基于GPS信号遥感地表参数的双基地雷达接收机研制

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基于GPS信号遥感地表参数的双基地雷达接收机研制

2015-02-06 作者: giser 浏览: 1702 次

摘要: 宋 冬 生 指导教师 赵 凯 研究员 中国科学院东北地理与农业生态研究所 申请学位级别 博 士 学科专业名称 地图学与地理信息系统 论文提交日期 2007年4月 论文答辩日期 2007年6月 培养单位 中国科学院东北地理与农业生态研究所 学位...

  • 宋 冬 生
  • 指导教师 赵 凯 研究员 中国科学院东北地理与农业生态研究所
  • 申请学位级别 博 士
  • 学科专业名称 地图学与地理信息系统
  • 论文提交日期 2007年4月
  • 论文答辩日期 2007年6月
  • 培养单位 中国科学院东北地理与农业生态研究所
  • 学位授予单位 中国科学院研究生院

摘要

双基地雷达为发射机、接收机异址的无线电检测和测距系统。雷达发射机发射电 磁波照射目标,接收机接收其回波,由此来发现目标并测定目标的位置、运动方向和 速度。利用全球定位系统(GPS)卫星作为发射机与地面接收机组成多基地雷达,通过 测量地表反射信号功率反演地表参数信息。这种多基地雷达系统由于利用了GPS 卫 星,因此节省了成本。该技术的接收系统设计基础良好,时间和空间覆盖率大,扩频 技术的应用可实现弱信号提取,GPS 信号位于L 波段,因此对某些地表参数比较敏感。 基于上述优点,利用GPS 双基地雷达遥感地表参数技术逐渐得到重视。利用该项技术 已经开展了海面风场、土壤湿度、测高、海冰等多项遥感领域的研究工作。

目前,机 载领域的海面风场测量取得了较为理想的结果。在土壤湿度遥感方面,可以定性化的 由反射率图反映出土壤湿度的变化情况。海面风矢量和土壤湿度参数是海洋、陆地表 面与大气能量传输的关键因子,在生态学、水文学、气候和农业等方面起到很大作用。全球大尺度下的地表参数测量数据有着宝贵的应用价值,因此最终目标要实现空载平 台的遥感观测,这方面的工作也正在进行。 定位用GPS 接收机通过码和载波的二维跟踪、捕获过程实现导航信息的获取。 GPS 双基地雷达接收机系统要求具有GPS 卫星导航定位的功能外,还必须具有下列 功能:

①计算GPS 直接信号相关功率;

②计算GPS 信号反射点的码片延时数;

③对 相关器的C/A 码片延时和载波频率进行开环控制;

④对L1 波段的GPS 卫星信号进行 逐个半码片延时和互相关处理;

⑤记录和输出互相关器的相关功率。

根据以上接收机设计要求,本文提出了以Zarlink GP2010/2021 芯片为主,通过 PCI 总线实现数据终端PC 机对系统功能控制的双射频前端接收机设计方案。GP2010 芯片是接收机中一个完整的前端下变频转换器,对于GPS 卫星发射的L 波段信号通 过一系列混频和滤波,将信号变换到接近于基带。由PC 机控制GP2021 相关器芯片 在特别的码相位上对采样的中频信号和卫星伪随机噪声(PRN)码进行互相关运算。 接收机软件分成内核部分和用户端两部分。内核模型获取GP2021 硬件寄存器的值, 然后对GPS 信号进行载波跟踪和码跟踪处理,之后将生成的数据存储到共享内存中。 用户端主要实现I/Q 初始化,热启动软件得到PRN 和多普勒预计值,并进行可视化显示。

论文对研制的接收样机进行了测试,包括PCI 总线测试,跟踪环跟踪过程测试, 12 个通道对同一颗卫星的跟踪,以及码延时、多普勒、同相与正交平方和之间的三维 关系绘图等。另外,利用功率合成器采用功率变化比较法确定目标反射信号贡献的能 中国科学院博士学位论文 基于GPS 信号航空遥感地表参数的双基地雷达接收机研制 量值。样机的最小可检测信号功率为-140dBm,相关函数码延时精度优于0.5 码片, 单次I、Q 获取积累时间为1ms。数据终端软件在Linux 系统下运行,与Windows 系 统相比,提高了对底层数据流的控制能力,解决了对系统功能的实时控制问题。 最后对样机进行了楼顶静态测量实验,接收机同时接收直接和反射GPS 信号得到 了直接信号相关图与反射信号功率图,得到的结果与理论模型模拟的结果有一定的可 比性,因此说明该测量技术的可行性,以及接收机的有效性。

关键词

GPS 双基地雷达;反射 GPS 信号;双前端接收机

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