响 后，进行一定码周期的相干积分，一般积分时间大于20ms，形成直射信号与反射信号的相关 功率波形；
[0018] 子步骤5:对反射信号进行相关函数微分方法处理值CF方法，对反射信号相关功 率波形进行处理的一般算法，是目前普遍采用的基本方法），消除反射面散射造成的相关 功率波形峰值点偏移，再通过一次微分和过零点检测求得直射和反射信号的码相位差粗测 值；
[0019] 子步骤6:码相位差粗测的结果作为码相位精测模块的迭代初值输出至DSP，同时 也作为反馈控制信号控制参考信号延时可调FIFO的延时时间。
[0020] 步骤2:码相位差精测。
[0021]子步骤1 :在DSP片上存储器中存储反射信号相关功率波形的理论模型数据库，将 码相位差快速粗测模块的相位差粗测结果作为迭代初值输入DSP ;
[0022] 子步骤2 :通过牛顿高斯迭代方法对反射信号相关功率波形进行拟合W实现相位 差的精确估计。
[0023] 步骤3:载波相位差估计。将DSP中的码相位差精测结果输出至载波相位差估计 模块作为直射通道与反射通道的码相位延时量，准确实现直射与反射信号的扩频码同步， 省去一般的载波相位差估计过程中的码相位延时捜索的过程。
[0024] 子步骤1 :对直射信号进行同步操作（载波同步和码同步），当本地码和本地载波 实现了对直射信号的跟踪后，主通道输出直射信号的同相和正交分量相关值；
[00巧]子步骤2 :将完成跟踪后的载波引入从属通道与反射信号相乘，并对主通道中同 步后的扩频码进行延时，延时时间为码相位差精测模块的码延时码相位差测量结果（目前 在该领域，一般采取的对码延时进行捜索的方法，即调整本地导航扩频码延时量的大小W 使其与反射信号的相关功率最大，延时的步长一般为10化S，对应C/A码0. 1码片，捜索范围 不大于两个码片），从而完成对反射信号的扩频码同步；
[0026] 子步骤3:利用符号函数（sgn函数）对直射信号同相分量进行处理，利用符号函 数的输出结果分别对反射信号的同相和正交支路进行基带电文数据剥离；
[0027] 子步骤4 :使用四象限反正切鉴相器计算得到载波相位差的单次估计值。
[0028] 步骤4 :全相位变换与载波相位差修正。
[0029] 子步骤1 :对实时采集的直射、反射导航信号进行降速处理，降速后进行全相位变 换，求得直射、反射信号的载波相位初值；
[0030] 子步骤2 :对直射、反射信号的载波相位初值进行比对，估计反射过程所造成的反 射信号载波相位变化，得到载波相位差测量结果的修正值；
[0031] 子步骤3 :利用修正值对载波相位差估计模块的输出结果进行修正，得到最终的 误差修正后的高精度直射、反射信号载波相位差测量结果。
[0032] 所述步骤1中，通过两个FIFO的使用，实现了反射信号中导航电文数据变化的实 时监测。其中，通过1ms固定延时FIFO的使用，可W对DMR相关器实时输出的导航直射信 号处理结果进行延时自相关处理；通过延时可调FIFO的使用，实现了直射信号电文数据变 化对反射信号的实时映射；W码相位差快速粗测结果作为反馈信号，对延时可调FIFO的延 时时间进行实时调整。
[003引所述步骤2中，通过FPGA与DSP的结合使用实现了码相位差的更精确测量。在高 速DSP器件的片上存储器中建立反射信号相关功率波形的理论模型数据库，利用码相位差 快速粗测模块的测量结果作为迭代初值，通过牛顿高斯迭代方法对反射信号相关功率波形 进行拟合W实现相位差的精确估计，利用高速DSP的处理能力实现码相位差的快速实时精 测。
[0034] 所述步骤4中，通过全相位变换测出直射信号和反射信号的载波初相，通过初相 的