阅读说明：本技术 一种非均匀码片实时延迟多普勒映像数据生成器 (Non-uniform chip real-time delay Doppler mapping data generator ) 是由 田羽森 王先毅 孙越强 杜起飞 刘黎军 王冬伟 李伟 白伟华 蔡跃荣 柳聪亮 孟 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非均匀码片实时延迟多普勒映像数据生成器,包括：控制器、码移位脉冲生成器、M个码生成器、M个码移位寄存器、M组相关器群和码延迟误差校正模块；所述码移位脉冲生成器用于生成不同脉冲间隔的码移位脉冲,分别输入M个码移位寄存器；所述M个码生成器,用于根据M个不同起始相位生成GNSS信号的M个伪随机码；所述M个码移位寄存器,用于根据码移位脉冲分别缓存M个伪随机码,然后输出至M组相关器群；所述M组相关器群,用于将反射中频信号、载波生成器输出的载波,和接收到的对应的码移位寄存器发送的伪随机码进行相关运算,生成延迟多普勒映像数据；所述码延迟误差校正模块用于将校正后的预测码相位误差分别输入M个码生成器。(The invention discloses a non-uniform chip real-time delay Doppler mapping data generator, which comprises: the device comprises a controller, a code shift pulse generator, M code generators, M code shift registers, M groups of correlators and a code delay error correction module; the code shift pulse generator is used for generating code shift pulses with different pulse intervals and respectively inputting the code shift pulses into M code shift registers; the M code generators are used for generating M pseudo-random codes of the GNSS signals according to M different initial phases; the M code shift registers are used for respectively caching M pseudo-random codes according to the code shift pulse and then outputting the M pseudo-random codes to the M groups of correlator groups; the M groups of correlator groups are used for carrying out correlation operation on the reflected intermediate frequency signals, the carrier waves output by the carrier wave generator and the received pseudo-random codes sent by the corresponding code shift register to generate delay Doppler mapping data; and the code delay error correction module is used for respectively inputting the corrected predicted code phase errors into the M code generators.)

一种非均匀码片实时延迟多普勒映像数据生成器

技术领域

本发明涉及导航卫星反射信号遥感技术领域，具体涉及一种非均匀码片实时延迟多普勒映像数据生成器。

背景技术

导航卫星反射信号遥感技术(Global Navigation Satellite SystemReflectometry,GNSS-R)是一种利用地球表面反射的GNSS信号进行地球表面物理参数反演的技术。GNSS-R是一种被动遥感技术。现在运营中的GNSS系统包括中国的北斗、美国的GPS、欧洲的伽利略和俄罗斯的GLONASS，除此之外还有一些增强系统如日本的QZSS和印度的IRNSS。这些系统的卫星为GNSS-R技术提供了全球性的丰富信号源，使得GNSS-R成为一种能够提供全球性观测的遥感技术。GNSS发射的信号处于L波段，因此受降雨和云层的影响很小，因此GNSS-R技术具有全天候的观测能力。此外由于GNSS-R探测器只是被动接收反射信号，无需发射大功率的探测信号，因此其成本低廉，可以进行组网观测，从而提供高时间分辨率的数据。在海面测高、海面风场测量、台风监测、海冰观测以及土壤湿度测量等领域具有重要的应用前景。

延迟多普勒映象(Delay Doppler Mapping,DDM)是GNSS-R技术反演海洋或地面物理信息的基本观测量，它是一个关于反射信号码片码延迟和载波多普勒的二维图。码延迟表示本地产生的伪随机码相对实际信号的相位偏移。多普勒偏移则表示本地载波相对于实际信号载波的频率偏移。图1展示了一个在机载实验中接收到的DDM数据。通过测量DDM数据峰值的码延迟，可以进行海面测高，测量得到的中尺度高时间分辨率的海面高度数据在洋流变化和海洋气候研究领域拥有极大的研究价值，同时通过对海面高度变化的监测可以预报海啸，从而降低海啸带来的损失。通过测量DDM的功率可以进行海风反演，测量得到的风速可以用于数值天气预报。除此之外利用DDM数据还可以监测海冰的演化，从而为全球气候的研究提供可靠的数据。图1中的DDM数据经过地面处理，对含有大量冗余数据的DDM进行了剪裁，实际上GNSS-R接收机生成的DDM数据包含了大量的噪声数据。

如图2所示，为了生成DDM数据，首先要利用直射GNSS信号对接收机进行定位，并且利用GNSS信号中的卫星星历计算出GNSS卫星的位置；然后利用接收机和GNSS卫星的位置信息，在WGS84的椭圆地球模型上预测镜面反射点的位置；接着根据预测结果，估计反射信号的码延迟和载波多普勒偏移；根据估计的码相位和载波多普勒生成本地的伪随机码以及载波信号，进行匹配滤波；通过移位寄存器生成不同的码延迟数据，通过FFT运算生成不同的多普勒偏移；最后通过平方运算获得DDM数据。

目前，星载的GNSS-R任务如英国的TDS-1和美国的CYGNSS生成的DDM数据规格都是0.25码片分辨率，122码片分辨单元×20多普勒分辨单元。码延迟方向上采样长度比较长的原因主要有两点，一方面从不平静的海洋表面反射回来的信号往往会在码延迟方向有比较大的展宽；另一方面，由于反射的GNSS信号功率微弱，只能利用开环算法进行跟踪，为了保证在预测误差较大时，仍然能够接收到有效信号，在码延迟方向设置了较大的冗余。这样的设计可以保证接收到有效的DDM数据，但是数据的绝大部分都是无用的噪声信号。同时，为了保证在码片方向有足够的冗余，无法提高码片延迟的分辨率，因为同样是122个码片分辨单元，高码片分辨率对开环跟踪误差的容忍度更差。但是较低的码片分辨率会对反演精度产生影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种高码片分辨率的DDM数据生成器，以解决现有的对DDM数据码片延迟分辨率的限制，同时减少冗余数据的采样，该算方法可在FPGA上进行实现。

为实现上述目的，本发明提出了一种非均匀码片实时延迟多普勒映像数据生成器，所述数据生成器包括：载波生成器，所述数据生成器还包括：控制器、脉冲间隔可调的码移位脉冲生成器、M个码生成器、M个码移位寄存器、M组相关器群和码延迟误差校正模块；

所述控制器，用于设置码移位脉冲生成器的脉冲间隔，还用于控制M组相关器群；

所述码移位脉冲生成器，用于生成不同脉冲间隔的码移位脉冲，分别输入M个码移位寄存器；

所述M个码生成器，用于根据M个不同起始相位生成GNSS信号的M个伪随机码，分别输入M个码移位寄存器，起始相位的取值与预测码相位误差、脉冲间隔有关；

所述M个码移位寄存器，用于根据码移位脉冲分别缓存M个伪随机码，然后输出至M组相关器群；

所述M组相关器群，用于将反射中频信号、载波生成器输出的载波，和接收到的对应的码移位寄存器发送的伪随机码进行相关运算，生成延迟多普勒映像数据；

所述码延迟误差校正模块，用于搜索延迟多普勒映像数据中的峰值位置，对延迟预测码相位误差进行校正，将校正后的预测码相位误差分别输入M个码生成器。

作为上述系统的一种改进，所述数据生成器通过FPGA实现。

作为上述系统的一种改进，所述控制器将码移位脉冲生成器的初始时间间隔设置为半个码片，所述码移位脉冲生成器对信号进行匹配滤波，获得N个码延迟单元，然后所述控制器将码移位脉冲生成器的时间间隔设置为时间间隔设置为a，a的取值为0.5码片、0.25码片或0.125码片。

作为上述系统的一种改进，所述M个不同起始相位为：

将第一组的码起始相位设为

P为预测码相位，D为预测码相位误差，单位是码片，初始值为0；v是有效信号范围，剩下的每组起始相位分别设为

作为上述系统的一种改进，当预测到反射信号时，所述码移位寄存器的第一组和第二组起始码相位差设定为

其余相邻两组起始相位相差设为

码片，所述码移位寄存器起始码相位总是后一组滞后于前一组，所述移位寄存器的第一组起始码相位为

作为上述系统的一种改进，第一组组相关器群包括

个相关器，

表示向下取整，其余M-1组相关器群均包括

个相关器。

作为上述系统的一种改进，所述码延迟误差校正模块实现搜索延迟多普勒映像数据中的峰值位置，对延迟预测码相位误差进行校正，具体为：

搜索延迟多普勒映像数据中的峰值位置，峰值位置为延迟多普勒映像数据中最大值的位置，当最大值超过设定阈值时，则最大值位置能够用来校正延迟预测码相位误差：DDM数据最大值位于第r个码片分辨单元，则预测码相位误差D为

否则，预测码相位误差D为0。

本发明的优点在于：

1、本发明的数据生成器相对于现在的固定分辨率DDM数据生成器，理想条件下可以产生任意码延迟分辨率的DDM数据，提高码片分辨率可以提高反演的精度；

2、本发明的数据生成器只在有效信号部分提高码片分辨率，同时在噪声部分保持较低的采样率，提高了有效数据在整体数据的比例；

3、本发明的数据生成器通过码延迟误差校正模块检测开环预测误差，对开环预测误差进行修正，从而保证信号的有效接收；

4、本发明的数据生成器通过非均匀采样的方式，降低冗余数据所占比例；

5、本发明的数据生成器可根据反演任务的需求调整码延迟方向的分辨率，提高分辨率，同时以较低的分辨率对噪声信号进行采样。

附图说明

图1是现有技术的DDM数据的示例图；

图2是现有DDM数据生成器的框图；

图3是本发明的DDM数据生成器的主要部分框图；

图4是交叠码相位数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种基于FPGA的DDM(延迟多普勒映像)数据生成器，尤其是码延迟分辨率可调的非均匀码片DDM生成器。本发明设计的DDM生成器由M组相关器群组成，通过码延迟误差校正模块在粗分辨率下校正开环预测误差，然后通过设定码移位脉冲控制基础的码片分辨率，最后通过对M组相关器群的起始相位进行偏移，使相关器输出信号在有效信号部分产生交叠从而进一步提高码延迟分辨率。

DDM数据生成的基本原理是：利用接收机的定位信息预测反射信号参数，将本地生成的不同相位延迟的伪随机码以及载波与输入信号进行相关运算、FFT平方运算，最终获得DDM数据。这种码延迟分辨率可调、非均匀码片实时DDM生成器在GNSS-R研究和应用领域有着重要的应用价值。

通过对生成DDM的相关器进行分组，相关器的码延迟由DPS进行统一控制，使得不同组的相关器群生成不同起始相位的DDM数据，让这些数据在有效数据码延迟上产生交叠，从而产生更高精度的码分辨率。为了保证接收到有效信号，在进行精细码片划分之前，首先用粗码片对信号码延迟误差进行校准。

将图2的6、7部分替换为图3的14、15部分，将图2的10、11替换为图3的相关器13，在图3增加码延迟误差校正模块16。

一种基于FPGA的码延迟分辨率可调的非均匀码片实时延迟多普勒映像生成器，包括：载波生成器，控制器DSP、脉冲间隔可调的码移位脉冲生成器、M个码生成器、M个码移位寄存器、M组相关器群和码延迟误差校正模块；可根据反演任务的需求调整码延迟方向的分辨率，提高分辨率，同时以较低的分辨率对噪声信号进行采样。

所述载波生成器，用于根据反射信号预测得到的载波多普勒以及信号标准中频生成本地载波。

所述控制器DSP，用于设置码移位脉冲生成器的脉冲间隔，还用于控制M组相关器群；

所述码移位脉冲生成器，用于生成不同脉冲间隔的码移位脉冲，分别输入M个码移位寄存器；

所述M个码生成器，用于根据M个不同起始相位生成GNSS信号的M个伪随机码，分别输入M个码移位寄存器，起始相位的取值与预测码相位误差、脉冲间隔有关；

所述M个码移位寄存器，用于根据码移位脉冲分别缓存M个伪随机码，然后输出至M组相关器群；

所述M组相关器群，用于将反射中频信号、载波生成器输出的载波，和接收到的对应的码移位寄存器发送的伪随机码进行相关运算，生成延迟多普勒映像数据；

所述码延迟误差校正模块，用于搜索延迟多普勒映像数据中的峰值位置，然后对延迟预测码相位误差进行校正，将校正后的预测码相位误差D分别输入M个码生成器。

搜索延迟多普勒映像数据中的峰值位置，峰值位置为延迟多普勒映像数据中最大值的位置，当最大值超过设定阈值时，则最大值位置能够用来校正延迟预测码相位误差：DDM数据最大值位于第r个码片分辨单元，则预测码相位误差D为

否则，预测码相位误差D为0。

如图3所示，相关器群1共有M块，M块DDM数据由M组FPGA相关器群构成，第一组组相关器群有

个相关器，

表示向下取整，其余M-1组相关器群有

个相关器，这些相关器群由DSP17统一控制；

其中，当预测得到反射信号码相位P时，首先通过图3所述DSP17将码移位寄存器14的第一组和第二组起始码相位差设定为

其余相邻两组起始相位相差设为

码片，码移位寄存器14起始码相位总是后一组滞后于前一组，码移位寄存器14的第一组起始码相位为码移位脉冲15的时间间隔设置为半个码片，对信号进行匹配滤波，此时可以获得N个码延迟单元，码分辨率为半码片的DDM数据，该数据分辨率低，但是对信号参数预测误差容忍能力强；通过峰值搜索模块16，找到实际反射信号码相位相对于预测码相位的偏移，由DSP17进行修正；然后通过DSP17控制减小M组相关器群的码移位脉冲生成间隔记为a，从而提高码片分辨率，同时将第一组的码起始相位设为

其中P是预测的码相位，D是预测码相位误差，单位是码片，v是有效信号范围，剩下的每组起始相位分别设为通过这样的设定使有效信号附近的码延迟产生交叠，进一步提高有效信号附近的码片分辨率，同时保持较低的噪声部分的采样率。

将延迟单元个数N设定为122，相关器群组个数M设定为2，所以每个相关器群组包含61个相关器。通过将相邻码移位寄存器的码相位差设定为半个码片，然后利用码延迟误差校正模块修正延迟预测误差。然后将相邻码移位寄存器的码相位差设定为8分之一码片，设信号有效范围v为3个码片，预测码相位为0，延迟预测误差D初始值为0，则第一个相关器群的码移位寄存器初始相位应设定为4.625，第二个相关器群的码移位寄存器初始相位应设定为2.9375。以此可以获得码分辨率为16分之一码片的DDM数据，同时在有效信号区域外，码分辨率为8分之一。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。