GNSS_R海洋遥感原始数据采集系统研究与实现_路勇

第30卷第6期 哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 Vol .30№.62009年6月 Journal of Harbin Engineering University Jun .2009doi:10.369/j .issn .100627043.2009.06.010G NSS 2R 海洋遥感原始数据采集系统研究与实现路　勇1,2,熊华钢1,杨东凯1,冯　渊1(1.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100083;2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘　要:利用全球导航卫星系统反射信号(G NSS 2R )实现海面风场探测,是一种新型的微波遥感技术.获得表征海面粗糙度等信息的原始数据是实现导航卫星反射信号对海面风场探测的关键技术之一,对导航卫星反射信号软件接收机的研究,其原始数据获取更为重要.该文在分析GPS 海面风场探测前向散射机理基础上,结合GPS 直射信号接收理论,设计完成了基于FPG A 实现的双射频前端海洋遥感原始数据采集系统;阐述了系统组成原理及关键模块设计过程,给出了机载试验及试验数据分析结果;得到卫星直射信号和对应反射信号镜面反射点路径延迟的试验结果与理论计算值基本一致,误差为0.28%,能正确表征镜面反射点等海面粗糙度信息,试验结果符合海洋遥感参数反演的精度要求.关键词:全球卫星定位系统;反射信号;原始数据;FPG A中图分类号:T N 927　文献标识码:A 文章编号:100627043(2009)0620644205A raw dat a acquisiti on syste m for detecti n g ocean wi n d 2fi eldsLU Yong1,2,X IONG Hua 2gang 1,Y ANG Dong 2kai 1,FENG Yuan1(1.School of Electr onic and I nfor mati on Engineering,Beihang University,Beijing 100083,China;2.College of Power and Energy En 2gineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China )Abstract:A ne w m icr owave re mote sensing technol ogy has been devel oped for detecti on of ocean wind 2fields based on gl obal navigati on satellite syste m reflect ometry (G NSS 2R ).Getting ra w G NSS 2R data that describes sea surface r oughness was one of the key needs in the field of ocean wind 2field detecti on .For this,it was necessary t o study and exp l oit the s oft w are receiver that p r ocesses the G NSS 2R signals .Theories for f or ward 2scatter and f or GPS direct signal receivers were analyzed;the design of a double RF fr ont 2end ra w data acquisiti on syste m based on field 2p r o 2gra mmable gate arrays (FPG A )was then i m p le mented .Working p rinci p les and design p r ocesses of key modules were devel oped;airborne experi m ents and data p r ocessing were conducted .The results were basically consistent with test data and theoretical analysis about the s pecular reflecti on code delay of direct trans m issi ons and reflected signals .Err ors were 0.28%,and the infor mati on on sea surface r oughness can be described .Test results meet pa 2ra meter p recisi on require ments f or oceanic re mote sensing .Keywords:GPS;reflect signal;ra w data;FPG A收稿日期:2008209226.基金项目:国家863计划资助项目(2007AA12Z340,2006AA09Z 137).作者简介:路　勇(19782),男,讲师,博士研究生,E 2mail:luyong0806@;熊华钢(19612),男,教授,博士生导师. 全球导航卫星系统(gl obal navigati on satellite syste m ,G NSS )除用于定位、导航、测距和授时外,也成功应用于大气温度、湿度监测,气象预报等新的领域,这些都是基于导航卫星直射信号的接收处理与信号传播特征的分析.近年来,基于导航卫星反射信号遥感技术的研究日益兴起,美国自1997年开始针对全球定位系统(gl obal positi oning syste m ,GPS )散射信号理论研究和海上机载接收试验后,取得了大量的研究成果[123],利用导航卫星反射信号实现海洋风场、海面高度等探测技术在国内也已开展研究,取得了阶段性成果[425].但大都停留在理论建模和参数反演层面上,对于海面反射信号原始数据的获取及利用软件接收机对信号的处理研究较少.该文在分析GPS海面风场探测前向散射机理基础上,结合GPS直射信号接收理论,设计完成了基于FPG A实现的双射频前端海面遥感原始数据采集系统.1　反射信号特征导航卫星信号呈右旋圆极化极性(right hand circularly polarized,RHCP),而经过海面反射后的信号呈左旋极性(left hand circularly polarized,LH2 CP).对于海面介质,其反射信号为不同海面散射区域共同作用的结果,信号的反射是前向散射,故接收信号主要为前向散射信号,与后向散射相比,前向散射信号功率强度高.根据GPS直射信号发射场理论,可以得到海面散射信号在散射点S处的散射场强E(S,t):E(S,t)=A 1R ta t-R tcexp(i kRt-2πi f L t).(1)式中:A为信号幅度电平,k=2π/λ,λ和fL分别为G NSS L载波波长和频率,R t为发射机到散射点的距离;根据克希霍夫近似模型,可得到在左旋接收天线R处的散射场可表示为E s(R,t)=14πκD(r,t)R 55N E(S)exp(i kRr)R rd2r=κD(r,t)5E(S)5N+E(S)5R r5N(i k+1R r)・R 4πexp(i kRr)R rd2r.(2)式中:D(r,t)是接收天线方向性图函数,R是不同极化反射系数,5N是法向求导,E(S)为散射点S处的入射信号,Rr为接收机到散色点的距离[6].在处理直射与反射信号的算法中,引入镜面反射点概念,即从海面接收到的信号中直射与反射路径延迟最短的理论反射点.由镜面反射点引起的路径延迟用2h sinα表示,其中α为不同卫星的高度角,h表示反射信号接收天线距海面的高度[4].2　系统组成及原理以GPS信号作为研究对象,系统中朝向天顶的RHCP天线和朝向海面的LHCP天线分别接收GPS 直射信号和海面反射回波信号,信号经过L1波段低噪声放大器放大后送到双射频前端模块(RF Fr ont2end),经过下变频后在ADC模块完成高速采样.A/D与US B接口由FPG A实现,主要完成A/D 译码、高速US B状态机控制逻辑和片内F I F O.大容量磁盘阵列及普通PC作为上位机完成原始数据的存储功能[729].系统组成及数据流如图1所示.图1　系统组成与数据流图Fig.1　A rchitecture and data fl ow of acquisiti on syste m3　系统关键模块设计3.1　信号接收模块设计实现对海面微弱反射信号的接收和宽覆盖,即左旋天线的设计是信号接收过程中需要解决的关键问题,通常增大天线增益来提高信噪比,但随之天线波束变窄、覆盖范围变小,不能同时接收多颗卫星的反射信号,因此平衡增益和波束范围,确定左旋天线的性能参数是有效接收GPS海面反射信号的前提.图2　左旋天线方向图Fig.2　2LHCP antenna pattern 采用阵列天线设计来增强信号接收的信噪比,由4个阵列单元组成,每个单元均为3dB低增益平板天线,都同时具有水平极化(H)和垂直极化(V)两路信号输出,将4个天线的H和V分别合成,可提高H和V信号增益,将H和V再次合成则形成增益达到12dB的高增益左旋天线,其波束角大于等于30°,天线方向图如图2所示.接收直射信号的・546・第6期 路　勇,等:G NSS2R海洋遥感原始数据采集系统研究与实现右旋天线,采用普通航空GPS 天线.3.2　信号下变频模块设计采用的射频前端为具有双路输入功能(直射信号和反射信号)的2级下变频模块,GPS 卫星发送的1575.42MHz 信号,通过其两级下变频后转换为模拟中频信号.第1级片内锁相环产生2456MHz 本振信号与接收到的1575.42MHz 混频为881MHz 的第1级中频信号;第2级是将第1级所产生的881MHz 中频信号与本振频率为927MHz 本的振信号混频为46.42MHz,即输出中频信号.模块输出频率的-3d B 带外抑制为同信号带宽.3.3　数字化模块设计数字化模块由高速A /D 采样电路、接口译码逻辑电路、EZ 2US B FX2及控制电路(FPG A 实现)组成.FPG A 作为A /D 采样与US B Slave F I F O 之间的接口,主要完成A /D 采样量化与Slave F I F O 接口控制.具有双路输入功能(直射信号和反射信号)的A /D 变换器以相同的采样时钟(f s =20.456MHz )对来自射频前端的模拟中频信号进行高速采样,采样后FPG A 首先对A /D 的8bit 数据重新作2bit 量化,传给US B.而US B 传输被PC 机操作系统的底层驱动程序调度,其接口数据传输速率不恒定.为了防止数据丢失,在FPG A 内建立起一个大容量的片内F I F O ,作为A /D 采样与US B 接口之间的缓冲.来自A /D 的连续采样数据写入FPG A 片内F I F O,Slave F I F O 控制器从FPG A 片内F I F O 读取采样数据,并依照Slave F I F O 接口的读写时序向写入US B Slave F I F O ,进行US B 数据传输.Slave F I F O 控制器的基本结构是状态机,在Slave F I F O 和FPG A 片内F I F O 之间进行切换转移,FPG A 内部功能如图3所示.图3　FPG A 内部功能框图Fig .3　Functi on architecture of FPG A3.4　数据存储模块设计原始数据采样速率高,数据的传输与存储靠高负荷的US B 驱动完成,US B 驱动程序由3部分组成:US B 设备驱动程序、US B 总线驱动程序、US B 主控制器驱动程序.遵循W in32驱动程序模型(WDM ).其中,W indows 操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的US B 总线驱动程序和US B 主控制器驱动程序.而US B 设备驱动程序由设备开发者编写,它通过向US B 总线驱动程序发送包含URB (US B request bl ock )的I RP (I O request packet ),实现US B 外设之间的信息交换.在Cy AP I .lib 中不仅提供了Xfer Data ()等同步方法,也提供了Begin 2DataXfer (),W aitFor Xfer ()和Finish DataXfer ()等低级异步方法以将系统的吞吐性能发挥的极致.在该设计中,为了提高数据传输速率,采用了Cy AP I .lib 提供的低级异步方法.异步方法使可以在开始处理返回数据之前预先加载一个请求队列,并且能够保持足够的可用请求缓冲区,这样就无需中断设备而去等待新的请求.使数据流在高速传输的情况下不丢失,保证了直射和反射信号采样点的高度同步和完整.基于异步方法的数据存储程序设计流程如图4所示.图4　基于异步方法的采集程序流程Fig .4　Pr ogra mme fl ow based on asynchr onous method4　机载试验与测试结果分析4.1　机载试验为有效的验证GPS 海面遥感原始数据采集系统,2008年9月5日在黄海青岛近海海域完成了多次机载试飞试验,试验系统由试验用飞机及机载试验设备组成,试验飞机采用某固定翼小型飞机,机载设备包括右旋天线、左旋天线、移动工作站、数据采集板卡及电源模块等组成.图5所示为试验用飞机・646・哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 第30卷及试验系统安装图.安装在飞机机身尾部朝向天顶的右旋天线接收来自GPS 卫星的直射信号,安装在飞机腹部观察窗朝向海面的左旋天线接收来自海面的反射回波信号.移动工作站和数据采集板卡等设备安放在机舱平台上.飞机在起飞和降落阶段,关闭腹部观察窗口,防止飞机滑行过程中带起的砂石损坏左旋天线.图5　试验系统及安装图Fig .5　Test system and fixing4.2　测试结果分析海面风场引起海面粗糙度变化,基于海面的微波散射截面与海面粗糙度高度相关,因此可以通过精确获得海面散射信号相关功率来描述海面风场参数.由于反射信号和直射信号存在波程差,必然造成反射信号相对于直射信号的码延迟.假定右旋天线接收到直射信号为r i (t ),本地产生信号为u i (t ),则直射信号的相关功率计算公式为R (τ)=∫T0r i (t )u i (t -τ)d t .(3)式中:τ为码延迟滑动量,τ=τ1时相关功率值达到最大.左旋天线接收到的反射信号为r i (t -τ1-δτ),δτ表示为是相对镜面反射点延迟码片的个数.反射信号相关功率计算公式为R (τ)=∫T0r i (t -τ1)u i (t -τ1-τ)d t .(4)当τ=τ0时反射信号相关功率值达到最大,即镜面反射点处的反射信号.τ0、τ1与δτ的相对关系如图6所示.图中镜面反射点为海面接收到的信号中直射与反射路径延迟最短的理论反射点.通过镜面反射点引起的路径延迟2h sin α可以度量反射信号获取的有效性.对2008年9月5日12:58分在东经35.8°北纬120.6°区域采集的原始数据进行处理,飞机飞行高度距海平面600m.通过产生本地PRN 码和载波与来自海面直射和反射信号的原始数据点作环形相关,相关处理后,得到直射和海面反射信号在多普勒频率为1950Hz 时的捕获结果.如图7所示,此时3号卫星高度角为62°.根据路径延迟2h sin α计算得到的理论值为1059m ,由图7所示试验数据的直射和反射信号相关峰最大值得到的路径延迟为1056m.可见该系统获得的原始数据理论分析与实际测试结果基本一致.图6　GPS 互相关功率受海面粗糙度影响Fig .6　Cr oss 2correlati on power effect of ocean roughness图7　3号卫星镜面反射点信号延迟Fig .7　PRN 3Code delay of s pecular reflecti on5　结　论该文设计完成的GPS 海洋遥感原始数据采集系统,为国内首次公开的专门从事海面粗糙度原始数据获取的设备,并已经过了多架次航空机载搭载试验,获得了宝贵的海面原始数据.并验证到如下结论:1)设计完成的阵列天线成功接收来自海面的微弱反射信号并增强了信号信噪比;2)采用的Cy AP I .lib 提供的异步传输方法有效提高数据传输速率,解决了GPS 原始数据高速采样传输瓶颈问题;3)获得的原始数据有效,得到卫星直射信号和・746・第6期 路　勇,等:G NSS 2R 海洋遥感原始数据采集系统研究与实现对应反射信号镜面反射点的路径延迟,其试验结果与理论计算值基本一致,误差为0.28%,能够表征镜面反射点等海面粗糙度信息.利用该系统获得的数据进行的海面风场探测及海洋环境要素反演作者将另文发表.致谢:感谢中国科学院遥感应用研究所李紫微研究员和张益强博士对该研究的指导.参考文献:[1]T HOMPS ON D R,E LF OUHA I L Y TM,G ASP AROV I C R F.Polarizati on dependence of GPS signals reflected fr om the o2 cean[C]//Geoscience and Re mote Sensing Sy mposiu m 2000.Honolulu,US A,2000:309923101.[2]G ARR I S ON J L,K ATZ BERG S J,HOW E LL C T III.Dect2ecti on of ocean reflected GPS signals:theory and experi m ent[C]//Pr oceedings of the I EEE Southeastern’97:Engineer2ing the New Century.B lacksburg,VA,1997:2902294. [3]SC OTT G.Detecti on and p r ocessing of bistatically reflectedGPS signals fr om l ow earth orbit f or the pur pose of ocean re2 mote sensing[J].I EEE Trans Geoscience and Re mote Sensing,2005,43(6):122921239.[4]张益强,杨东凯,张其善,等.基于GPS遥感的延迟映射接收机关键技术[J].北京航空航天大学学报,2006,32(3):3332336.Z HANG Yiqiang,Y ANG Dongkai,Z HANG Q ishan,et al.Design of delay mapp ing receiver f or GPS re mote sensing [J].Journal of Beijing University of Aer onautics and A str o2 nautics,2006,32:3332336.[5]张益强,杨东凯,张其善.GPS海面散射信号探测技术研究[J].电子与信息学报,2006,28(6):109121094.ZHANG Yiqiang,Y ANG Dongkai,Z HANG Q ishan.Detec2 ti on technique of GPS sea surface scattered signal[J].Jour2 nal of Electr onics&I nf or mati on Technol ogy,2006,28(6): 109121094.[6]Z AVOROT NY V U,VORONV I CH A G.Scatterting of GPSsignals fr om the ocean with wind re mote sensing app licati on [J].I EEE Trans Geoscience and Re mote Sensing,2000, 38(2):9512964.[7]D I N ESH M.GPS reflected signal analysis using s oft w are re2ceiver[J].Journal of Gl obal Positing Syste m s,2006,5(122):29234.[8]JUNERE D M,ESTERHU I ZE N S,AK OS D,AXE LRAD P.A modular GPS re mote sensing s oft w are receiver f or s mallp latf or m s[C]//I O N G NSS19th I nternati onal Technical M eeting of the Satellite D ivisi on,Forth Worth,T X,2006: 6342642.[9]CAM PS A,BOSCH2L I U I S X,RAMOS2PEREZ I,et al.Ne w instrun ment concep ts f or ocean sensing:analysis of the P AU2radi ometer[J].I EEE Trans Geoscience and Remote Sensing,2007,45(10):318023192.[责任编辑:王亚秋]・846・哈　尔　滨　工　程　大　学　学　报 第30卷。