GNSS反射信号处理基础与实践

目 录

第1章 绪论 （1）

1.1 卫星导航系统概述 （1）

1.1.1 美国的全球定位系统 （1）

1.1.2 其他全球导航卫星系统 （3）

1.2 GNSS-R技术 （7）

1.2.1 正问题与反问题 （7）

1.2.2 GNSS-R技术的定义 （7）

1.2.3 GNSS-R技术的特点和优势 （8）

1.3 GNSS-R技术的发展 （9）

1.3.1 海面测风 （9）

1.3.2 海面测高 （10）

1.3.3 海冰探测 （11）

1.3.4 海洋盐度探测 （12）

1.3.5 土壤湿度探测 （12）

1.3.6 移动目标探测 （13）

1.4 本书结构 （14）

参考文献 （14）

第2章 GNSS导航卫星信号概述 （22）

2.1 扩展频谱通信基本原理 （22）

2.2 GPS系统的导航信号 （23）

2.2.1 频率与调制方式 （23）

2.2.2 GPS卫星信号中的C/A码 （24）

2.2.3 GPS卫星信号导航电文的结构 （28）

2.2.4 现代化后的GPS信号 （30）

2.3 其他卫星导航系统的导航信号 （32）

2.3.1 GLONASS系统 （32）

2.3.2 Galileo系统 （34）

2.4 小结 （35）

参考文献 （36）

第3章 GNSS信号的接收与处理 （37）

3.1 接收信号数学模型 （37）

3.1.1 卫星信号的接收与数字化 （37）

3.1.2 相关运算 （39）

3.2 卫星信号的捕获 （42）

3.2.1 卫星信号捕获的基本原理 （42）

3.2.2 卫星信号的捕获方法 （45）

3.3 卫星信号的跟踪 （47）

3.3.1 GPS C/A码相位跟踪 （48）

3.3.2 载波跟踪 （49）

3.4 导航数据解调与定位解算 （51）

3.4.1 数据同步的建立 （51）

3.4.2 定位原理与方法 （53）

3.5 新型导航信号的处理 （57）

3.5.1 新型导航信号的特点 （57）

3.5.2 BOC信号及处理方法 （58）

3.5.3 复合信号及处理方法 （61）

3.6 小结 （62）

参考文献 （62）

第4章 GNSS反射信号特性 （65）

4.1 基本概念 （65）

4.1.1 电磁波 （65）

4.1.2 电磁波的极化 （66）

4.1.3 电磁波的反射 （68）

4.2 GNSS反射信号基础 （74）

4.2.1 GNSS-R几何关系描述 （74）

4.2.2 GNSS-R反射系数 （75）

4.3 反射信号数学描述 （76）

4.3.1 直射信号数学描述 （76）

4.3.2 反射信号数学描述 （77）

4.4 小结 （79）

参考文献 （79）

第5章 GNSS反射信号的接收与处理 （81）

5.1 反射信号特性简介 （81）

5.2 反射信号的相关函数 （82）

5.2.1 时延一维相关函数 （83）

5.2.2 多普勒一维相关函数 （83）

5.2.3 时延多普勒二维相关函数 （84）

5.3 反射信号相关值的计算方法 （85）

5.3.1 反射信号二维相关函数的离散形式 （85）

5.3.2 二维相关值的计算方式 （86）

5.3.3 二维相关值计算参考点的选取 （88）

5.3.4 二维相关值求解中本地信号的产生 （88）

5.3.5 二维相关值信噪比的提高方法 （90）

5.4 反射信号接收机通用模型与实现方式 （92）

5.4.1 通用模型 （92）

5.4.2 实现方式 （93）

5.5 小结 （95）

参考文献 （95）

第6章 反射信号接收机的硬件实现 （98）

6.1 接收机总体架构及主要部件 （98）

6.1.1 接收机总体架构 （98）

6.1.2 接收机主要部件 （100）

6.2 多通道相关器 （104）

6.2.1 反射信号处理通道 （105）

6.2.2 DSP数据交互控制接口 （110）

6.2.3 USB控制接口 （111）

6.2.4 UART控制接口 （112）

6.3 DSP的信号处理 （113）

6.3.1 直射信号处理 （114）

6.3.2 反射信号处理 （116）

6.4 小结 （117）

参考文献 （117）

第7章 反射信号接收机的软件实现 （119）

7.1 软件接收机工作原理 （119）

7.1.1 基本结构 （119）

7.1.2 数据传输接口 （120）

7.1.3 数据读取流程 （121）

7.2 信号处理 （121）

7.2.1 反射信号处理流程 （121）

7.2.2 反射信号相关功率计算 （122）

7.3 反射信号软件接收机的实现 （123）

7.3.1 软件功能 （123）

7.3.2 实现效率分析 （124）

7.3.3 实时性方案研究 （125）

7.4 小结 （126）

参考文献 （126）

第8章 GNSS-R测高应用 （127）

8.1 概述 （127）

8.2 基于GNSS-R的高度测量技术 （129）

8.2.1 高度测量原理 （129）

8.2.2 基于C/A码延迟的测高方法 （135）

8.2.3 基于L1载波相位延迟的测高方法 （139）

8.2.4 基于L1载波频率的测高方法 （140）

8.3 基于GNSS-R的有效波高测量技术 （142）

8.3.1 利用DCF测量有效波高 （143）

8.3.2 利用ICF测量有效波高 （144）

8.3.3 有效波高实验验证与结果分析 （146）

8.4 小结 （154）

参考文献 （154）

第9章 GNSS-R海面测风应用 （156）

9.1 海面统计特征 （156）

9.1.1 海浪谱的定义 （156）

9.1.2 统计特征描述 （157）

9.1.3 海面粗糙度准则 （157）

9.2 海洋遥感相关数学模型 （158）

9.2.1 海浪谱模型 （158）

9.2.2 电磁散射模型 （162）

9.2.3 散射信号相关功率模型 （164）

9.3 海面散射区域特性 （165）

9.3.1 天线覆盖区 （165）

9.3.2 等延迟区 （166）

9.3.3 等多普勒线 （170）

9.3.4 闪耀区 （173）

9.4 海面散射模型的数值仿真分析 （174）

9.4.1 时延多普勒二维相关功率分析 （174）

9.4.2 时延一维相关功率分析 （176）

9.4.3 多普勒一维相关功率分析 （181）

9.5 风场反演 （183）

9.5.1 风场反演基本流程 （183）

9.5.2 风场反演算法 （184）

9.5.3 风场反演实例 （186）

9.6 小结 （194）

参考文献 （194）

第10章 GNSS-R在其他领域中的应用 （196）

10.1 GNSS-R土壤湿度反演 （196）

10.1.1 GNSS-R土壤湿度探测原理 （197）

10.1.2 干涉图技术 （199）

10.1.3 土壤湿度反演结果 （200）

10.2 GNSS-R目标探测技术 （201）

10.3 GNSS-R表面成像技术 （203）

10.4 小结 （205）

参考文献 （205）

展望 （207）

附录A 缩略语 （208）

【简介】 本书在介绍GNSS（全球导航卫星系统）基本理论和应用的基础上，结合GNSS导航卫星直射信号接收处理技术，对GNSS反射信号的理论和方法进行了全面、系统、深入的阐述，其内容涉及GNSS反射信号的电磁波理论、反射信号接收处理方法、反射信号接收机的软硬件设计，以及GNSS反射信号在海面风场探测、有效波高测量、土壤湿度测量、移动目标探测和表面成像等方面的应用，并给出了GNSS反射信号针对海面测风、海面测高的应用模型和实际测试结果。【适用对象】 卫星导航相关领域（电子通信、航空航天、计算机等）的高校师生，以及从事通信、导航、气象遥感、海洋遥感及其应用研究的科技人员。【页数】232【前言】 序　　全球导航卫星系统（GNSS）经历了40余年的发展，已经在国家的经济社会和人们的日常生活中发挥了越来越重要的作用，并逐渐成为国家空间信息基础设施的重要组成部分。随着我国北斗系统建设进程的加快，欧盟伽利略计划的实施，美国GPS和俄罗斯GLONASS现代化的推进，GNSS的应用正日益改变我们的生活。可以说，GNSS的应用已经远远超出了人们的想象。　　在众多GNSS的应用领域中，GNSS-R是自20世纪90年代初发展起来的一个分支。利用经反射后的导航卫星信号，对反射面的物理特性和参数进行反演，是典型的反问题。美国、欧盟在该领域的发展较为领先，都在低轨卫星上安装了GNSS-R接收机，并通过机载、陆地实验获得了海面风场、土壤湿度、海冰等大量观测数据，研究了相应的反演模型。GNSS-R中的研究内容，如导航卫星信号的反射机理，信号能量、相位及频率随反射面物理特征变化的数学模型，反射信号接收处理算法，各类参数反演模型等，已成为GNSS-R领域的重要科学问题和备受国内外学者广泛关注的研究热点。　　国内青年学者杨东凯教授在国家级突出贡献专家张其善教授的指导下，近年来在GNSS-R相关领域开展了大量深入、细致的研究工作。他们承担了国家863计划课题“GNSS反射信号接收处理公共平台”，积极倡导并参与了北斗系统的海风海浪探测应用示范，成为国际上该领域十分活跃的研究团队。通过持续研究，已在反射信号精细跟踪、功率波形生成、相关接收处理等方面取得了一系列独具创新性的研究成果。　　两位教授所著的《GNSS反射信号处理基础与实践》一书，在总结他们多年研究成果的基础上，参考了国内外相关领域的最新研究进展，对GNSS-R理论和方法进行了全面、系统、深入的阐述，其内容涉及GNSS反射信号的电磁波理论、反射信号接收处理方法、反射信号接收机的设计、海面风场探测、有效波高测量、土壤湿度测量等问题，初步形成了较为完整的GNSS反射信号接收处理的理论和方法体系，是我国学者在GNSS-R研究领域所作的重要贡献。书中所介绍的技术方法和研究成果对于推动我国北斗的应用，也具有重要的工程参考价值。　　我衷心祝贺本书出版以及本书作者取得的成果，相信本书的问世对我国卫星导航事业的发展将会发挥重要作用。　　　　　　中国工程院院士 　　刘经南 　　2011年10月 前 言　　利用全球导航卫星系统（GNSS）的反射信号进行反演是GNSS领域当前的研究热点之一。自1993年海外学者发现这一现象以来，美国航空航天局和国家气象局、欧洲空间局和卫星气象中心，澳大利亚、日本和中国的学者就一直对反射的导航卫星信号进行各个层次的研究，其应用领域涉及海洋气象参数（如海浪、海风、海水盐度、海冰等）的反演，土壤湿度、森林覆盖等参数的反演，移动目标探测和地球表面成像等内容。对于该领域的研究，大多集中在反射信号接收处理设备研制、信号处理算法研究、物理反演模型研究。其中，美国和欧洲走在了该领域的前列，并已经在陆地、航空和卫星三类载体上配备GPS反射信号接收机，进行了大量的数据采集和处理实验，初步获得了有效的海面风场反演模型。　　我国对GNSS-R遥感探测技术的研究尚处于起步阶段，第一篇文章于2002年在“海洋监测高技术论坛”上发表，其后刊登在《高技术通讯》2003年3月增刊上。此后，在国家863计划（2002AA639190）的支持下，著者带领研究小组在国内首次自主研制了12通道机载串行延迟映射接收机系统，并于2004年8月成功完成机载试验。2006年和2007年分别在国家863计划2006AA09Z137和2007AA12Z340的持续支持下，研究小组随后在黄海、渤海、南海等海域进行了海岸地面实验与航空飞行试验，取得了大量原始数据。2008年在国家自然科学基金（60742002）的支持下，研究小组对基于GNSS反射信号的移动目标探测进行了理论分析与初步的数据采集实验。针对海洋测风、海面测高、目标探测及土壤湿度等应用领域，研究小组发表了一系列学术论文，申请获批了多项国家发明专利。目前，GPS反射信号接收机在中国气象局所属的海洋气象观测站进行实时观测，数据处理正在同步进行之中，已经取得了初步的业务数据分析结果。　　中国科学院、总参气象水文总局以及国内多所高校对该领域也进行了深入的跟踪研究，完成了实际的数据采集与分析处理实验，取得了一些对进一步研究具有指导意义的学术成果。本书在国家科学技术学术著作出版基金的资助下，总结了著者所承担的国家863计划课题和国家自然科学基金课题的研究成果，从全球导航卫星系统的现状出发，分析了GNSS反射信号的特性和接收处理的基本方法，对反射信号接收机的设计从硬件和软件两个角度进行了详细的讨论，针对海面测风、海面测高两个应用领域全面总结论述了GNSS反射信号的应用模型以及研究小组所取得的实际测试结果，并对土壤湿度测量、移动目标探测和表面成像进行了初步的探索。　　本书基于著者近年来对GNSS反射信号接收处理技术及应用研究所取得的成果撰写，并力图反映近年来国内外的最新成果，希望通过本书的出版，让读者对该领域的研究现状有一个全面、系统的了解。本书由北京航空航天大学教授杨东凯博士主笔，张其善教授审阅了全书，研究小组成员张波博士、博士生李伟强、李明里、路勇、张益强、姚彦鑫和国佳以及硕士生吴红甲、唐阳阳等参加了部分仿真分析和文字编辑工作。本书的出版得到了电子工业出版社的大力支持，张来盛编辑为书籍的出版付出了大量辛苦的劳动，在此表示由衷的感谢和敬意。同时，本书的出版还得到了北京航空航天大学院士张彦仲教授、李署坚高工，中国电子科技集团曹冲研究员、航天科技集团张孟阳研究员、中国科学院遥感技术与应用研究所李紫薇研究员、海军航空工程学院王红星教授、大连海事大学张淑芳教授、石家庄军械工程学院李小民教授以及中国气象局李黄副局长、夏青教授和曹云昌研究员的鼎力支持和帮助，在此一并表示感谢。　　中国工程院院士、武汉大学原校长刘经南教授在百忙之中为本书作序，谨此表示衷心的感谢。　　由于著者水平有限，书中难免存在错误或不足，敬请同仁批评指正。　　　　　　　著　者 　　2011年10月于北京