微弱導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號檢測技術(shù)研究

劉玉軍，張行知，趙 萌

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系, 北京 100072)

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微弱導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號檢測技術(shù)研究

劉玉軍，張行知，趙 萌

(裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系, 北京 100072)

微弱導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號檢測技術(shù)是利用導(dǎo)航衛(wèi)星作為照射源，根據(jù)導(dǎo)航信號在地面、海面、空中等不同場景下的目標(biāo)反射特性，通過設(shè)計(jì)高靈敏探測接收機(jī)、導(dǎo)航衛(wèi)星電文輔助的長時(shí)間相干累積算法、相干非相干一體化多模復(fù)合累積算法和TBD檢測接收算法，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星經(jīng)目標(biāo)物體反射二次信號的有效檢測接收。同時(shí)，通過該技術(shù)的研究，可以評估導(dǎo)航衛(wèi)星信號用于遠(yuǎn)距離無源偵察探測的技術(shù)可行性。

捷變頻；直達(dá)波；參數(shù)提取；電子偵察

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的單站有源探測系統(tǒng)面臨著來自電子干擾、反輻射武器、超低空突防以及隱身技術(shù)的威脅和挑戰(zhàn)[1]?；趯?dǎo)航衛(wèi)星信號反射的無源探測定位技術(shù)[2-3]將導(dǎo)航衛(wèi)星作為非協(xié)同式輻射源，被動接收目標(biāo)反射的電磁信號，確定目標(biāo)物體的位置。導(dǎo)航衛(wèi)星信號具有全球覆蓋、全天候、連續(xù)等優(yōu)勢，可以作為海面、空中和陸面環(huán)境要素監(jiān)測的一種理想的輻射源。由于收發(fā)分置，接收機(jī)靜默探測，無源探測定位技術(shù)較傳統(tǒng)主動輻射電磁脈沖的有源探測定位技術(shù)具有抗電子偵察、抗干擾和抗反輻射導(dǎo)彈的能力[3]；同時(shí)，由于一般的隱身目標(biāo)僅在鼻錐方向具有較小的雷達(dá)反射截面積(RCS)[4]，而在側(cè)向和頂部的RCS較大，因此，無源探測定位技術(shù)可以有效探測隱身目標(biāo)，具有較強(qiáng)的反隱身探測能力；而且，通過接收機(jī)前置可以探測發(fā)現(xiàn)地平線以下和超低空目標(biāo)，具有抵抗低空突防的能力[5]。

GPS反射信號用于目標(biāo)探測的概念最早出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代初，學(xué)者基于多基地雷達(dá)理論開展了基于GPS反射信號的目標(biāo)探測研究[6-7]。

圖1 基于導(dǎo)航衛(wèi)星信號的無源探測定位原理

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末以來，國外一些研究單位先后開展了利用GPS系統(tǒng)進(jìn)行海洋、冰層、空間的遙感理論研究工作和基于GPS反射信號的無源雷達(dá)探測研究工作。利用水體對L波段的強(qiáng)反射性，使用海面反射的GPS信號進(jìn)行海洋遙感，成為全球海洋遙感的新方法。以GPS系統(tǒng)的無線電信標(biāo)源作為一個(gè)前向散射雷達(dá)輻射源進(jìn)行海洋遙感，通過在衛(wèi)星、飛機(jī)或氣球上安裝GPS接收機(jī)，把直接到達(dá)接收機(jī)的GPS信號和經(jīng)海面反射的GPS信號進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，可以用于反演有效波高、海水鹽度[8]、海面風(fēng)場[9]，以及冰層厚度等。歐空局研究員Martin-Neira于1993年首次提出利用GPS海面反射波作為測距信號進(jìn)行海浪測高，并且進(jìn)行了系統(tǒng)的理論描述[6]。

NASA蘭利研究中心進(jìn)行了地基實(shí)驗(yàn)，將接收機(jī)固定在海岸的建筑物上，利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號觀測波音737飛機(jī)的飛行軌跡，從而驗(yàn)證了GPS反射信號可以被傳統(tǒng)的接收機(jī)檢測并跟蹤；但實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，傳統(tǒng)的接收機(jī)難以進(jìn)行有效的鎖相和長時(shí)間的跟蹤，需要研制特殊的GPS反射信號接收機(jī)。Stolk等人描述了一個(gè)空基的GPS遙感系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)可用于探測大型海面艦船目標(biāo)。利用導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號進(jìn)行海面大型目標(biāo)探測已經(jīng)引起了國外學(xué)者的注意，在國外的一次機(jī)載實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)觀測到了海面油輪反射的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，且強(qiáng)度強(qiáng)于海面水體本身的反射信號。同時(shí)，最近的研究成果也表明，可以利用運(yùn)動物體反射的GPS信號實(shí)現(xiàn)大型目標(biāo)物體的成像。

除海洋遙感外，GPS在海面上的反射信號還可用于空間遙測。法國Auber教授指出了他們在進(jìn)行機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)時(shí)，GPS接收機(jī)意外發(fā)現(xiàn)了GPS海面反射信號。這種信號在常規(guī)的測量中通常是作為多路徑信號進(jìn)行剔除的，因?yàn)樗鼑?yán)重干擾了定位精度，但同時(shí)也說明了GPS反射信號是可以被接收并檢測的。Katzberg和Garrison提出利用海面前向散射的雙頻GPS信號來獲取海洋上空的電離層延遲，這將有效克服傳統(tǒng)衛(wèi)星高度計(jì)在修正電離層延遲誤差中的不足[7]。

國內(nèi)方面，2004年劉立東等研究基于GPS信號反射的無源雷達(dá)技術(shù)[10-13]，分為天基雷達(dá)和天地雙基雷達(dá)，在目標(biāo)探測的過程中，對GPS信號經(jīng)過多普勒補(bǔ)償后再進(jìn)行相干累積和非相干累積，獲得較大的增益，實(shí)現(xiàn)對弱信號的檢測。2006年楊進(jìn)佩等研究GPS反射信號增強(qiáng)技術(shù)，采用了高增益定向天線、輸出信噪比最大原則下的匹配濾波器、相干累積、非相干累積、直達(dá)信號和多徑信號相抵消等方法相結(jié)合，提高了GPS弱反射信號的接收增益[14-15]。

2 弱信號檢測技術(shù)

導(dǎo)航衛(wèi)星信號到達(dá)海面和地面的信號僅為-130 dBm，而經(jīng)海面艦船目標(biāo)或空中飛行目標(biāo)反射的二次信號更加微弱，因此，需要解決的難點(diǎn)問題是如何檢測接收淹沒于強(qiáng)背景噪聲的微弱導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號。

GNSS信號采用直接序列擴(kuò)頻，將衛(wèi)星發(fā)射的信號能量分散在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)，ITU規(guī)定在1.525 ～2.5 GHz頻帶上衛(wèi)星通信鏈路的功率通量密度要在-154 dBw/m2以下。由于衛(wèi)星發(fā)射功率有限，以及遠(yuǎn)距離的空間傳輸造成的空間衰減，使得接收機(jī)接收的GNSS信號被淹沒在噪聲中，無法直接進(jìn)行信號功率測量，只能通過相關(guān)處理后才能完成捕獲和跟蹤測量。經(jīng)過目標(biāo)物體反射的二次信號與直射信號相比，由于目標(biāo)物體的反射衰減和二次傳輸衰減，信號功率更低，只能通過提高接收天線增益和信號積累處理增益來探測接收。

為提高接收導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號的信噪比，除了使用高增益窄波束定向天線外，還需要采用基于擴(kuò)頻碼片的相干累積、導(dǎo)航電文信息輔助的長時(shí)間相干累加、基于導(dǎo)航電文信息的非相干累加、TBD檢測接收、犧牲虛警性能降低檢測門限、多個(gè)衛(wèi)星空域信號累積等多種算法復(fù)合的方式，以及針對快速移動目標(biāo)，特別是空中飛行物體，使用多普勒效應(yīng)，來提高探測定位系統(tǒng)的檢測靈敏度和有效作用距離等系統(tǒng)性能。

圖2 弱信號檢測接收技術(shù)處理流程

2.1 長時(shí)間相干累積算法

加長信號相干累積時(shí)間可以提高接收反射信號的信噪比，提高信號捕獲和跟蹤的靈敏度，然而，接收機(jī)相干累積時(shí)間主要受到導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特寬度、目標(biāo)物體的運(yùn)動狀態(tài)和接收機(jī)晶體振蕩器頻率漂移3方面因素的限制。

以GPS導(dǎo)航信號為例，20 ms的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)比特寬度，限制了在通常情況下有效的相干累積時(shí)間最長為10 ms。如果接收機(jī)通過其他途徑獲知或預(yù)測下一個(gè)數(shù)據(jù)比特是否相對于當(dāng)前比特發(fā)生了跳變，那么在對當(dāng)前比特進(jìn)行了相干累積后，接收機(jī)還可以將相干累積時(shí)間擴(kuò)展到下一個(gè)bit，從而使相干累積時(shí)間增大一倍。具體操作時(shí)若下一個(gè)數(shù)據(jù)bit相對于當(dāng)前bit未發(fā)生跳變，則在下一個(gè)數(shù)據(jù)bit期間的相干累積結(jié)果可以直接加到當(dāng)前bit對應(yīng)的相干累積結(jié)果中；相反，若下一個(gè)數(shù)據(jù)bit發(fā)生了跳變，則這兩個(gè)20 ms相干累積結(jié)果需要相減才能得到40 ms時(shí)長的相干累積結(jié)果。

由于接收機(jī)可以同時(shí)接收到導(dǎo)航衛(wèi)星的直達(dá)信號和經(jīng)目標(biāo)物體反射的二次信號，可以使用實(shí)時(shí)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星直達(dá)數(shù)據(jù)碼信號，而非本地生成的數(shù)據(jù)碼與衛(wèi)星反射信號相干處理，可以剝離數(shù)據(jù)信息，消除數(shù)據(jù)比特跳變引起相干積分時(shí)間不大于數(shù)據(jù)bit長度0.5倍的限制，增加導(dǎo)航衛(wèi)星信號的相干積分時(shí)間，提高導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號檢測接收的靈敏度。

即使接收機(jī)可以通過直達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航信號通道準(zhǔn)確的獲取每個(gè)導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)比特，相干累積也不能無限長時(shí)間地進(jìn)行，因?yàn)槌藬?shù)據(jù)比特寬度的限制，目標(biāo)物體的運(yùn)動狀態(tài)和接收機(jī)晶體振蕩器頻率漂移也會限制相干累積的最大時(shí)長。

在引起接收信號多普勒頻移的相對運(yùn)動中，衛(wèi)星軌道運(yùn)動可以根據(jù)其星歷準(zhǔn)確的計(jì)算出來，接收機(jī)的運(yùn)動也是可以實(shí)時(shí)獲取的，而目標(biāo)物體的運(yùn)動狀態(tài)則無法預(yù)測。由于導(dǎo)航衛(wèi)星移動引起的最大多普勒頻率變化率為0.93 Hz/s，即在Ts內(nèi)多普勒頻移最大為0.93×THz。如果本地振蕩器的運(yùn)行頻率在一個(gè)相干累積時(shí)間內(nèi)保持不變，接收機(jī)可以利用導(dǎo)航衛(wèi)星星歷準(zhǔn)確地計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻衛(wèi)星運(yùn)動引起的多普勒頻移，然后在相干累積時(shí)間內(nèi)，根據(jù)多普勒頻率變化量實(shí)時(shí)調(diào)整本地載波的輸出頻率，可以有效降低衛(wèi)星運(yùn)動對相干累積的影響。同時(shí)，可以根據(jù)目標(biāo)物體的先驗(yàn)運(yùn)動狀態(tài)和速度范圍，調(diào)整本地載波的輸出頻率進(jìn)行相干累積，并根據(jù)搜索匹配結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整本地載波的輸出頻率，降低目標(biāo)物體運(yùn)動狀態(tài)對相干累積時(shí)間長度的限制。

最后，接收機(jī)晶體振蕩頻率的短期穩(wěn)定度和頻率漂移也嚴(yán)格限制了相干累積的時(shí)間長度，因此，應(yīng)選取穩(wěn)定度極高的晶體振蕩源，并使用GPS馴服等手段，提高本地輸出頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。

2.2 相干非相干一體化多模復(fù)合累積算法

除了增加導(dǎo)航衛(wèi)星信號相干積累時(shí)間，還可以通過加長非相干累積時(shí)間來提高接收機(jī)信號捕獲和跟蹤的靈敏度。由于非相干累積時(shí)間既不受導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)跳變的影響，又不受頻率誤差的影響，在理論上可以進(jìn)行一個(gè)無限長時(shí)間的非相干累積。然而，由于非相干累積存在平方損耗，降低了信號檢測的有效增益，甚至可能帶來捕獲響應(yīng)時(shí)間過長的缺點(diǎn)，降低系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)效性指標(biāo)。

除了針對單顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號的相干/非相干累積，還可以使用多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的累積捕獲結(jié)果進(jìn)行二次非相干累積，也可以使用多個(gè)接收機(jī)捕獲跟蹤衛(wèi)星反射信號，并將捕獲跟蹤結(jié)果結(jié)合接收機(jī)的空間分布再次累積，進(jìn)行導(dǎo)航電文輔助C/A碼長時(shí)間相干累積、最佳時(shí)長非相干累積、多顆定位衛(wèi)星捕獲結(jié)果非相干累積、多個(gè)接收機(jī)捕獲結(jié)果非相干累積等一體化多模復(fù)合累積，提高探測定位系統(tǒng)的檢測接收靈敏度和有效作用距離等系統(tǒng)性能。

圖3 一體化多模復(fù)合累積原理

2.3 TBD檢測接收算法

信息處理層采用檢測前跟蹤(TBD)算法。傳統(tǒng)的先檢測后跟蹤(DBT)算法很難保證導(dǎo)航衛(wèi)星反射信號這種微弱信號的可靠檢測和跟蹤，檢測前跟蹤(TBD)算法在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的前提下，通過聯(lián)合處理多幀原始數(shù)據(jù)積累能量，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的檢測并恢復(fù)航跡，是微弱目標(biāo)檢測和跟蹤的有效方法。

圖4 TBD檢測算法原理

由于TBD算法對單幀數(shù)據(jù)沒有設(shè)置門限或只設(shè)置很低的門限，因此它能夠最大限度的保留目標(biāo)的信息，不僅包含坐標(biāo)信息，還包含幅度信息和相位信息，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)DBT算法中目標(biāo)信號丟失的問題。幀與幀之間沒有復(fù)雜的點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)，而是利用目標(biāo)在幀間的運(yùn)動相關(guān)性來抑制雜波，積累目標(biāo)能量，因此，TBD算法的雜波抑制能力更強(qiáng)，信噪比改善更明顯。TBD算法在信號處理的最末端對多幀積累后的積累函數(shù)進(jìn)行檢測判決，一旦報(bào)告有目標(biāo)存在，將同時(shí)給出目標(biāo)的航跡。相比于DBT算法，TBD算法完成的是對目標(biāo)航跡級的檢測，能更大程度地減少虛假航跡。因此，TBD算法能大幅改善對微弱目標(biāo)的檢測跟蹤性能。

TBD算法聯(lián)合處理多幀原始數(shù)據(jù)，可分為多幀間非相參積累和多幀間相參積累兩種。本方案擬采取多幀相參積累方法。為了能同時(shí)利用目標(biāo)在幀與幀之間的幅度信息和相位信息，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)能量的相參積累，多幀相參積累TBD算法不對單幀回波信號進(jìn)行相參處理，而是將多幀回波信號按發(fā)射脈沖的順序依次存儲，以保留回波信號相位的相參性，然后對多幀相位具有相參性的目標(biāo)回波信號采用相參TBD算法進(jìn)行相參處理，積累目標(biāo)能量，實(shí)現(xiàn)多幀之間相參積累。

2.4 并行關(guān)器接收算法

接收端要經(jīng)過解擴(kuò)、解調(diào)才能得到GNSS信號的，完成解調(diào)、解擴(kuò)工作的是相關(guān)器。經(jīng)典的導(dǎo)航衛(wèi)星信號接收機(jī)僅配備少量相關(guān)器，用來搜索整個(gè)三維搜索范圍空間。為獲得一個(gè)比較合理的搜索時(shí)間，接收機(jī)在每個(gè)搜索區(qū)域內(nèi)駐留的時(shí)間不能太長，否則接收機(jī)會沒有時(shí)間和機(jī)會去搜索其余的三維搜索區(qū)域。而較短的駐留時(shí)間會限制接收機(jī)的累積時(shí)間長度，降低接收機(jī)的捕獲跟蹤靈敏度。

為了在提高接收機(jī)捕獲跟蹤靈敏度的同時(shí)還能保證信號捕獲速度，需要配置數(shù)量足夠多的相關(guān)器硬件，設(shè)計(jì)新型的并行相關(guān)器接收機(jī)，使得在增加對每個(gè)搜索區(qū)域駐留時(shí)間的同時(shí)，并行搜索多個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星信號的多個(gè)搜索區(qū)域。

GNSS的相關(guān)算法計(jì)算量大，如GPS接收機(jī)相關(guān)器的通道數(shù)通常為12通道，對處理速度已經(jīng)有較高的要求。但增加相關(guān)器硬件數(shù)量后將進(jìn)一步增大相關(guān)算法的計(jì)算量和計(jì)算難度。為提升接收機(jī)的運(yùn)算速度，適應(yīng)大塊并行相關(guān)器接收機(jī)的運(yùn)算需求，可以使用運(yùn)算能力更強(qiáng)的GPU承載GNSS相關(guān)器算法，或采取并行能力強(qiáng)的高速FPGA承載相關(guān)器算法。

3 結(jié)束語

基于導(dǎo)航衛(wèi)星信號的探測定位技術(shù)是雙多基地雷達(dá)在無源探測定位領(lǐng)域的一個(gè)特殊應(yīng)用。該技術(shù)可利用北斗、GPS、Galileo、Glonass等導(dǎo)航衛(wèi)星作為發(fā)射機(jī)，使用分布在不同位置的單個(gè)或多個(gè)接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星廣播的定位信號和經(jīng)目標(biāo)物體反射的二次信號，實(shí)現(xiàn)海面艦船目標(biāo)或空中飛行目標(biāo)的無源探測定位，具有反隱身、抗干擾、全天候、全覆蓋等優(yōu)勢。可以安裝在地面、車載、艦載、機(jī)載、星載等多種平臺，探測定位低小慢目標(biāo)、隱身飛機(jī)、巡飛彈、巡航彈等威脅目標(biāo)；可以應(yīng)用于領(lǐng)海、領(lǐng)空、洞窟以及地面要地的區(qū)域預(yù)警和末端防御，也可通過戰(zhàn)區(qū)網(wǎng)絡(luò)互連和信息共享，用于國土監(jiān)測防衛(wèi)和國土安全領(lǐng)域；可以與北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)國土安全防空和復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)控。

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Study on Detecting Weak Reflection of Navigating Satellite Signal

LIU Yujun，ZHANG Xingzhi，ZHAO Meng

(Department of Information Engineering,Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072,China)

Consider navigating satellite as source of irradiate, to make use of reflection of navigating signal in detecting objects on ground, sea surface and in the space, detecting technology used in receiving weak reflection of navigating satellite signal is studied in this paper. Including design of high sensitive detection radio receiver, development of long time coherent signal accumulation algorithm aided by navigating satellite message, integrated coherent/incoherent multimode signal accumulation algorithm and TBD algorithm, this detecting technology implemented an effective method in receiving weak reflection of navigating satellite signal(such as Beidou Satellite, GPS, GALILEO, GLONASS) from detection targets. Besides, the feasibility of using navigation signal in long distance passive detection will be assessed through the research of the technology.

detection of weak signal;signal of navigation satellite;signal accumulation

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.011

2016- 10- 14

劉玉軍(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：電磁頻譜感知。

TN97

A

1007-7820(2016)12-037-04