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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。