CN105182380A - 一种实现gnss-r相位差提取的硬件接收机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机及方法。该硬件接收机包括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。该方法基于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。本发明可通过硬件器件对采集到的直射与反射导航信号进行实时精确的处理，可对反射面引起的载波相位差测量误差进行修正。

Description

一种实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机及方法
技术领域
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，涉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
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。
现有GNSS-R接收机的主要技术问题或技术缺陷一般包括以下几方面：
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。
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。
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。
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
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。
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(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)实现，码相位差精测模块使用DSP(DigitalSignalProcessor，数字信号处理器)实现。
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。
具体来说，本发明采用的技术方案如下：
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，具体包括以下步骤：
步骤1：码相位差快速粗测。
子步骤1：通过DMR(Delay-DopplerMapsReceiver，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；
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；
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；
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；
子步骤5：对反射信号进行相关函数微分方法处理(DCF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；
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。
步骤2：码相位差精测。
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；
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以实现相位差的精确估计。
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搜索的过程。
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；
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搜索的方法，即调整本地导航扩频码延时量的大小以使其与反射信号的相关功率最大，延时的步长一般为100ns，对应C/A码0.1码片，搜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；
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；
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。
步骤4：全相位变换与载波相位差修正。
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；
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；
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。
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，可以对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；以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。
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以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。
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，通过初相的比对得到载波相位差测量结果的修正值，实现对载波相位差测量结果的修正。
一种实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机，包括以下模块：
模块1：码相位差快速粗测模块。该模块利用FIFO容量大、易于控制、触发位置可变、延时周期可调等优点，实现数据的延时和后续处理，大幅节省了利用存储器存储数据实现延时所消耗的硬件资源，提高了处理速度。具体为：通过FIFO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；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反射信号的映射；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。
模块2：码相位差精测模块。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，利用码相位差快速粗测模块的相位差粗测结果作为迭代初值，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以实现相位差的精确估计。
模块3：载波相位差估计模块。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搜索的过程。
模块4：全相位变换与载波相位差修正模块。通过apFFT变换(全相位变换)对直射和反射信号进行处理，求得载波相位初值，通过对直射与反射信号初值的比对估计出反射过程造成的信号载波相位变化程度，再对载波相位差估计模块的输出结果进行修正，求得直射与反射信号的精确载波相位差值。
进一步地，模块1即码相位差快速粗测模块主要由DMR相关器电路、乘法器电路、FIFO延时器电路、相干积分电路、一次微分与过零点检测电路、码延时粗测电路等组成。
子模块1：DMR相关器电路子模块。该电路在时域和频域对直射、反射信号进行一个导航扩频码周期的相关处理，并输出相关处理结果；
子模块2：FIFO延时器电路模块。通过FIFO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；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反射信号的映射；
子模块3：相干积分电路。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，通过相干积分电路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。
子模块4：DCF电路。对反射信号的相关功率波形进行相关函数微分方法(DCF方法)处理(DCF方法是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。
子模块5：一次微分与过零点检测电路。对DCF处理结果以及相干累积后的直射信号DMR输出结果进行一次微分，微分后的过零点即信号相关功率波形的峰值点；直射信号与反射信号相关功率波形峰值点的时间差即直射与反射信号的码相位差粗测结果。
子模块6：码延时粗测电路。计算得出码相位差粗测结果，将该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延时可调FIFO的延时时间，实现直射信号导航电文数据变化对相应反射信号的准确映射。
进一步地，模块2即码相位差精测模块基于DSP实现，由反射信号相关功率模型数据库、牛顿迭代高斯算法模块组成。
子模块1：反射信号相关功率模型数据库。在DSP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；
子模块2：牛顿高斯迭代算法模块。利用码相位差快速粗测模块的相位差粗测结果作为迭代初值，通过牛顿高斯迭代方法对反射信号的相关功率波形与反射信号相关功率模型数据库的理论波形进行拟合，实现码相位差的精确估计。
进一步地，模块3即载波相位差估计模块分为主通道和从属通道两部分，主通道对直射信号进行同步处理，并将同步参数作为参考值输入从属通道，实现对低信噪比反射信号的处理以及直射、反射信号载波相位差的估计。
子模块1：主通道。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。
子模块2：从属通道。将完成主通道中完成跟踪后的载波引入并与反射信号相乘，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搜索的方法，即调整本地导航扩频码延时量的大小以使其与反射信号的相关功率最大，延时的步长一般为100ns，对应C/A码0.1码片，搜索范围不大于两个码片)完成对反射信号的扩频码同步；利用直射信号同相分量ID和符号函数(sgn函数)分别对完成了载波同步和码同步的反射信号的同相和正交支路进行基带电文数据剥离，使用四象限反正切鉴相器(fourquadrantarctangentdiscriminator)对处理后的反射信号同相和正交支路信号进行处理，计算得到直射信号与反射信号载波相位差的单次估计值。
进一步地，模块4即全相位变换与载波相位差修正模块由降速电路，全相位傅里叶变换与初相值比较电路，载波相位差修正电路等构成。
子模块1：降速电路。对实时采集的直射、反射导航信号进行降速处理，使信号速率易于进行全相位傅里叶变换的处理。
子模块2：全相位傅里叶变换与初相值比较电路。对降速后的直射与反射信号进行全相位变换，求得直射、反射信号的载波相位初值；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；
子模块3：载波相位差修正电路。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。
本发明的GNSS-R相位差提取的硬件接收机实现方法的优点在于：可通过硬件器件对采集到的直射与反射导航信号进行实时精确的处理，可对反射面引起的载波相位差测量误差进行修正。具体的有益效果如下：
(1)通过使用FIFO以及反馈电路，实现对反射信号中导航电文变化的实时、精确检测，消除了导航电文变化对反射信号的长时间相干积分的影响。电路的可控性高，反射信号的处理过程无需等待完整的直射导航信号处理周期，提高了信号处理实时性的同时也节省了大量的存储资源。
(2)通过FPGA与DSP的结合使用，以及在DSP片上大容量存储器中建立反射信号相关功率波形理论模型数据库的方法，实现了使用牛顿高斯迭代算法对码相位差的硬件实时处理，提高了码相位差实时测量的精度。
(3)通过全相位变换测出直射信号和反射信号的载波初相，通过初相的比对得到载波相位差测量结果的修正值，实现对载波相位差测量结果的修正。
附图说明
图1为本发明一种GNSS-R相位差提取的硬件接收机实现方法的实施原理框图；
图2为码相位差粗测模块的原理框图；
图3为码相位差精测模块的原理框图；
图4为载波相位差估计模块的原理框图；
图5为全相位变换与载波相位差修正模块的原理框图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
本发明在于提供一种实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机及方法。该方案基于成熟的FPGA和DSP芯片实现。采用了通过FIFO对A/D变换后的直射导航信号进行固定时间延时后与当前直射信号自相关的方法检测直射信号导航电文的变化；采用了通过可变延时FIFO将检测到的直射信号导航电文变化映射到反射信号中，并以码相位差的粗测结果作为反馈值控制可变延时FIFO的延时时间的方法，有效的消除了导航电文的变化对反射信号相干累积的影响；采用了通过全相位变换估计直射与反射信号的载波相位初值，并通过相位初值比较结果对载波相位差进行修正的方法，有效消除了反射过程造成的反射信号载波相位变化引起的载波相位差估计误差，提高了估计精度。
上述技术的采用达到了使用硬件电路对直射和反射导航信号进行同时、同步处理的技术效果，具有实时性好，精度高，消耗存储资源小等优势，以及硬件可实现的意义。
本发明的采用硬件接收机实现的GNSS-R相位差提取的方法，分以下步骤：
步骤1：码相位差粗测，如图2所示：
子步骤1：通过DMR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；
子步骤2：通过FIFO对DMR相关器输出的直射信号处理结果YD,k进行1ms的固定延时，延时后与当前的相关器输出结果YD,k-1进行相乘，通过对相乘后YD,kYD,k-1的峰值点极性实现对当前基带导航电文数据变化的实时检测，产生对DMR相关器反射信号相关输出结果进行相干积分处理的参考信号pk，如果直射信号的相邻码周期内电文数据出现变化，则pk＝-1，否则pk＝1；
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DMR相关器反射信号输出结果相乘，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反射信号的映射；
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；
子步骤5：对直射信号的相关功率波形在时域上进行一次微分计算，微分后的过零点即直射信号相关功率波形的峰值点；对反射信号的相关功率波形进行相关函数微分方法(DCF方法)处理(DCF方法是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，对DCF处理结果进行一次微分，微分后的过零点即反射信号相关功率波形的峰值点；直射信号与反射信号相关功率波形峰值点的时间差即直射与反射信号的码相位差粗测结果；
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延时可调FIFO的延时时间，实现直射信号导航电文数据变化对相应反射信号的准确映射。
步骤2：码相位差精测，如图3所示：
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，利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；
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以实现相位差的精确估计。
步骤3：载波相位差估计，如图4所示。该模块将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，省去了一般的载波相位差估计过程中的码相位延时搜索的过程。
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ID与IR；
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搜索的方法，即调整本地导航扩频码延时量的大小以使其与反射信号的相关功率最大，延时的步长一般为100ns，对应C/A码0.1码片，搜索范围不大于两个码片)完成对反射信号的扩频码同步；
子步骤3：利用直射信号同相分量ID和符号函数(sgn函数)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，得到
I ~ R = sgn ( I D ) · I R Q R = sgn ( I D ) · Q R
子步骤4：使用四象限反正切鉴相器(fourquadrantarctangentdiscriminator)计算得到载波相位差的单次估计值：
Δφ R - D = arctan 2 ( Q ~ R , I ~ R )
步骤4：全相位变换与载波相位差修正，如图5所示：
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；
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；
子步骤3：利用修正值对载波相位差估计模块的输出结果△φR-D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。
本发明的实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机，由以下模块组成：
模块1：码相位差粗测模块，如图2所示。该模块主要由DMR相关器电路、乘法器电路、FIFO延时器电路、相干积分电路、一次微分与过零点检测电路、码延时粗测电路等组成。
子模块1：DMR相关器电路子模块。该电路在时域和频域对直射、反射信号进行一个导航扩频码周期的相关处理，并输出相关处理结果；
子模块2：FIFO延时器电路模块。通过FIFO延时器1对DMR相关器输出的直射信号处理结果YD,k进行1ms的固定延时，延时后与当前的相关器输出结果YD,k-1进行相乘，通过对相乘后YD,kYD,k-1的峰值点极性实现对当前基带导航电文数据变化的实时检测，产生对DMR相关器反射信号相关输出结果进行相干积分处理的参考信号pk，如果直射信号的相邻码周期内电文数据出现变化，则pk＝-1，否则pk＝1；通过FIFO延时器2(延时可调FIFO)对pk进行延时后，将pk与实时采集处理的DMR相关器反射信号输出结果相乘，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反射信号的映射。
子模块3：相干积分电路。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，通过相干积分电路进行一定码周期的相干累积，一般累积时间大于20ms，形成直射信号与反射信号的相关功率波形。
子模块4：DCF电路。对反射信号的相关功率波形进行相关函数微分方法(DCF方法)处理(DCF方法是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。
子模块5：一次微分与过零点检测电路。对DCF处理结果以及相干累积后的直射信号DMR输出结果进行一次微分，微分后的过零点即信号相关功率波形的峰值点；直射信号与反射信号相关功率波形峰值点的时间差即直射与反射信号的码相位差粗测结果。
子模块6：码延时粗测电路。计算得出码相位差粗测结果，将该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延时可调FIFO的延时时间，实现直射信号导航电文数据变化对相应反射信号的准确映射。
模块2：码相位差精测模块，如图3所示。该模块基于DSP实现，由反射信号相关功率模型数据库、牛顿迭代高斯算法模块组成。
子模块1：反射信号相关功率模型数据库。在DSP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；
子模块2：牛顿高斯迭代算法模块。利用码相位差快速粗测模块的相位差粗测结果作为迭代初值，通过牛顿高斯迭代方法对反射信号的相关功率波形与反射信号相关功率模型数据库的理论波形进行拟合，实现码相位差的精确估计。
模块3：载波相位差估计模块，如图4所示。该模块分为主通道和从属通道两部分，主通道对直射信号进行同步处理，并将同步参数作为参考值输入从属通道，实现对低信噪比反射信号的处理以及直射、反射信号载波相位差的估计。
子模块1：主通道。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ID与IR。符号函数(sgn函数)
子模块2：从属通道。将完成主通道中完成跟踪后的载波引入并与反射信号相乘，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搜索的方法，即调整本地导航扩频码延时量的大小以使其与反射信号的相关功率最大，延时的步长一般为100ns，对应C/A码0.1码片，搜索范围不大于两个码片)完成对反射信号的扩频码同步；利用直射信号同相分量ID和符号函数(sgn函数)分别对完成了载波同步和码同步的反射信号的同相和正交支路进行基带电文数据剥离，得到
I ~ R = sgn ( I D ) · I R Q R = sgn ( I D ) · Q R
使用四象限反正切鉴相器(fourquadrantarctangentdiscriminator)计算得到直射信号与反射信号载波相位差的单次估计值：
Δφ R - D = arctan 2 ( Q ~ R , I ~ R )
模块4：全相位变换与载波相位差修正模块，如图5所示。该模块由降速电路，全相位傅里叶变换与初相值比较电路，载波相位差修正电路等构成。
子模块1：降速电路。对实时采集的直射、反射导航信号进行降速处理，使信号速率易于进行全相位傅里叶变换的处理。
子模块2：全相位傅里叶变换与初相值比较电路。对降速后的直射与反射信号进行全相位变换，求得直射、反射信号的载波相位初值；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；
子模块3：载波相位差修正电路。利用修正值对载波相位差估计模块的输出结果△φR-D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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种采用硬件接收机的GNSS-R相位差提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)码相位差快速粗测：通过DMR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；通过FIFO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；通过延时可调FIFO对参考信号进行延时，将其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；进行一定码周期的相干积分，形成直射信号与反射信号的相关功率波形；对反射信号相关功率波形进行相关函数微分方法处理，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结果；
2)码相位差精测：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，将码相位差粗测结果作为迭代初值输入DSP，同时也作为反馈控制信号控制延时可调FIFO的延时时间；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以实现相位差的精确估计。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
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；利用符号函数对直射信号同相分量进行处理，实现对反射信号的同相和正交支路进行基带电文数据剥离；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；
4)全相位变换与载波相位差修正：通过全相位变换测出直射信号和反射信号的载波初相，通过初相的比对得到载波相位差测量结果的修正值，实现对载波相位差测量结果的修正。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3)具体包括如下步骤：
3-1)对直射信号进行同步操作，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；
3-2)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，从而完成对反射信号的扩频码同步；
3-3)利用符号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；
3-4)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。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤4)具体包括如下步骤：
4-1)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；
4-2)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；
4-3)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。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：码相位差快速粗测步骤、载波相位差估计步骤和全相位变换与载波相位差修正步骤使用FPGA实现，码相位差精测步骤使用DSP实现。
6.一种实现GNSS-R相位差提取的硬件接收机，其特征在于，包括：
码相位差快速粗测模块：通过DMR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；通过FIFO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；通过延时可调FIFO对参考信号进行延时，将其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；进行一定码周期的相干积分，形成直射信号与反射信号的相关功率波形；对反射信号相关功率波形进行相关函数微分方法处理，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结果；
码相位差精测模块：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，将码相位差粗测结果作为迭代初值输入DSP，同时也作为反馈控制信号控制延时可调FIFO的延时时间；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以实现相位差的精确估计。
7.如权利要求6所述的硬件接收机，其特征在于，还包括如下模块：
载波相位差估计模块：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；利用符号函数对直射信号同相分量进行处理，实现对反射信号的同相和正交支路进行基带电文数据剥离；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；
全相位变换与载波相位差修正模块：通过全相位变换测出直射信号和反射信号的载波初相，通过初相的比对得到载波相位差测量结果的修正值，实现对载波相位差测量结果的修正。
8.如权利要求6或7所述的硬件接收机，其特征在于：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实现，码相位差精测模块使用DSP实现。
9.如权利要求8所述的硬件接收机，其特征在于：所述码相位差快速粗测模块包括DMR相关器电路、乘法器电路、FIFO延时器电路、相干积分电路、DCF电路、一次微分与过零点检测电路、码延时粗测电路；所述码相位差精测模块包括反射信号相关功率模型数据库、牛顿迭代高斯算法模块；所述载波相位差估计模块分为主通道和从属通道两部分，主通道对直射信号进行同步处理，并将同步参数作为参考值输入从属通道，实现对低信噪比反射信号的处理以及直射、反射信号载波相位差的估计；所述全相位变换与载波相位差修正模块包括降速电路、全相位傅里叶变换与初相值比较电路、载波相位差修正电路。
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