基于北斗空基偽衛(wèi)星信號的低空飛行目標檢測技術(shù)

杜智遠，劉孟江，廖學軍

(1.裝備學院 研究生管理大隊，北京 101416；2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000；3.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；4.裝備學院 試驗系，北京 101416)

基于北斗空基偽衛(wèi)星信號的低空飛行目標檢測技術(shù)

杜智遠1,2，劉孟江3，廖學軍4

(1.裝備學院 研究生管理大隊，北京 101416；2.中國人民解放軍92493部隊，遼寧 葫蘆島 125000；3.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；4.裝備學院 試驗系，北京 101416)

北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)建成和投入運行，擴展和豐富北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用成為一項重要任務(wù)。針對戰(zhàn)場環(huán)境下重點目標面臨的低空突防威脅，提出了一種用于低空目標檢測的基于北斗偽衛(wèi)星信號的雙基地雷達系統(tǒng)模型，給出了系統(tǒng)的信號處理流程、功率預(yù)算和檢測概率分析過程。為了有效地從接收信號中提取目標信號，提出了一種基于最小方差的信號處理算法，并通過ECA(Effective Cancelation Algorithm)算法衰減參考信號泄漏，通過二維網(wǎng)格平均CFAR方法提取目標信號。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)模型可以有效地對低空目標進行檢測。

雙基地雷達；低空目標；ECA；檢測概率

0 引言

在定位、導航和授時(PNT)等應(yīng)用以外，國內(nèi)高校和科研院所已經(jīng)開始探索北斗系統(tǒng)在新領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，以最大化地發(fā)揮北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中的作用。飛行器以低空突防，被地面雷達發(fā)現(xiàn)的概率僅有20%，低空突防被國際上公認為是最有效的突防方式。在有效時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)低空/超低空飛行的飛機和導彈成為當今雷達探測面臨的重大挑戰(zhàn)。雙基地雷達(Bistatic Radar，BS)是無源雷達的一種特例，具有無源接收和異向散射的優(yōu)點，并向著空載、星載和多基地等方向發(fā)展[1]。在一定程度上克服了現(xiàn)代化戰(zhàn)場條件下單基地雷達面臨的抗干擾、抗摧毀和反隱身三大挑戰(zhàn)。雙基地雷達收/發(fā)分置，收/發(fā)站間不易實現(xiàn)時間、空間和相位精確同步，無法準確地對目標進行定位和測速，對于抵御敵方低空突防仍存在很大隱患。而北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)一個重要應(yīng)用便是時間同步。為克服衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號電平過低等脆弱性特點，通常采用偽衛(wèi)星進行信號增強，偽衛(wèi)星信號到達地面后相較于北斗衛(wèi)星信號強20 dB左右，為研究基于空基偽衛(wèi)星的低空目標檢測技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)。

近年來國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者都進行了利用GPS信號進行空中目標檢測的研究，以GPS衛(wèi)星信號為輻射源，檢測接收空中目標的前向散射信號，GPS衛(wèi)星廣播的信號十分微弱，目標的前向散射信號還是相對較弱，利用GPS衛(wèi)星信號探測目標，會因為前向散射信號功率過低導致探測距離有限，從而使其應(yīng)用受到限制。

本文提出一種新的北斗系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，即基于北斗空基偽衛(wèi)星系統(tǒng)的雙基地雷達系統(tǒng)模型，為了更加有效地檢測RCS較小的目標，采用了基于最小方差方法的強干擾條件下的導航信號3階檢測處理算法，并使用ECA算法衰減參考信號泄露，可以使信噪比(SNR)增加20 dB，增加了檢測概率。對地基接收機探測區(qū)域的相關(guān)參數(shù)進行了粗略估計，并考慮了接收機白噪聲和人為干擾的影響。在計算檢測特征時以白噪聲背景下的低空低速直升機為例，對I型和II型2種直升機的檢測概率進行了仿真分析，并與某型號無人機進行了對比。

1 空基偽衛(wèi)星雙基地雷達系統(tǒng)原理

前向散射雷達(Forward Scattering Radar，F(xiàn)SR)是一種特殊的雙基地雷達，分置角度接近180°，目標位于發(fā)射—接收機基線附近。在前向散射雷達中，可以利用巴比涅原理(Babinet’s principle)來構(gòu)造目標的前向散射特征。根據(jù)此原理，由于前向散射現(xiàn)象，在散射中會產(chǎn)生嚴重的增強。在前向散射中，目標的存在會阻擋來自發(fā)射機信號的波陣面，根據(jù)電磁場理論，如果在波的傳播路徑中存在絕對黑體，并且黑體的尺寸大于波長，在黑體背后就會產(chǎn)生散射場(陰影場)。目標陰影是由目標散射產(chǎn)生的電磁場。當分置角度接近180°時，來自目標反射的信號電平達到最大，可以用前向散射剖面(σFSR)來描述，并由目標陰影區(qū)域輪廓Atg決定。與地基的前向散射雷達系統(tǒng)不同，這里的發(fā)射機和接收機可以設(shè)計成共同運行機制。本文提出了一種前向散射雷達配置模型，其中利用北斗導航空基偽衛(wèi)星來作為空基發(fā)射機。本文的目標在于探索利用雙基地雷達或前向散射北斗接收機系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號，并利用前向散射效應(yīng)，形成可靠的城區(qū)干擾條件下的低空目標檢測方法。

為了保護戰(zhàn)場環(huán)境下的重點目標，有效防御低空飛機的直升機和無人機等地方目標，可以構(gòu)建一個類似于移動網(wǎng)絡(luò)的雙基地雷達或前向散射北斗接收機網(wǎng)絡(luò)。檢測區(qū)域可以通過卡西尼卵形域(OvalsofCassini)計算，即一系列由系統(tǒng)能量潛力決定的同心橢圓[2]。如果空基偽衛(wèi)星和接收機之間的距離足夠大，橢圓就被拉伸，在空基偽衛(wèi)星和接收機之間就會存在2個橢圓，因此估計出由檢測概率和人為干擾特征決定的未知參數(shù)就非常重要。如果多個接收機分布在幾十米范圍內(nèi)，它們就可以同時檢測到相同的目標，在處理中心就可以進行非相干積分。

在本系統(tǒng)中將北斗空基偽衛(wèi)星作為發(fā)射站，地面接收機作為接收站，基于雙基地雷達探測原理，可以將此系統(tǒng)作為一種特殊的雙基地雷達系統(tǒng)。對雙基地雷達而言，由于其在空間的分集可獲得目標的前向散射信號，更是隱身目標的克星。同時由于雙基地雷達多點采集數(shù)據(jù)，即使受到對方干擾，也能利用多站聯(lián)合數(shù)據(jù)對隱身目標定位和跟蹤。系統(tǒng)原理如圖1所示。圖中，β2和ε2為接收站測得的目標方位角和俯仰角，βk為接收站到發(fā)射站的基線方位角，θR為收發(fā)分置平面上接收站的目標視角。

圖1 系統(tǒng)原理

2 信號處理

2.1 信號處理流程

在強干擾條件下的空基偽信號3階檢測算法框圖如圖2所示。信號處理結(jié)構(gòu)可以抵抗碼捕獲過程中的強寬帶干擾，用于抵御敵方低空突防時的遠距離支援干擾機的壓制干擾(Stand-off-Jammer)，它包括：最小方差無失真響應(yīng)(MinimumVarianceDistortionlessResponse，MVDR)波束形成處理來消除接收機輸入端的寬帶干擾[3]；頻域的標準圓形交叉相關(guān)算法[4]；自適應(yīng)恒虛警率(ConstantFalseAlarmRate，CFAR)算法來檢測B1碼的起點并估計接收到的中頻信號的載波頻率[5]。

圖2 信號處理流程

本文提出的信號處理算法與已有算法的最大區(qū)別在于自適應(yīng)波束形成模塊的不同，本文算法采用了高能量北斗衛(wèi)星信號和非相干積分。自適應(yīng)波束形成模塊產(chǎn)生2個波束：第1個波束在衛(wèi)星方向有深陷來抑制直射路徑信號(目標通道)，第2個波束在衛(wèi)星方向上(參考通道)有最大增益。交叉相關(guān)需要的參考信號通過同步參考通道中的擴頻碼獲取，1ms的擴頻碼可以用于目標檢測[6]。相干處理通過將參考信號和頻移的目標信號進行相關(guān)處理實現(xiàn)。在附加的非相干積分之后，可以應(yīng)用基于CFAR自適應(yīng)信號檢測算法來顯示目標的檢測情況。

在無源雷達接收機的接收端，至少存在參考信號、偵察信號和干擾信號3種信號。參考信號是偽衛(wèi)星信號衰減之后的信號，可以記為：

Sref(t)=Arefd(t)+nref(t)。

(1)

式中，Arefd(t)和nref(t)分別為接收機端的衛(wèi)星信號和熱噪聲的復(fù)數(shù)振幅。

偵察信號可以建模為：

(2)

式中，Asurv為泄露衛(wèi)星信號復(fù)數(shù)振幅；am、τm和fdm分別為第m個目標的復(fù)數(shù)振幅、時延和多普勒頻率；ci、τi和fdi分別為第i個雜波的復(fù)數(shù)振幅、時延和多普勒頻率；nsurv(t)為偵察接收機的熱噪聲。

考慮采樣頻率fs=1/Ts的數(shù)字接收機系統(tǒng)，上述信號可以采樣為：

sref[n]=sref(nTs),n=-R+1,…,N-1，

(3)

ssurv[n]=ssurv(nTs),n=-R+1,…,N-1。

(4)

式中，N-1為積分采樣數(shù)；R-1是為了達到最大檢測范圍的過采樣數(shù)。

2.2 傳統(tǒng)的PBR檢測算法

無源雷達傳統(tǒng)的檢測算法基于計算交叉相關(guān)函數(shù)也就是模糊函數(shù)的多普勒時延，二維互相關(guān)函數(shù)(2D-CCF)由下式計算：

(5)

式中，n和f是由時延nTs決定的時間間隔和頻率間隔；f/(nTs)是移動目標后向反射回波的多普勒。在計算得到模糊函數(shù)后，二維互相關(guān)函數(shù)中對應(yīng)目標的后反射信號會出現(xiàn)峰值和局部極大值，使用二維網(wǎng)格平均CFAR方法檢測出目標。

2.3 本文提出的PBR檢測算法

X=B[Λ-PSd…Λ-1Sd,Sd,Λ1Sd,…ΛPS]。

(6)

式中，

B=[0N×R-1|IN]；

(7)

(8)

(9)

sref[n-m]=Dmsref，

(10)

(11)

(12)

由于從參考路徑到偵察天線通常會存在直接路徑泄露，文中在零多普勒附近使用一階ECA算法來消除泄露并提高檢測概率，如果泄露沒有被消除，ECA算法也可以標記出弱目標。

3 目標陰影中FSR和非相干積分BS的功率預(yù)算

交叉相關(guān)器輸出SNR如圖3所示。根據(jù)圖3，交叉相關(guān)器的輸出SNR是在高斯白噪聲背景下檢測到相關(guān)的低空低動態(tài)目標時計算的，而且只有在空基偽衛(wèi)星信號的Q1分量用于目標檢測時進行計算。假設(shè)天線陣列能在偽衛(wèi)星方向和目標方向都自適應(yīng)產(chǎn)生極窄的波束，那么從偽衛(wèi)星接收到的信號和目標接收到的信號就可以分離。

圖3 交叉相關(guān)器輸出SNR(Gr=35 dB)

對于北斗接收機來說，頻率帶寬為2.046 MHz，噪聲電平Nr接近131dB。北斗接收機RF前端的輸出SNR可以記為：

(13)

如果隨后的信號處理包括圓形交叉相關(guān)，那么交叉相關(guān)器輸出SNR記為：

(14)

這里GSP=ΔFTQ1是交叉相關(guān)器的處理增益，TQ1是信號Q1分量的周期?？梢酝ㄟ^檢測時間周期內(nèi)的非相干積分來提高SNR。根據(jù)文獻[7]，當接收機接收到來自目標陰影的主瓣信號時，目標在θ角度上可見：

θ=λ/(2l)。

(15)

式中，l為目標長度；λ為空基偽衛(wèi)星信號波長。在接收機處與目標陰影長度有關(guān)的路徑L可以表示為：

L=2θRtg=λRtg/l。

(16)

目標的可見時間(3 dB電平)表示為：

Tdet=L/Vrg,R=λRtg/(lVtg,R)。

(17)

式中，Vtg,R是目標在距離Rtg上的橫向速度，最大非相干采樣數(shù)可以估計為[8]：

N=Tdet/TB1。

(18)

在交叉相關(guān)器輸出端對Q1分量進行N個周期非相干積分后，最終在CFAR檢測器輸入端的SNR記為[9]：

(19)

前向散射RCSσ大約為：

(20)

式中，Atg為目標投影面積；參數(shù)h和l為目標的幾何維數(shù)。為了得到FSR中CFAR檢測器輸入端的SNR，把式(20)帶入式(19)中，有

(21)

如果檢測SNR的最小值為SNRdet,min，那么計算FSR的最大檢測范圍可以表示為：

(22)

4 檢測概率

在交叉相關(guān)器輸出端對Q1分量進行N個周期非相干積分后，在時頻域?qū)γ總€(i，k)采樣進行檢驗統(tǒng)計量[10]：

(23)

如果來向信號第k個時間間隔和第i個頻帶的檢驗統(tǒng)計量超過了自適應(yīng)門限Hi,k，就表明檢測到了目標。根據(jù)文獻[11]，目標檢測的判決準則為：

(24)

當噪聲強度未知時，式(24)中的檢測門限Hi,k由交叉相關(guān)器(i,k)時頻采樣自適應(yīng)獲取。在網(wǎng)格平均的CFAR檢測器中，Hi,k可以表示為[12]：

Hi,k=Tα·wi,k。

(25)

根據(jù)文獻[13]，可以得到計算虛警概率的表達式：

(26)

在最惡劣的情況下，當信號密度根據(jù)χ2分布在每個B1分量周期內(nèi)獨立的波動時，可以估計出偽衛(wèi)星信號Q1分量的檢測概率可以表示為：

(27)

(28)

5 仿真結(jié)果分析

對上述理論分析結(jié)果進行了數(shù)字仿真分析，對2種類型的直升機以及1種大型飛行器交叉相關(guān)器輸出SNR進行了仿真分析。Ⅰ型直升機為一種多用途攻擊直升機，主要用于執(zhí)行空中和地面攻擊任務(wù)，也可用于突擊運輸、通信聯(lián)絡(luò)和戰(zhàn)場救護等任務(wù)；Ⅱ型直升機是一種全天候、全能型攻擊直升機，也是公認的當今世界技術(shù)最先進、火力最強的武裝直升機之一。大型飛行器選取了某型號大型攻擊型無人機(CombatUnmannedAircraftVehicle,UAV)。

圖3中，天線增益Gr=35 dB，主瓣波束寬度6°，北斗偽衛(wèi)星信號載波頻率fc=2 400 MHz(λ=0.125 m)，帶寬ΔF=2.046 MHz，信號Q1分量信號周期T=0.02 s(相干處理間隙)，信號到達地球表面信號功率約為Pt=-110 dBm?？罩心繕溯喞獏^(qū)域參數(shù)為：Ⅰ型h=5.30 m，l=17.6 m；II型h=4.6 m，l=16.5 m；UAVh=6.0 m，l=19.2 m。陰影區(qū)域的累積脈沖數(shù)建模為目標距離和目標類型的函數(shù)，仿真結(jié)果如圖4所示。對于短距離目標，Q1分量1個周期或2個周期可以進行非相干積分。

圖4 陰影區(qū)域的脈沖積累數(shù)

3種飛行器的檢測結(jié)果仿真如圖5和圖6所示，并將傳統(tǒng)檢測方法和本文提出的檢測方法進行了對比，通過仿真結(jié)果可以看出本文提出的算法的檢測效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測算法。

在干擾密集的環(huán)境中，將根據(jù)文獻[10]中的結(jié)論來估計FS-BD系統(tǒng)的抗干擾能力，并提高FSR的發(fā)現(xiàn)概率。文獻[14]中提出了一種基于蒙特卡羅方法的7陣元圓形天線陣列抗干擾方法，同時可以在本文研究的基礎(chǔ)上探索利用偽衛(wèi)星增強信號來提高發(fā)現(xiàn)概率的實際產(chǎn)品和裝備。

圖5 本文提出的檢測算法目標檢測

圖6 傳統(tǒng)的檢測算法目標檢測

6 結(jié)束語

通過檢測目標的前向散射信號探測目標的關(guān)鍵是對目標前向散射全息信號的提取?；谔卣鼽c采集前向散射信號的方法，可以避免直達波信號不易剔除的難點。試驗結(jié)果也表明，采用這種方法檢測前向散射信號，從而實現(xiàn)目標的探測是可行的。本文提出的基于北斗空基偽衛(wèi)星信號FSR與非協(xié)作發(fā)射機結(jié)合的系統(tǒng)可以在高斯白噪聲背景及單干擾機覆蓋的戰(zhàn)場環(huán)境下，有效地檢測低空低動態(tài)目標。在未來的信息化戰(zhàn)場中，可以將本系統(tǒng)進行組網(wǎng)，以更好地利用北斗系統(tǒng)保護關(guān)鍵的戰(zhàn)略目標。

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杜智遠 男，(1976—)，博士，工程師。主要研究方向：裝備試驗。

劉孟江 男，(1988—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：導航戰(zhàn)。

Research on Low-flying Target Detection Based on Beidou Space-based Pseudolite Signal

DU Zhi-yuan1,2,LIU Meng-jiang3,LIAO Xue-jun4

(1.DepartmentofGraduateManagement,EquipmentAcademy,Beijing101416,China;2.Unit92493,PLA,HuludaoLiaoning125000,China;3.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;4.DepartmentofEquipmentTest,EquipmentAcademy,Beijing101416,China)

Beidou regional satellite navigation system has been built and put into running,and the application expanding of Beidou satellite navigation system in various fields becomes an important mission.In view of low altitude penetration threat on important targets,this paper proposes a bistatic radar system model based on Beidou pseudo satellite signal to implement low altitude target detection,and presents the signal processing,power budget and detection probability analysis process.In order to extract the target reflection signal effectively,a signal processing algorithm based on LS is proposed.The reference signal is attenuated by ECA method,and the two-dimension cellular averaging CFAR algorithm is used to extract the target signal.The simulation results show that the proposed system model can detect the low-flying targets effectively.

bistatic radar;low-flying target;ECA;detection probability

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.10

杜智遠,劉孟江,廖學軍.基于北斗空基偽衛(wèi)星信號的低空飛行目標檢測技術(shù)[J].無線電工程,2017,47(1):40-45.

2016-11-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA124001)。

TN974

A

1003-3106(2017)01-0040-06