GNSS反射信號處理基礎(chǔ)與實(shí)踐

前言

　　利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的反射信號進(jìn)行反演是GNSS領(lǐng)域當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。自1993年海外學(xué)者發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象以來，美國航空航天局和國家氣象局、歐洲空間局和衛(wèi)星氣象中心，澳大利亞、日本和中國的學(xué)者就一直對反射的導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行各個層次的研究，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及海洋氣象參數(shù)（如海浪、海風(fēng)、海水鹽度、海冰等）的反演，土壤濕度、森林覆蓋等參數(shù)的反演，移動目標(biāo)探測和地球表面成像等內(nèi)容。對于該領(lǐng)域的研究，大多集中在反射信號接收處理設(shè)備研制、信號處理算法研究、物理反演模型研究。其中，美國和歐洲走在了該領(lǐng)域的前列，并已經(jīng)在陸地、航空和衛(wèi)星三類載體上配備GPS反射信號接收機(jī)，進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)采集和處理實(shí)驗(yàn)，初步獲得了有效的海面風(fēng)場反演模型?！　∥覈鴮NSS-R遙感探測技術(shù)的研究尚處于起步階段，第一篇文章于2002年在“海洋監(jiān)測高技術(shù)論壇”上發(fā)表，其后刊登在《高技術(shù)通訊》2003年3月增刊上。此后，在國家863計(jì)劃（2002AA639190）的支持下，著者帶領(lǐng)研究小組在國內(nèi)首次自主研制了12通道機(jī)載串行延遲映射接收機(jī)系統(tǒng)，并于2004年8月成功完成機(jī)載試驗(yàn)。2006年和2007年分別在國家863計(jì)劃2006AA09Z137和2007AA12Z340的持續(xù)支持下，研究小組隨后在黃海、渤海、南海等海域進(jìn)行了海岸地面實(shí)驗(yàn)與航空飛行試驗(yàn)，取得了大量原始數(shù)據(jù)。2008年在國家自然科學(xué)基金（60742002）的支持下，研究小組對基于GNSS反射信號的移動目標(biāo)探測進(jìn)行了理論分析與初步的數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。針對海洋測風(fēng)、海面測高、目標(biāo)探測及土壤濕度等應(yīng)用領(lǐng)域，研究小組發(fā)表了一系列學(xué)術(shù)論文，申請獲批了多項(xiàng)國家發(fā)明專利。目前，GPS反射信號接收機(jī)在中國氣象局所屬的海洋氣象觀測站進(jìn)行實(shí)時觀測，數(shù)據(jù)處理正在同步進(jìn)行之中，已經(jīng)取得了初步的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果。　　中國科學(xué)院、總參氣象水文總局以及國內(nèi)多所高校對該領(lǐng)域也進(jìn)行了深入的跟蹤研究，完成了實(shí)際的數(shù)據(jù)采集與分析處理實(shí)驗(yàn)，取得了一些對進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義的學(xué)術(shù)成果。本書在國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金的資助下，總結(jié)了著者所承擔(dān)的國家863計(jì)劃課題和國家自然科學(xué)基金課題的研究成果，從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)狀出發(fā)，分析了GNSS反射信號的特性和接收處理的基本方法，對反射信號接收機(jī)的設(shè)計(jì)從硬件和軟件兩個角度進(jìn)行了詳細(xì)的討論，針對海面測風(fēng)、海面測高兩個應(yīng)用領(lǐng)域全面總結(jié)論述了GNSS反射信號的應(yīng)用模型以及研究小組所取得的實(shí)際測試結(jié)果，并對土壤濕度測量、移動目標(biāo)探測和表面成像進(jìn)行了初步的探索?！　”緯谥呓陙韺NSS反射信號接收處理技術(shù)及應(yīng)用研究所取得的成果撰寫，并力圖反映近年來國內(nèi)外的最新成果，希望通過本書的出版，讓讀者對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀有一個全面、系統(tǒng)的了解。本書由北京航空航天大學(xué)教授楊東凱博士主筆，張其善教授審閱了全書，研究小組成員張波博士、博士生李偉強(qiáng)、李明里、路勇、張益強(qiáng)、姚彥鑫和國佳以及碩士生吳紅甲、唐陽陽等參加了部分仿真分析和文字編輯工作。本書的出版得到了電子工業(yè)出版社的大力支持，張來盛編輯為書籍的出版付出了大量辛苦的勞動，在此表示由衷的感謝和敬意。同時，本書的出版還得到了北京航空航天大學(xué)院士張彥仲教授、李署堅(jiān)高工，中國電子科技集團(tuán)曹沖研究員、航天科技集團(tuán)張孟陽研究員、中國科學(xué)院遙感技術(shù)與應(yīng)用研究所李紫薇研究員、海軍航空工程學(xué)院王紅星教授、大連海事大學(xué)張淑芳教授、石家莊軍械工程學(xué)院李小民教授以及中國氣象局李黃副局長、夏青教授和曹云昌研究員的鼎力支持和幫助，在此一并表示感謝?！　≈袊こ淘涸菏俊⑽錆h大學(xué)原校長劉經(jīng)南教授在百忙之中為本書作序，謹(jǐn)此表示衷心的感謝。　　由于著者水平有限，書中難免存在錯誤或不足，敬請同仁批評指正?！　≈摺　?011年10月于北京

內(nèi)容概要

《GNSS反射信號處理基礎(chǔ)與實(shí)踐(精)》(作者楊東凱、張其善)在介紹
GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))基本理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星直射信號接收處理技術(shù)，對GNSS反射信號的理論和方法進(jìn)行了全面、系統(tǒng)、深入的闡述，其內(nèi)容涉及GNSS反射信號的電磁波理論、反射信號接收處理方法、反射信號接收機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)，以及GNSS反射信號在海面風(fēng)場探測、有效波高測量、土壤濕度測量、移動目標(biāo)探測和表面成像等方面的應(yīng)用，并給出了GNSS反射信號針對海面測風(fēng)、海面測高的應(yīng)用模型和實(shí)際測試結(jié)果。
《GNSS反射信號處理基礎(chǔ)與實(shí)踐(精)》融入了作者多項(xiàng)國家級研究項(xiàng)目的成果，反映了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展，初步形成了較為完整的GNSS反射信號接收處理理論和方法體系。
讀者對象：衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)領(lǐng)域(電子通信、航空航天、計(jì)算機(jī)等)的高校師生，以及從事通信、導(dǎo)航、氣象遙感、海洋遙感及其應(yīng)用研究的科技人員。

書籍目錄

第1章 緒論
 1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述
 1.1.1 美國的全球定位系統(tǒng)
 1.1.2 其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)
 1.2 GNSS-R技術(shù)
 1.2.1 正問題與反問題
 1.2.2 GNSS-R技術(shù)的定義
 1.2.3 GNSS-R技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢
 1.3 GNSS-R技術(shù)的發(fā)展
 1.3.1 海面測風(fēng)
 1.3.2 海面測高
 1.3.3 海冰探測
 1.3.4 海洋鹽度探測
 1.3.5 土壤濕度探測
 1.3.6 移動目標(biāo)探測
 1.4 本書結(jié)構(gòu)
 參考文獻(xiàn)
第2章 GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星信號概述
 2.1 擴(kuò)展頻譜通信基本原理
 2.2 GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航信號
 2.2.1 頻率與調(diào)制方式
 2.2.2 GPS衛(wèi)星信號中的C/A碼
 2.2.3 GPS衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文的結(jié)構(gòu)
 2.2.4 現(xiàn)代化后的GPS信號
 2.3 其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信號
 2.3.1 GLONASS系統(tǒng)
 2.3.2 Galileo系統(tǒng)
 2.4 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第3章 GNSS信號的接收與處理
 3.1 接收信號數(shù)學(xué)模型
 3.1.1 衛(wèi)星信號的接收與數(shù)字化
 3.1.2 相關(guān)運(yùn)算
 3.2 衛(wèi)星信號的捕獲
 3.2.1 衛(wèi)星信號捕獲的基本原理
 3.2.2 衛(wèi)星信號的捕獲方法
 3.3 衛(wèi)星信號的跟蹤
 3.3.1 GPS C/A碼相位跟蹤
 3.3.2 載波跟蹤
 3.4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)與定位解算
 3.4.1 數(shù)據(jù)同步的建立
 3.4.2 定位原理與方法
 3.5 新型導(dǎo)航信號的處理
 3.5.1 新型導(dǎo)航信號的特點(diǎn)
 3.5.2 BOC信號及處理方法
 3.5.3 復(fù)合信號及處理方法
 3.6 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第4章 GNSS反射信號特性
 4.1 基本概念
 4.1.1 電磁波
 4.1.2 電磁波的極化
 4.1.3 電磁波的反射
 4.2 GNSS反射信號基礎(chǔ)
 4.2.1 GNSS-R幾何關(guān)系描述
 4.2.2 GNSS-R反射系數(shù)
 4.3 反射信號數(shù)學(xué)描述
 4.3.1 直射信號數(shù)學(xué)描述
 4.3.2 反射信號數(shù)學(xué)描述
 4.4 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第5章 GNSS反射信號的接收與處理
 5.1 反射信號特性簡介
 5.2 反射信號的相關(guān)函數(shù)
 5.2.1 時延一維相關(guān)函數(shù)
 5.2.2 多普勒一維相關(guān)函數(shù)
 5.2.3 時延?多普勒二維相關(guān)函數(shù)
 5.3 反射信號相關(guān)值的計(jì)算方法
 5.3.1 反射信號二維相關(guān)函數(shù)的離散形式
 5.3.2 二維相關(guān)值的計(jì)算方式
 5.3.3 二維相關(guān)值計(jì)算參考點(diǎn)的選取
 5.3.4 二維相關(guān)值求解中本地信號的產(chǎn)生
 5.3.5 二維相關(guān)值信噪比的提高方法
 5.4 反射信號接收機(jī)通用模型與實(shí)現(xiàn)方式
 5.4.1 通用模型
 5.4.2 實(shí)現(xiàn)方式
 5.5 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第6章 反射信號接收機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)
 6.1 接收機(jī)總體架構(gòu)及主要部件
 6.1.1 接收機(jī)總體架構(gòu)
 6.1.2 接收機(jī)主要部件
 6.2 多通道相關(guān)器
 6.2.1 反射信號處理通道
 6.2.2 DSP數(shù)據(jù)交互控制接口
 6.2.3 USB控制接口
 6.2.4 UART控制接口
 6.3 DSP的信號處理
 6.3.1 直射信號處理
 6.3.2 反射信號處理
 6.4 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第7章 反射信號接收機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)
 7.1 軟件接收機(jī)工作原理
 7.1.1 基本結(jié)構(gòu)
 7.1.2 數(shù)據(jù)傳輸接口
 7.1.3 數(shù)據(jù)讀取流程
 7.2 信號處理
 7.2.1 反射信號處理流程
 7.2.2 反射信號相關(guān)功率計(jì)算
 7.3 反射信號軟件接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)
 7.3.1 軟件功能
 7.3.2 實(shí)現(xiàn)效率分析
 7.3.3 實(shí)時性方案研究
 7.4 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第8章 GNSS-R測高應(yīng)用
 8.1 概述
 8.2 基于GNSS-R的高度測量技術(shù)
 8.2.1 高度測量原理
 8.2.2 基于C/A碼延遲的測高方法
 8.2.3 基于L1載波相位延遲的測高方法
 8.2.4 基于L1載波頻率的測高方法
 8.3 基于GNSS-R的有效波高測量技術(shù)
 8.3.1 利用DCF測量有效波高
 8.3.2 利用ICF測量有效波高
 8.3.3 有效波高實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析
 8.4 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第9章 GNSS-R海面測風(fēng)應(yīng)用
 9.1 海面統(tǒng)計(jì)特征
 9.1.1 海浪譜的定義
 9.1.2 統(tǒng)計(jì)特征描述
 9.1.3 海面粗糙度準(zhǔn)則
 9.2 海洋遙感相關(guān)數(shù)學(xué)模型
 9.2.1 海浪譜模型
 9.2.2 電磁散射模型
 9.2.3 散射信號相關(guān)功率模型
 9.3 海面散射區(qū)域特性
 9.3.1 天線覆蓋區(qū)
 9.3.2 等延遲區(qū)
 9.3.3 等多普勒線
 9.3.4 閃耀區(qū)
 9.4 海面散射模型的數(shù)值仿真分析
 9.4.1 時延-多普勒二維相關(guān)功率分析
 9.4.2 時延一維相關(guān)功率分析
 9.4.3 多普勒一維相關(guān)功率分析
 9.5 風(fēng)場反演
 9.5.1 風(fēng)場反演基本流程
 9.5.2 風(fēng)場反演算法
 9.5.3 風(fēng)場反演實(shí)例
 9.6 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
第10章 GNSS-R在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用
 10.1 GNSS-R土壤濕度反演
 10.1.1 GNSS-R土壤濕度探測原理
 10.1.2 干涉圖技術(shù)
 10.1.3 土壤濕度反演結(jié)果
 10.2 GNSS-R目標(biāo)探測技術(shù)
 10.3 GNSS-R表面成像技術(shù)
 10.4 小結(jié)
 參考文獻(xiàn)
展望
附錄A 縮略語

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   1996年美國以總統(tǒng)決策指示的名義頒布了其GPS政策，建立了跨部門GPS執(zhí)行理事會（Interagency GPS Executive Board,IGEB），管理GPS及其增強(qiáng)系統(tǒng)。1997年IGEB把新的民用和軍用要求一起寫入修改后的2000版GPS運(yùn)行需求文件，奠定了GPS現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。1998年美國副總統(tǒng)戈?duì)栃紝⑹褂肔2頻率播發(fā)第二種民用GPS信號，該信號被稱為L2C。2005年9月發(fā)射升空的第一顆IIR-M衛(wèi)星（PRN 17）已于2005年12月開始播發(fā)L2C信號，至2016年可有24顆衛(wèi)星提供該信號。第三種民用信號L5至2018年可有24顆衛(wèi)星播發(fā)；第四種民用信號L1C將在GPSIIl計(jì)劃內(nèi)實(shí)現(xiàn)；第一顆BLOCKIII衛(wèi)星將于2014年發(fā)射，2021年將達(dá)到24顆額定工作衛(wèi)星數(shù)量。 美國的GPS目前由31顆在軌運(yùn)行衛(wèi)星以及在全球布建的16個地面測控站、2個主控站和12個地面天線構(gòu)成，是一個覆蓋全球、軍民兩用、免收民用終端直接用戶費(fèi)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也是截至目前唯一能長期穩(wěn)定運(yùn)營工作的全球系統(tǒng)。目前，健康工作的衛(wèi)星為：11顆Block IIA,12顆Block IIR,7顆Block IIR-M,1顆Block IIF,3顆Block IIA衛(wèi)星作為在軌備份。 1.1.2 其他全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS設(shè)備的成本不斷下降，GPS在民用市場上的應(yīng)用領(lǐng)域不斷持續(xù)擴(kuò)大，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。出于戰(zhàn)略目的、軍事安全和商業(yè)利益，一些國家和地區(qū)也開始著手建立自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，包括蘇聯(lián)組織建設(shè)的GLONASS系統(tǒng)，歐盟的Galileo系統(tǒng)，以及我國自主建設(shè)的北斗系統(tǒng)等。同時，印度空間研究組織（India Space Research Organization,ISRO）正在開發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并將與GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)相連接。日本則計(jì)劃投入2000億日元，建成由3顆衛(wèi)星組成的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（Quasi-Zenith Satellite System,QZSS）。 1.GLONASS系統(tǒng) 蘇聯(lián)海軍于1965年開始建立了一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱之為CICADA，它的基本原理和美國的子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)類似，也是基于測量多普勒頻移原理的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由12顆所謂宇宙衛(wèi)星組成其衛(wèi)星星座，軌道高度為1000 km，運(yùn)行周期為105 min，每顆衛(wèi)星發(fā)送頻率為150 MHz和400 MHz的導(dǎo)航信號。20世紀(jì)80年代蘇聯(lián)開始了第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)--GLONASS星基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)劃，它在全世界范圍內(nèi)提供三維定位、測速和授時服務(wù)。

編輯推薦

《GNSS反射信號處理基礎(chǔ)與實(shí)踐》基于著者近年來對GNSS反射信號接收處理技術(shù)及應(yīng)用研究所取得的成果撰寫，并力圖反映近年來國內(nèi)外的最新成果，希望通過《GNSS反射信號處理基礎(chǔ)與實(shí)踐》的出版，讓讀者對該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀有一個全面、系統(tǒng)的了解?！禛NSS反射信號處理基礎(chǔ)與實(shí)踐》針對衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)領(lǐng)域（電子通信、航空航天、計(jì)算機(jī)等）的高校師生，以及從事通信、導(dǎo)航、氣象遙感、海洋遙感及其應(yīng)用研究的科技人員參考使用。

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