Beidou GNSS-R alıcısı için uygun yansıyan sinyal toplama algoritması
0 Önsöz
Global Navigasyon Uydu Sistemi (GNSS), kullanıcılara sadece navigasyon ve konumlandırma bilgileri, zamanlama ve diğer işlevleri sağlamakla kalmaz, aynı zamanda yansıtılan sinyalleri de alabilir ve işleyebilir. Hedef uzaktan algılama ölçümü için GNSS'den yansıyan sinyalleri kullanma teknolojisine Global Navigasyon Uydu Sistemi Yansımaları (GNSS-R) denir. GNSS uydularının yansıyan sinyalleri işlenerek, uzaktan algılama tespiti ve deniz yüzeyi, yer yüzeyi, orman ve diğer parametrelerin ters çevrilmesi gerçekleştirilebilir. Çin'in BeiDou Navigasyon Uydu Sistemi (BDS), Çin tarafından geliştirilen küresel bir uydu navigasyon sistemidir. Çok yönlü, çoklu sinyal kaynakları, geniş kapsama alanı ve yüksek çözünürlüklü yüzey gözlem deneyleri gerçekleştirebilir, okyanuslar, kara ve buz gibi yansıtıcı yüzeylerin izlenmesi için daha güvenilir ve etkili bir yöntem sağlar ki bu kesinlikle Beidou sistemi uygulaması olacaktır. Önemli bir alan
Yansıtılan sinyallerin yakalanması, GNSS-R teknolojisinin anahtarıdır. Bununla birlikte, sinyal yansıtıcı yüzey tarafından yansıtıldıktan sonra, sinyal gücü büyük ölçüde azaltılır ve bu da yansıyan sinyali yakalama zorluğunu artırır. Yansıyan sinyallerin yakalanması için, entegrasyon süresi uzatılarak sinyal-gürültü oranı iyileştirilir. Şu anda, ortak yansıma sinyali edinme algoritmaları esas olarak tutarlı uyumlu olmayan algoritma ve diferansiyel uyumlu edinim algoritmasını içerir. Bunlar arasında, tutarlı entegrasyon, sinyal kazanımının iyileştirilmesi için en etkili olanıdır, ancak tutarlı entegrasyon, navigasyon veri sıçramaları ile sınırlıdır. Beidou GNSS-R alıcısını hedefleyen bu makale, navigasyon veri sıçramalarının üstesinden gelebilecek bir yansıma sinyali edinme algoritması önermektedir.
Beidou uydu navigasyon sistemi, Beidou sistemi olarak kısaltılır ve uzay takımyıldızı 5 jeostasyoner yörünge (GEO) uydusu, 27 orta dairesel dünya yörüngesi (MEO) uydusu ve 3 eğimli jeosenkron yörünge (IGSO) uydusundan oluşur. Beidou uyduları 1-5, GEO uydularıdır. GEO uyduları, 500 b / s veri hızıyla D2 navigasyon mesajları yayınlar. Beidou uyduları 6-37, 50 b / s veri hızıyla D1 navigasyon mesajları yayınlayan ve 1 Kb / s hızında ikincil bir kodla modüle edilen MEO / IGSO uydularına aittir. D1 navigasyon mesajı üzerinde modüle edilen ikincil kodlama, mesaj üzerindeki bir NH kodunun 50 b / s oranında modüle edilmesine karşılık gelir. NH kod döngüsü 20 ms'dir, toplam 20 bit bilgi biti (00 00 01 00 11 01 01 00 11 10), kod hızı 1 Kb / s ve kod genişliği 1 ms'dir. Modül artı biçimi, yayılan kod ve navigasyon bilgi kodu ile eşzamanlı olarak modüle edilir. Şekil 1, Beidou sinyali ikincil modülasyonunun şematik bir diyagramıdır.
2 Yansıma sinyali yakalama algoritması üzerine araştırma
2.1 Sinyal yakalama ilkesi
Uydu sinyallerinin edinimi, Doppler frekansı ve C / A kodunun iki boyutlu bir arama sürecidir.C / A kodunun güçlü otokorelasyonunu kullanarak, C / A'yı belirlemek için iki boyutlu arama sürecinde bir otokorelasyon tepe noktası bulunur. Faz kayması ve Doppler frekansı bilgilerini kodlayın. Ortak edinim arama algoritması, frekans seri kod faz paralel aramadır ve işleme blok diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.
2.2 Geleneksel yansıyan sinyal yakalama algoritması
2.2.1 Tutarlı-tutarsız entegrasyon algoritması
Tutarlı integral, C / A kodunun güçlü otokorelasyonunu kullanır ve N C / A kod dönemlerinin korelasyon değeri matrisini doğrudan biriktirir. Matematiksel ifade aşağıdaki gibidir:
Formülde, yk (t, fd) k-inci C / A kod korelasyon değeri matrisini temsil eder ve t ve fd sırasıyla kod fazı noktasını ve Doppler frekansını temsil eder.
Tutarlı integral kazanç şu şekilde ifade edilebilir:
Formülde, Bb = 1 / T, T tutarlı entegrasyon süresidir. Beidou sinyali için, BW = 4.092 MHz. Denklem (2), tutarlı entegrasyon süresinin artırılmasının sinyal kazancını artırabileceğini göstermektedir.Navigasyon verisi ve atlama kenarı bilinmediğinden, tutarlı entegrasyon süresi sonsuza kadar arttırılamaz.Bu durumda, sinyal-gürültü oranı, tutarsız entegrasyon kullanılarak iyileştirilebilir.
Tutarsız entegrasyon, modül karesinin alınmasından sonraki N tutarlı entegrasyon sonucunun toplamıdır. Matematiksel ifade aşağıdaki gibidir:
Tutarsız entegrasyonun uzunluğu, navigasyon verilerinden ve atlama kenarlarından etkilenmez, ancak gürültü karesi kaybı vardır. Literatür, kazancını ve kaybını analiz ederek, tutarsızlık sayısının küçük olduğunda etkili olduğunu, ancak kümülatif sayı arttıkça kaybın artacağını ve toplam işlem kazancının azalacağını belirtmektedir.
2.2.2 Diferansiyel uyumlu algoritma
Diferansiyel tutarlılık algoritmasının ilkesi aşağıdaki ifade ile özetlenebilir:
Literatür, diferansiyel tutarlı entegrasyonun kare kaybını azaltabileceğini ve sinyal-gürültü oranını tutarsız entegrasyondan daha iyi iyileştirdiğini belirtmektedir.
2.3 Doğrudan yardımlı yansıma sinyali yakalama algoritması
2.3.1 Doğrudan sinyal ile yansıyan sinyal arasındaki ilişkinin araştırılması
GNSS-R prensibi Şekil 3'te gösterilmektedir. Alıcı, doğrudan uydu sinyalini alırken yansıyan sinyali alacaktır. Yansıyan sinyal, yansıtıcı yüzey tarafından yansıtıldıktan sonra alıcıya ulaşır. Doğrudan sinyallerle karşılaştırıldığında, yansıyan sinyallerin yayılma yolu bir yol gecikmesine sahiptir. Beidou uydusunun doğrudan ve yansıyan sinyallerinin sayısal ara frekans ifadeleri aşağıdaki gibidir:
Doğrudan sinyalin matematiksel ifadesi:
Formülde, üst simge i uydu numarasını temsil eder ve A, x, D, fd, , f ve i, uydu sinyali genliğini, C / A kodunu, navigasyon veri kodunu, doğrudan Doppler kaymasını ve doğrudan göreceli yansımayı temsil eder. Çip gecikmesi, doğrudan ışına göre yansımanın Doppler kayması ve taşıyıcının ilk fazı.
2.3.2 Doğrudan ışın yardımına dayalı yansıyan sinyal toplama algoritması
GNSS-R alıcısının işleme blok diyagramı Şekil 4'te gösterilmektedir. Alıcı temel bant işleme modülü, doğrudan kanala ve yansıma kanalına bölünmüştür. Doğrudan kanal, doğrudan sinyal yakalama ve izleme, navigasyon çözümü ve kullanıcı konumlandırmayı tamamlar. Direkt sinyaldeki navigasyon verileri D (k), navigasyon çözümü ile çözülebilir ve D (k) değeri 1 veya -1'dir. Yansıyan sinyaldeki navigasyon verilerini çıkarmak için D (k) 'yi kullanarak formül (6) Yeniden yazıldı:
Uzun vadeli tutarlı entegrasyon, navigasyon atlamasının yansıtılan sinyali kaldırılarak gerçekleştirilebilir. İlgili işleme için FFT'yi kullanmadan önce, gezinme atlamalarından arındırılmış verileri periyodik olarak biriktirin ve ardından FFT ile ilgili işlemleri gerçekleştirin, bu FFT hesaplama noktalarının sayısını azaltabilir, böylece uzun vadeli tutarlı entegrasyon hesaplamalarının miktarını büyük ölçüde azaltır ve yansıyan sinyali artırır. Hız yakalayın. Doğrudan ışın yardımına dayalı olarak yansıyan sinyallerin hızlı edinim süreci aşağıdaki gibidir:
(1) Frekans, merkez olarak doğrudan sinyalin Doppler frekansı ile aranır ve giriş IF Beidou yansıma sinyali ortogonal yerel taşıyıcıyla çarpılır ve taşıyıcı kaldırılır.
(2) Yansıyan sinyali navigasyon verileri için ayırmak için doğrudan sinyalden çıkarılan navigasyon verilerini kullanın.Beidou uydusunun farklı modülasyon yöntemlerine göre, iki durum vardır:
Bir GEO uydusuysa, navigasyon verileri doğrudan yansıyan sinyal ile çarpılır.
MEO / IGSO uyduları söz konusu olduğunda, navigasyon verileri önce NH kodu ile modüle edilir ve ardından yansıyan sinyal ile çarpılır.
(3) Bir C / A döngüsünde navigasyon atlaması olmadan sinyali toplayın.
(4) Toplanan sinyal, FFT dönüşümüne uğrar, onu yerel C / A FFT değişikliğinin karmaşık eşleniği ile çarpar ve IFFT dönüşümünden sonra modülü alır.
3 Algoritma deney simülasyonu
3.1 Deneysel koşullar
Deneyde, uydu sinyallerini oluşturmak için Matrix Electronics'in çok takımyıldızlı bir navigasyon sinyali simülatörü (model GNS-8332) kullanıldı. Simülasyon senaryosunda, farklı güçlerdeki Beidou B1 frekanslı uydu sinyallerini üretmek için kanal parametrelerini yapılandırarak, uydunun yansıyan sinyalini simüle etmek için uyduya çok yollu sinyaller ekleyebilirsiniz. Doğrudan sinyale göre yansıtılan sinyalin güç zayıflaması ayarlanabilir. Veri toplama için Wright Information Technology'nin çok antenli uydu ara frekans sinyal örnekleyicisini (model LT-C-002) kullanın; örnekleme frekansı 20 MHz'dir. Sinyal merkez frekansı 2.902 MHz'dir.
3.2 Algoritma simülasyonu
3.2.1 Deney 1
Simülatör Beidou-1 uydu sinyalini üretir Direkt sinyal gücü -130 dBm'ye ayarlanır ve yansıyan sinyal direkt sinyale göre 10 dB azaltılır, yani güç -140 dBm'dir. Doğrudan sinyale göre yansıtılan sinyalin çip gecikmesi 20 çiptir. Beidou 1 uydusunun üç algoritma ile yakalama sonuçları Şekil 5 ila Şekil 7'de gösterilmektedir.
Deney 1 simülasyon sonucu: Üç yakalama yöntemiyle işlenen veri uzunluğunun tümü 20 ms'dir. Çip çözünürlüğü 1/4 yongadır. Şekil 5-7'de kullanılan yakalama yöntemleri uyumlu tutarsız entegrasyon, diferansiyel uyumlu entegrasyon ve doğrudan yardımlı tutarlı entegrasyondur Yakalama performansı karşılaştırması Tablo 1'de gösterilmiştir.
3.2.2 Deney 2
Simülatör Beidou 7 uydu sinyalini üretir Direkt sinyal gücü -130 dBm'ye ayarlanır ve yansıyan sinyal direkt sinyale göre 20 dB azaltılır, yani güç -150 dBm'dir. Doğrudan sinyale göre yansıtılan sinyalin çip gecikmesi 20 çiptir. Beidou 7 uydusunun üç algoritma ile yakalama sonuçları Şekil 8 ila Şekil 10'da gösterilmektedir.
İkinci deneyin simülasyon sonuçları: üç yakalama yöntemiyle işlenen veri uzunluğunun tümü 100 ms'dir. Çip çözünürlüğü 1/4 yongadır. Şekiller 8-10'da kullanılan yakalama yöntemleri, uyumlu tutarlı olmayan entegrasyon, diferansiyel uyumlu entegrasyon ve doğrudan destekli tutarlı entegrasyondur Yakalama performansı karşılaştırması Tablo 2'de gösterilmiştir.
4. Sonuç
Geleneksel yansıyan sinyal edinim algoritmalarının çalışmasına dayanan bu makale, Beidou GNSS-R alıcılarında yansıyan sinyaller için bir edinim algoritması önermek için doğrudan radyasyon ve yansıyan sinyaller arasındaki ilişkiyi kullanır ve bunları simüle eder.Aynı zamanda, tutarlı tutarsız entegrasyon ile entegre edilmiştir. , Diferansiyel tutarlılık algoritması karşılaştırılır. Simülasyon sonuçları, -140 dBm sinyal yakalarken, üç algoritmanın entegrasyon uzunluğunun 20 ms olduğunu göstermektedir.Bu makaledeki algoritmanın edinme performansı, tutarlı olmayan uyumlu algoritmadan 13.98 dB ve diferansiyel uyumlu algoritmadan 7.78 dB daha iyidir. -150 dBm'lik zayıf bir sinyali yakalarken, entegrasyon süresi 100 ms'dir.Geleneksel yakalama algoritması, yansıyan sinyali algılayamaz ve bu makaledeki algoritma, yansıyan sinyali doğru bir şekilde algılar. Daha uzun bir entegrasyon süresi kullanılırsa, daha zayıf bir yansıyan sinyal yakalanabilir. Hedef ters çevirme için GNSS-R teknolojisini kullanırken, bu algoritmanın iyi bir uygulama olasılığı vardır.
Referanslar
Li Huang, Xia Qing, Yin Cong ve diğerleri.Çin'deki GNSS-R uzaktan algılama teknolojisinin araştırma durumu ve gelecekteki gelişme eğilimi Journal of Radars, 2013, 2 (4): 389-399.
CARDELLACH E, RUFFINI G, PINO D, ve diğerleri Akdeniz balon deneyi: GPS yansımaları kullanılarak stratosferden okyanus rüzgar hızı algılama Çevreyi Uzaktan Algılama, 2003, 88 (3): 351-362.
RODRIGUEZ-ALVAREZ N, CAMPS A, VALL-LLOSSERA M, ve diğerleri.GNSS-R girişim modeli kullanılarak arazi jeofizik parametrelerinin alınması.IEEE İşlemleri Yerbilimi ve Uzaktan Algılama, 2010, 49 (1): 71-84.
Zhou Xuan, Ye Xiaomin, Yu Yang, ve diğerleri GNSS-R'ye dayalı deniz yüzeyi rüzgar hızı algılama teknolojisi üzerine araştırma. Journal of Electronics and Information, 2013, 35 (7): 1575-1580.
Yang Dongkai, Zhang Qishan. GNSS, sinyal işlemenin temellerini ve uygulamasını yansıtıyor. Beijing: Electronic Industry Press, 2012.
ELDERS-BOLL H, DETTMAR U. Zayıf GPS sinyallerinin verimli farklı uyumlu kod / Doppler edinimi IEEE Sekizinci Uluslararası Yayılı Spektrum Teknikleri ve Uygulamaları Sempozyumu IEEE, 2005: 731-735.
Chen Xue, Xu Jianhua, Ye Tianchun ve diğerleri.FFT'ye dayalı zayıf bir GPS sinyali edinme algoritması. Mikroelektronik ve Bilgisayar, 2010, 27 (3): 98-101.
Çin Uydu Navigasyon Sistemi Yönetim Ofisi. Beidou Uydu Navigasyon Sistemi Sinyal Arayüzü Kontrol Dosyası Genel Hizmet Sinyali (Sürüm 2.1). 2013.
Lu Yu. Beidou / GPS İkili Mod Yazılım Alıcısının Prensip ve Uygulama Teknolojisi Pekin: Electronic Industry Press, 2016.
Xu Xiaosu, Fan Jinyang GPS yazılım alıcısı edinme algoritması Chinese Journal of Inertial Technology, 2009, 17 (2): 165-169.
LIN D M, TSUI J B Y, LIOU L L, ve diğerleri. Bağımsız bir GPS alıcısının duyarlılık sınırı ve bir edinme yöntemi Navigasyon Enstitüsü Uydu Bölümü Uluslararası Teknik Toplantısı Bildirileri, 2002: 1663-1667.
SCHMID A, NEUBAUER A. Tek adımlı ölçüm konumlandırma için diferansiyel korelasyon performans değerlendirmesi Proc. ION GNSS 2004, Long Beach, CA, 2004: 1998-2009.
yazar bilgileri:
Yang Rui1, Huang Haisheng1, Li Xin1, Cao Xinliang2
(1. Elektronik Mühendisliği Okulu, Xian Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Xian, Shaanxi 710121; 2. School of Physics and Electronic Information, Yan'an Üniversitesi, Yan'an, Shaanxi 716000)
