CN201716419U - 机载多普勒/延迟映射接收机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种机载多普勒/延迟映射接收机，利用右旋天线接收GNSS卫星直射信号，四阵列左旋天线接收海面反射的GNSS信号；然后两路信号分别经双通道频率变化模块、双路8位模数转换模块后输出直射通道的数字中频信号和反射通道的数字中频信号；直射信号处理模块对直射通道数字中频信号进行处理，回波信号处理模块对反射通道数字中频信号进行处理。该机载多普勒/延迟映射接收机能够实现多源导航卫星直射和回波散射信号同步接收、海量原始信号采样与相关处理、多类信号源通道配置与逻辑控制、导航定位求解、不同时延/多普勒频移/相关功率计算和数据实时输出功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种接收机，更特别的说是一种机载多普勒/延迟映射接收机，属于导航定位与海洋遥感交叉技术领域。
背景技术
海洋遥感监测范围大、动态性高、气象条件复杂，微波遥感手段在区域性和全球性海洋环境遥感监测应用中具有紧迫的需求。目前，已有的SAR(Synthetic ApertureRadar)、散射计、高度计等微波遥感手段均利用后向散射同源观测的方式，数据收发成本高，时效性尚不能满足监测应用需求。全球卫星定位系统不仅为空间信息用户提供了导航定位信息，还提供了源源不断的L波段微波信号资源。基于全球卫星定位系统的GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)海洋微波遥感系统以其全天候、全天时、多信号源、宽覆盖、高时空分辨率等应用优势，在海洋环境遥感监测中展现出广阔的应用前景，将与现有的微波遥感手段协同对海观测，提高海洋环境信息的采集效率。该项技术的原理是利用导航卫星L波段的信号为发射源，通过遥感平台上搭载的延迟映射接收机接收直射和海面回波信号，进而进行要素反演。用于信号相关处理的延迟映射接收机是GNSS-R海洋遥感系统的核心技术。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种机载多普勒/延迟映射接收机，该接收机同时接收导航卫星直射信号和海面回波信号，输出接收机的导航定位解信息和在不同延迟时刻、不同多普勒频率偏移情况下的海面回波信号的二维相关功率，不但可以提供延时-相关功率数据，同时也可以提供多普勒频移-相关功率数据，以供反演使用。
本实用新型的一种机载多普勒/延迟映射接收机，包括右旋天线、四阵列左旋天线，双通道频率变化模块，双路8位数模转换模块，直射信号处理模块，回波信号处理模块；
右旋天线用于对接收到的GNSS卫星的L波段的直射信号进行增益放大后形成 右旋圆极化信号FSR输出给双通道频率变化模块的直射通道；
四阵列左旋天线用于对接收到的海面反射GNSS卫星的L波段的回波信号进行增益放大后形成左旋圆极化信号FSL输出给双通道频率变化模块的回波通道；
双通道频率变化模块中设有直射通道和回波通道；其一方面对右旋圆极化信号FSR进行变频、放大和滤波处理输出直射信号的模拟中频信号FIR；另一方面对左旋圆极化信号FSL进行变频、放大和滤波处理后输出回波信号的模拟中频信号FIL；第三方面分别为双路8位数模转换模块、直射信号处理模块和回波信号处理模块提供10MHz基准时钟CLK；
双路8位模数转换模块一方面将输入的直射通道的中频信号FIR进行高速采样得到数字中频信号FIDR，并输出给直射信号处理模块；另一方面将输入的回波通道的中频信号FIL进行高速采样得到数字中频信号FIDL，并输出给回波信号处理模块；所述双路8位模数转换模块的采样频率为20.46MHz；
直射信号处理模块对接收到的FIDR采用串行进行捕获、跟踪处理，当跟踪卫星多于4颗时可实现接收机的定位即输出导航定位解信息PN；另一方面将处于跟踪状态的1～12个直射通道的载波控制字RFD和伪随机码相位DCR输出给回波信号处理模块；
回波信号处理模块对接收信号的处理有：第一方面，根据直射信号处理模块输出的载波控制字RFD和回波信号处理模块设定的多普勒频移控制字FDa～FDn输入到本地信号载波产生模块a～n中，从而产生带有多普勒分量a～n的本地信号载波同相分量LIa～LIn和垂直分量LQa～LQn；n表示本地信号载波产生模块的个数；第二方面，量化电平译码模块将回波通道数字中频信号FIDL进行量化译码后形成信号FIDLL分别输出给2m个乘法器，在乘法器中FIDLL分别与同相分量LIa～LIn信号和垂直分量LQa～LQn信号进行乘法运算剥离载波信号，得到基带信号同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm；m表示乘法器的个数；第三方面，码片延迟控制模块将直射通道跟踪卫星伪随机码相位DCR经过q个时间延迟后形成q个时延跟踪卫星的伪随机码Da输出给p个乘法器组；在乘法器组中与基带信号同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm进行乘法运算得到相关值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q；q表示时间延迟的个数，p表示乘法器组的个数；第四方面，在相干累加平方和运算模块中将输入的相关值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×a进行1ms累加后进行平方和运算得到二维相关功率PFDi，j。
右旋天线接收GNSS卫星直射信号，四阵列左旋天线接收海面反射的GNSS信号，两路信号进入到双通道频率变化模块进行精密的变频、放大、滤波和增益控制处 理，得到两路模拟中频信号后输出到双路8位模数转换模块，在双路8位模数转换模块进行模数转换得到直射通道的数字中频信号和反射通道的数字中频信号，直射通道的数字中频信号送到直射信号处理模块，完成直射信号的捕获、跟踪、定位，得到接收机的导航定位解信息，并将跟踪卫星的载波频率控制字，和跟踪卫星的伪随机码送到回波信号处理模块，将载频进行一系列多普勒频移，伪随机码相位进行一系列时间延迟后与反射通道的数字中频信号进行二维相关运算得到不同延迟时刻、不同多普勒频率偏移情况下的二维相关功率，通过数据输出模块输出导航定位解信息和多普勒/延迟二维相关功率信息，以供反演使用。
本实用新型设计的机载多普勒/延迟映射接收机具有如下优点：
1、本接收机可输出不同延迟时刻、不同多普勒频率偏移情况下的二维相关功率，不但可以提供延时-相关功率数据，同时也可以提供多普勒频移-相关功率数据。
2、采用四阵列左旋天线接收回波信号，天线增益更高，可达到12dB。
3、采用二维相关运算模块输出回波信号的多普勒/延迟二维相关功率。
附图说明
图1是本实用新型机载多普勒/延迟映射接收机的结构图。
图2是本实用新型回波信号处理模块组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
本实用新型涉及的接收机属于导航定位与海洋遥感交叉技术领域，该机载多普勒/延迟映射接收机能够实现多源导航卫星直射和回波散射信号同步接收、海量原始信号采样与相关处理、多类信号源通道配置与逻辑控制、导航定位求解、不同时延/多普勒频移/相关功率计算和数据实时输出功能。
参见图1所示，本实用新型的一种机载多普勒/延迟映射接收机包括有右旋天线1、四阵列左旋天线2、双通道频率变化模块3、双路8位数模转换模块4、直射信号处理模块5和回波信号处理模块6。
所述机载多普勒/延迟映射接收机为FPGA芯片+DSP芯片+编程构成。FPGA芯片选取EP2S60F672C5型号，DSP芯片选取TMS320C6713BGDP300型号。编程使用DK-DSP-2S60-N开发工具，在Quartus Ⅱ软件环境下，采用Verlog硬件描述语言开发。
右旋天线1
右旋天线对接收到的GNSS卫星的L波段的直射信号，并将该直射信号进行增益放大后形成右旋圆极化信号FSR输出给双通道频率变化模块3的直射通道。
在本实用新型中，右旋天线为单阵列航空型天线，该天线的增益为3dB，波束角180°。
四阵列左旋天线2
四阵列左旋天线对接收到的海面反射GNSS卫星的L波段的回波信号，并将该回波信号进行增益放大后形成左旋圆极化信号FSL输出给双通道频率变化模块3的回波通道。
在本实用新型中，四阵列左旋天线的增益为12dB，波束角30°。该左旋天线具有以下特点：通过单馈点结构，实现天线阵列单元的组阵；通过采用连续旋转馈电结构，降低各天线单元之间的互耦系数；通过旋转串行馈电技术，增加天线阻抗带宽，降低E面和H面的旁瓣并利用其寄生辐射提高天线的圆极化特性。
双通道频率变化模块3
在本实用新型中，双通道频率变化模块3采用双输入结构(即有直射通道和回波通道)，每个通道相互独立，一方面对右旋圆极化信号FSR进行变频、放大和滤波处理输出直射信号的模拟中频信号FIR；另一方面对左旋圆极化信号FSL进行变频、放大和滤波处理后输出回波信号的模拟中频信号FIL；第三方面分别为双路8位数模转换模块4、直射信号处理模块5和回波信号处理模块6提供10MHz基准时钟CLK。
在本实用新型中，对于双通道频率变化模块中的独立通道，具有精密的变频、放大、滤波和增益控制电路。为了防止镜像干扰，射频前端采用超外差结构，并采用双级下变频方案。GNSS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级产生的881MHz中频信号与本振频率为927MHz本振信号混频为46.42MHz，即输出模拟中频信号。
模块输出频率的-3dB带外抑制为同信号带宽，输出电平各路均为0dBm±1dB/50Ω。同时该模块集成10MHz的温补晶振，分别为双路8位数模转换模块4、直射信号处理模块5和回波信号处理模块6提供10MHz基准时钟CLK。
双路8位模数转换模块4
在本实用新型中，双路8位模数转换模块4的主要芯片为双通道模数转换芯片AD9288BST-100，该模块一方面将输入的直射通道的中频信号FIR进行高速采样得到数字中频信号FIDR，并输出给直射信号处理模块5；另一方面将输入的回波通道的中频信号FIL进行高速采样得到数字中频信号FIDL，并输出给反射信号处理模块6。在本实用新型中双路8位模数转换模块4的采样频率为20.46MHz。
直射信号处理模块5
直射信号处理模块5对接收到的FIDR采用串行进行捕获、跟踪处理，当跟踪卫星多于4颗时可实现接收机的定位即输出导航定位解信息PN；另一方面将处于跟踪状态的1～12个直射通道的载波控制字RFD和伪随机码相位DCR输出给回波信号处理模块6。
在本实用新型中，通过右旋天线输出的直射信号来获取导航定位解信息为现有常规技术，如采用串行码跟踪技术、载波环路跟踪技术等。
反射信号处理模块6
如图2中所示，在本实用新型中，回波信号处理模块6的处理为：
第一方面，根据直射信号处理模块5输出的载波控制字RFD和回波信号处理模块6设定的多普勒频移控制字FDa～FDn输入到本地信号载波产生模块a～n中，从而产生带有多普勒分量a～n的本地信号载波同相分量LIa～LIn和垂直分量LQa～LQn；n表示本地信号载波产生模块的个数；
第二方面，量化电平译码模块将回波通道数字中频信号FIDL进行量化译码后形成信号FIDLL分别输出给2m个乘法器，在乘法器中FIDLL分别与同相分量LIa～LIn信号和垂直分量LQa～LQn信号进行乘法运算剥离载波信号，得到基带信号同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm；m表示乘法器的个数；
第三方面，码片延迟控制模块将直射通道跟踪卫星伪随机码相位DCR经过q个时间延迟后形成q个时延跟踪卫星的伪随机码Dq输出给p个乘法器组；在乘法器组中与基带信号同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm进行乘法运算得到相关值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q；q表示时间延迟的个数，p表示乘法器组的个数；
第四方面，在相干累加平方和运算模块中将输入的相关值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q进行1ms累加后进行平方和运算 
得到二维相关功率PFDi，j(i＝1～p，j＝1～q)。
在本实用新型中，FPGA芯片EP2S60F672C5主要作为直射通道与回波通道专用相关器和模块接口逻辑控制使用。DSP芯片TMS320C6713BGDP300主要完成信号处理工作和直射信号和回波信号的通道及环路控制功能。对于FPGA芯片上的管脚与DSP芯片上的管脚的电路原理连接为常规技术，此专利申请中不作说明。
本实用新型设计方案是利用右旋天线1接收GNSS卫星直射信号，四阵列左旋天线2接收海面回波号，两路信号进入到双通道频率变化模块3进行精密的变频、放大、滤波和增益控制处理，得到两路模拟中频信号后输出到双路8位数模转换模块4，进行模数转换得到直射通道的数字中频信号和回波通道的数字中频信号，直射通道的数字中频信号送到直射信号处理模块5，完成直射信号的捕获、跟踪、定位，得到接收机的导航定位解信息，并将跟踪卫星的载波频率进行一系列多普勒频移，时间进行一系列延迟后送到反射信号处理模块6与回波通道的数字中频信号进行二维相关运算得到不同延迟时刻、不同多普勒频率偏移情况下的二维相关功率，以供反演使用。
Claims (4)
1.一种机载多普勒/延迟映射接收机，其特征在于：包括有右旋天线(1)、四阵列左旋天线(2)、双通道频率变化模块(3)、双路8位数模转换模块(4)、直射信号处理模块(5)和回波信号处理模块(6)；
右旋天线(1)用于对接收到的GNSS卫星的L波段的直射信号进行增益放大后形成右旋圆极化信号FSR输出给双通道频率变化模块(3)的直射通道；
四阵列左旋天线(2)用于对接收到的海面反射GNSS卫星的L波段的回波信号进行增益放大后形成左旋圆极化信号FSL输出给双通道频率变化模块(3)的回波通道；
双通道频率变化模块(3)中设有直射通道和回波通道；其一方面对右旋圆极化信号FSR进行变频、放大和滤波处理输出直射信号的模拟中频信号FIR；另一方面对左旋圆极化信号FSL进行变频、放大和滤波处理后输出回波信号的模拟中频信号FIL；第三方面分别为双路8位数模转换模块(4)、直射信号处理模块(5)和回波信号处理模块(6)提供10MHz基准时钟CLK；
双路8位模数转换模块(4)一方面将输入的直射通道的中频信号FIR进行高速采样得到数字中频信号FIDR，并输出给直射信号处理模块(5)；另一方面将输入的回波通道的中频信号FIL进行高速采样得到数字中频信号FIDL，并输出给回波信号处理模块(6)；所述双路8位模数转换模块(4)的采样频率为20.46MHz；
直射信号处理模块(5)对接收到的FIDR采用串行进行捕获、跟踪处理，当跟踪卫星多于4颗时可实现接收机的定位即输出导航定位解信息PN；另一方面将处于跟踪状态的1～12个直射通道的载波控制字RFD和伪随机码相位DCR输出给回波信号处理模块(6)；
回波信号处理模块(6)对接收信号的处理有：第一方面，根据直射信号处理模块(5)输出的载波控制字RFD和回波信号处理模块(6)设定的多普勒频移控制字FDa～FDn输入到本地信号载波产生模块a～n中，从而产生带有多普勒分量a～n的本地信号载波同相分量LIa～LIn和垂直分量LQa～LQn；n表示本地信号载波产生模块的个数；第二方面，量化电平译码模块将回波通道数字中频信号FIDL进行量化译码后形成信号FIDLL分别输出给2m个乘法器，在乘法器中FIDLL分别与同相分量LIa～LIn信号和垂直分量LQa～LQn信号进行乘法运算剥离载波信号，得到基带信号同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm；m表示乘法器的个数；第三方面，码 片延迟控制模块将直射通道跟踪卫星伪随机码相位DCR经过q个时间延迟后形成q个时延跟踪卫星的伪随机码Dq输出给p个乘法器组；在乘法器组中与基带信号同相分量DIa～DIm和垂直分量DQa～DQm进行乘法运算得到相关值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q；q表示时间延迟的个数，p表示乘法器组的个数；第四方面，在相干累加平方和运算模块中将输入的相关值同相分量PIa×q～PIp×q和垂直分量PQa×q～PQp×q进行1ms累加后进行平方和运算得到二维相关功率PFDi，j。
2.根据权利要求1所述的机载多普勒/延迟映射接收机，其特征在于：所述机载多普勒/延迟映射接收机为FPGA芯片+DSP芯片构成；FPGA芯片选取EP2S60F672C5型号，DSP芯片选取TMS320C6713BGDP300型号。
3.根据权利要求1所述的机载多普勒/延迟映射接收机，其特征在于：四阵列左旋天线的增益为12dB，波束角30°。
4.根据权利要求1所述的机载多普勒/延迟映射接收机，其特征在于：双路8位模数转换模块(4)选取AD9288BST-100的双通道模数转换芯片。
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