GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)及其探測性能分析

包中華，盧建斌，席澤敏

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

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GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)及其探測性能分析

包中華，盧建斌，席澤敏

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

提出一種綜合使用多GNSS系統(tǒng)可用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)源和基于MIMO信號(hào)處理體制的無源多基地雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用MIMO處理獲得的空間分集增益來改善雷達(dá)探測性能。分析了系統(tǒng)的可用信號(hào)源情況，討論了系統(tǒng)中前向散射區(qū)的確定和目標(biāo)前向散射RCS的計(jì)算問題，在此基礎(chǔ)上，對(duì)基于GNSS信號(hào)的無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能進(jìn)行了深入研究并給出了仿真計(jì)算結(jié)論。

無源雷達(dá)系統(tǒng)；MIMO；全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)；探測性能分析；前向散射

0　引言

近些年來，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的外輻射源雷達(dá)在國內(nèi)外引起廣泛重視?；贕NSS信號(hào)的無源雷達(dá)系統(tǒng)具有全天候、覆蓋范圍廣、信號(hào)分辨力好等突出優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)的可用性也相對(duì)較有保證[1]。利用GNSS信號(hào)構(gòu)成的無源雷達(dá)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測和跟蹤，還可對(duì)目標(biāo)或地面成像并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類識(shí)別。

本文綜合利用多個(gè)GNSS系統(tǒng)提供的可用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)源，提出一種基于MIMO信號(hào)處理體制的GNSS無源雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(以下簡稱GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng))。分析了可用的GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)源情況，研究了該系統(tǒng)中前向散射區(qū)的確定和目標(biāo)前向散射RCS的計(jì)算問題，在此基礎(chǔ)上對(duì)GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能進(jìn)行了深入研究。

1　GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)模型

GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)是綜合利用全球現(xiàn)有各種GNSS系統(tǒng)可用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，采用MIMO信號(hào)處理方法的收發(fā)分置多基地?zé)o源探測系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用需要，接收站可布置在地面、船舶、飛機(jī)甚至是低軌道衛(wèi)星平臺(tái)上?？紤]工程實(shí)現(xiàn)的便利性，本文重點(diǎn)關(guān)注在地面平臺(tái)上設(shè)置多個(gè)接收站的GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

目前在軌運(yùn)行或即將投入運(yùn)營的全球?qū)Ш蕉ㄎ恍l(wèi)星系統(tǒng)有4個(gè)，分別是美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的“北斗”(COMPASS)。這些GNSS星座在軌運(yùn)行高度均在20000km左右，一般來說，每個(gè)地面接收站視野中接收到的單個(gè)GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)為4～8顆，同一GNSS系統(tǒng)有數(shù)種導(dǎo)航信號(hào)被發(fā)出，而各GNSS系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航定位信號(hào)相互之間具有良好的正交性，因此，圖1所示無源多基地雷達(dá)系統(tǒng)具有典型MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的特征。通過使用多通道接收機(jī)在接收站接收和分離視野范圍內(nèi)的所有可見導(dǎo)航衛(wèi)星的所有目標(biāo)散射信號(hào)，充分利用各導(dǎo)航定位衛(wèi)星信號(hào)之間的正交性，基于MIMO信號(hào)處理體制，可以有效提高目標(biāo)探測效能和定位精度。此外，在該無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中，根據(jù)衛(wèi)星-目標(biāo)-接收站之間的幾何關(guān)系，接收站在很多時(shí)候可能位于目標(biāo)的前向散射區(qū)，從而目標(biāo)RCS將顯著增強(qiáng)，各種隱身技術(shù)也將失效，因此，對(duì)探測隱身目標(biāo)具有獨(dú)特優(yōu)勢。

圖1　GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖

2　可用信號(hào)源分析

世界各主要大國和區(qū)域組織都在大力發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。據(jù)粗略估計(jì)，僅就已建成或正在投入建設(shè)的GPS等4種主要衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)而言，可用衛(wèi)星將達(dá)到上百顆，且每種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)都有一個(gè)或多個(gè)頻段信號(hào)開放給民用，這為GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)提供了大量可用信號(hào)源[2]。

全球應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是美國的GPS系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，軌道平面距離地面的高度約為20200km。衛(wèi)星采用碼分多址技術(shù)在L1和L2兩個(gè)頻率上發(fā)射導(dǎo)航定位信號(hào)，其中心頻率分別為1575.42MHz和1227.60MHz，其中L1信號(hào)開放給民用，L2信號(hào)僅供授權(quán)用戶使用。2000年后，美國開始執(zhí)行GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射多顆二代GPS衛(wèi)星，增加了L2C和L5兩種民用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。第三代GPS衛(wèi)星也在按計(jì)劃發(fā)射中，其衛(wèi)星發(fā)射功率由50W提高到500W，并增加L1C信號(hào)開放給民用。

GLONASS系統(tǒng)是第二個(gè)在全球范圍內(nèi)提供導(dǎo)航定位服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星星座也是由24顆衛(wèi)星組成，平均軌道高度約19100km。與GPS系統(tǒng)不同的是，GLONASS系統(tǒng)采用FDMA體制區(qū)分不同的衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星采用相同的偽隨機(jī)測距碼，在不同的頻率上發(fā)射，每顆衛(wèi)星廣播L1和L2兩種載波，其頻率分別為L1=1602+k×0.5625(MHz)和L2=1246+k×0.4375(MHz)，其中k為每顆衛(wèi)星的編號(hào)。蘇聯(lián)解體后，GLONASS系統(tǒng)最少時(shí)在軌衛(wèi)星只有7顆。近些年來，俄羅斯正在全面恢復(fù)和提升其服務(wù)能力和系統(tǒng)性能，預(yù)計(jì)在2017年達(dá)到24顆滿星座運(yùn)行狀態(tài)，且使用的是第三代長壽命衛(wèi)星，信號(hào)體制也將采用與GPS兼容的CDMA信號(hào)。

另外兩個(gè)主要衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)分別是歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國的“北斗”系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)劃，Galileo系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由均勻分布在3個(gè)中等高度軌道上的30顆衛(wèi)星構(gòu)成[3]，在4個(gè)頻段(分別是E1、E6、E5a和E5b)內(nèi)提供10個(gè)信號(hào)，其中E1、E5a和E5b頻段上共計(jì)8個(gè)信號(hào)可供開放用戶使用，多采用二進(jìn)制載波調(diào)制(BOC)?！氨倍贰毕到y(tǒng)分為北斗一代和北斗二代兩個(gè)階段。“北斗”二代全面建成后，其衛(wèi)星星座將包括衛(wèi)星35顆，使用與GPS類似的CDMA信號(hào)體制，導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)包括B1、B2和B3三個(gè)頻段，其中B1和B2為民用頻率信號(hào)，信號(hào)調(diào)制方式也是使用較為先進(jìn)的BOC調(diào)制。

除上述4種主要的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)外，印度、日本等國也在發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)或衛(wèi)星導(dǎo)航定位增強(qiáng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)發(fā)射的GNSS信號(hào)也可作為GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)輻射信號(hào)源。

由上面的分析可以知道，GNSS無源探測系統(tǒng)的信號(hào)源是完全有保證的。

3　前向散射區(qū)與目標(biāo)前向散射RCS的計(jì)算

前已述及，在部分情況下地面接收站將位于目標(biāo)前向散射區(qū)，其接收到的目標(biāo)RCS將大幅增強(qiáng)，這對(duì)于使用GNSS反射信號(hào)來進(jìn)行目標(biāo)探測的無源雷達(dá)系統(tǒng)來說十分有益。GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的前向散射區(qū)與導(dǎo)航衛(wèi)星、目標(biāo)和接收機(jī)的雙多基地幾何關(guān)系有關(guān)，同時(shí)也受到所用GNSS信號(hào)工作頻率和目標(biāo)側(cè)影尺寸的影響。

首先考慮單個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星和單接收站組成的雙基地系統(tǒng)的情況。建立以接收站為坐標(biāo)原點(diǎn)，垂直地面向上為z軸正向，地平面為xoy平面的笛卡爾坐標(biāo)系。假設(shè)發(fā)射GNSS信號(hào)的導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度為Hsi，仰角為φsi，其中i=1～Ns，Ns為可用衛(wèi)星數(shù)，這些參數(shù)均可由GNSS接收機(jī)收到的導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷計(jì)算得到；目標(biāo)斜距為Rt，目標(biāo)仰角為φt，與目標(biāo)的具體位置有關(guān)；0°≤φsi,φt≤180°。不失一般性，僅在xoz平面內(nèi)研究前向散射區(qū)的確定問題，如圖2所示。

圖2　GNSS雙基地幾何關(guān)系圖(xoz平面)

(1)

假設(shè)衛(wèi)星高度20000km，目標(biāo)距離500km，圖3給出了衛(wèi)星仰角分別為0°、30°、60°、90°、120°、150°和180°時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)算得到的雙基地角θb和目標(biāo)仰角φt之間的關(guān)系。

圖3　雙基地角θb和目標(biāo)仰角φt之間的關(guān)系(Hsi=20000km，Rt=500km，φsi=0～180°)

由圖3可知，雙基地角θb與目標(biāo)仰角φt、衛(wèi)星仰角φsi近似滿足如下的關(guān)系：

(2)

式(2)成立的原因在于：由于目標(biāo)距離遠(yuǎn)小于導(dǎo)航衛(wèi)星軌道高度，雙基地三角形ΔSTO中，∠OST非常小。當(dāng)TS⊥TO也就是TS相切于以O(shè)為圓心、以Rt為半徑的目標(biāo)軌跡圓時(shí)，∠OST取得最大值，以Hsi=20000km，Rt=500km為例，此時(shí)∠OST≈1.4°；且當(dāng)目標(biāo)距離Rt較近時(shí)，式(2)的近似誤差將更小。

通常認(rèn)為在雙基地角θb≥135°時(shí)，目標(biāo)處于前向散射區(qū)。實(shí)際上這一結(jié)論并不嚴(yán)謹(jǐn)，根據(jù)Babinet原理，目標(biāo)的前向散射區(qū)不僅與雙基地角有關(guān)，還受到信號(hào)工作波長、目標(biāo)尺寸等因素的影響，且即使目標(biāo)位于前向散射區(qū)內(nèi)，其前向散射RCS也受θb的影響而大小各異。一種簡化的解決方法是認(rèn)為當(dāng)目標(biāo)位于前向散射區(qū)且不發(fā)生Fresnel衍射情況時(shí)，其在前向散射角θf具有大小約為σf的前向散射RCS，θf和σf可依據(jù)下式分別計(jì)算[4]：

(3)

(4)

式中，λ為信號(hào)波長，d為目標(biāo)在該維度內(nèi)的側(cè)向孔徑尺度，A為目標(biāo)的側(cè)向投影面積。更為準(zhǔn)確的前向散射區(qū)和目標(biāo)前向散射RCS計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[5～6]。

4　系統(tǒng)探測性能估算

評(píng)估雙多基地雷達(dá)系統(tǒng)探測性能的理論基礎(chǔ)是雙基地雷達(dá)作用距離方程，每對(duì)收發(fā)站組成一個(gè)雙基地雷達(dá)系統(tǒng)。GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)中發(fā)射站在太空，接收站在地面，目標(biāo)主要考慮的是臨近空間以內(nèi)的空中目標(biāo)，因此檢測主要在熱噪聲背景中進(jìn)行。此外，由于目標(biāo)信號(hào)傳播路徑主要集中在外太空和大氣層，地海面反射引起的多徑干涉的影響較小，且導(dǎo)航定位衛(wèi)星發(fā)射天線具有近似球形的發(fā)射方向圖，接收天線雖然為了提高靈敏度而被設(shè)計(jì)為具有一定方向性，但仍可覆蓋所要探測的區(qū)域，因此，傳統(tǒng)雷達(dá)性能評(píng)估中需要重點(diǎn)考慮的方向圖傳播因子在這里可以基本忽略。

簡化的GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)單發(fā)單收雙基地作用距離方程為：

(5)

(6)

文獻(xiàn)[8～9]在評(píng)估GNSS無源探測雷達(dá)時(shí)都是取Ts=290K，這其實(shí)是過于理想化的假設(shè)。實(shí)際情況下，為了使得分析評(píng)估結(jié)果更加精確，還需要考慮天線熱噪聲、接收機(jī)饋線熱噪聲和接收機(jī)電路噪聲的影響，即總的系統(tǒng)等效噪聲溫度[7]為：

Ts=Ta+Tr+LrTe

(7)

式中，Ta為等效天線噪聲溫度，Tr為接收饋線噪聲溫度，Lr為接收饋線傳輸損耗，Te為接收機(jī)噪聲溫度，關(guān)于它們的詳細(xì)計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[7]，這里直接給出計(jì)算公式如下：

(8)

(9)

(10)

為了較為準(zhǔn)確地評(píng)估雷達(dá)探測威力，合理確定雷達(dá)系統(tǒng)損耗是必要的。雷達(dá)系統(tǒng)損耗一般由多種因素決定，如天線波束損耗、饋線傳輸損耗、大氣衰減損耗、目標(biāo)起伏損耗、信號(hào)處理損耗等。根據(jù)文獻(xiàn)[7]給出的結(jié)論，一般雷達(dá)系統(tǒng)的總損耗在10～20dB之間，本文參考相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果并考慮到GNSS信號(hào)的頻段特點(diǎn)，在分析評(píng)估時(shí)取系統(tǒng)損耗Ls=15dB。

依據(jù)前面的分析，定義GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)探測距離為地面接收站與目標(biāo)之間的距離RR，接下來研究RR與信號(hào)處理增益Gp的關(guān)系。首先考慮使用單一GNSS信號(hào)源的無源雷達(dá)系統(tǒng)的情況，假設(shè)GNSS系統(tǒng)有效輻射功率為27dBW，目標(biāo)雙基地雷達(dá)散射截面σb=20dBm2，接收天線增益為10dB，主要考慮臨近空間以下和距離在500km以內(nèi)的目標(biāo)，此時(shí)衛(wèi)星-接收站距離遠(yuǎn)大于目標(biāo)探測距離，因此可近似取目標(biāo)-衛(wèi)星距離為衛(wèi)星軌道高度，即令RT=20000km，由式(6)可以計(jì)算得到使用單一GNSS信號(hào)進(jìn)行探測時(shí)，GNSS無源雷達(dá)系統(tǒng)最大作用距離RR與Gp間關(guān)系如圖4所示。

圖4　使用單GNSS信號(hào)時(shí)作用距離與Gp關(guān)系

由圖4可知，在不使用相參積累即T=1/B=1ms時(shí)，要想探測20km處的目標(biāo)需要90dB的信號(hào)處理增益；而在相參積累時(shí)間分別為0.01～100s時(shí)，探測相同距離處的同一目標(biāo)，其需要的額外信號(hào)處理增益分別為80～40dB。在相參積累時(shí)間為100s時(shí)，若額外的信號(hào)處理增益達(dá)到55dB，則可實(shí)現(xiàn)約100km的探測距離，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。進(jìn)一步提高積累時(shí)間或處理增益，探測距離還可得到提升。

需要指出的是，即使使用了MIMO信號(hào)處理技術(shù)，根據(jù)分析評(píng)估結(jié)果，現(xiàn)有探測系統(tǒng)對(duì)RCS為20dBm2的目標(biāo)，探測距離也只能達(dá)到數(shù)千米的量級(jí)，這與相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)論基本一致[5,8-10]。但是當(dāng)目標(biāo)飛越衛(wèi)星和接收站的基線附近時(shí)，由于前向散射效應(yīng)的作用，目標(biāo)的RCS將大幅提高，系統(tǒng)的探測性能也將獲得極大改善。文獻(xiàn)[11]給出了對(duì)多種不同飛機(jī)前向散射RCS的計(jì)算和測試結(jié)果，研究結(jié)論表明在GPS-L1頻段，其前向散射RCS最高可達(dá)75dB，僅此一項(xiàng)較本文的計(jì)算條件即可給出額外的55dB增益，使得GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)探測距離達(dá)到數(shù)百千米量級(jí)。德國的迪爾公司使用高增益相控陣接收天線和單GPS信號(hào)源實(shí)現(xiàn)對(duì)位于前向散射區(qū)的高度為400km左右的俄羅斯MIR空間站的探測就是對(duì)該結(jié)論的一個(gè)實(shí)證[10]。

5　結(jié)束語

研究結(jié)果表明，使用MIMO信號(hào)處理技術(shù)可將GNSS無源雷達(dá)的探測距離提高2～4倍，在本文給定仿真條件下，其探測距離在數(shù)千米量級(jí)。當(dāng)目標(biāo)位于前向散射區(qū)時(shí)，由于前向散射效應(yīng)對(duì)目標(biāo)RCS的極大增強(qiáng)，其目標(biāo)探測距離甚至可達(dá)數(shù)百千米量級(jí)。通過提高接收天線增益、擴(kuò)大接收站數(shù)量或增長接收機(jī)相參積累時(shí)間等方法還可以進(jìn)一步增強(qiáng)GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能。如何精確計(jì)算GNSS無源MIMO雷達(dá)系統(tǒng)前向散射區(qū)和目標(biāo)的前向散射RCS，如何依據(jù)探測性能優(yōu)選可用GNSS信號(hào)源以及優(yōu)化MIMO信號(hào)處理算法以解決長時(shí)相參積累中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償問題是下一步研究工作的重點(diǎn)。■

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Passive MIMO radar system using GNSS signals and its detection performance analysis

Bao Zhonghua，Lu Jianbin，Xi Zemin

(Electronics Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Hubei, China)

All available navigation satellite signals radiated by several typical GNSS systems are used in a MIMO signal processing framework, which composed a passive multi-static system as to improve detection performance. The available opportunity GNSS illuminating sources are analyzed, and issues on ascertaining of the system’s forward scattering zone and calculation of target’s forward scattering RCS are discussed. On this basis, detection performance of the proposed GNSS based passive MIMO radar system is studied in detail and correlative conclusion is put up by simulation and computation.

passive radar system; MIMO; GNSS; detection performance analysis; forward scattering

2016-03-14；2016-07-13修回。

包中華(1985-)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

TN953.6

A