一种基于GNSS前向散射特性的空中目标探测装置

本发明涉及空中目标探测领域，特别是涉及一种基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置。

背景技术：

利用全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitessystem，gnss)信号进行目标探测是一种双基地雷达目标探测技术，具有信号源广、成本低、隐蔽性强等优势，是遥感及雷达领域的一项新兴技术，该技术通过岸基的特殊装置接收、处理gnss前向散射信号可进行空中动目标的探测。

近年来，随着无人机等低慢小航空器的飞速发展与低空空域管制的逐渐开放，低慢小目标违规飞行的事件日益增多，产生了较大的负面影响，对空中航路安全、城市安保等提出了严峻挑战。另一方面，有源探测雷达容易受到电磁干扰的影响，且成本较高，难以对该类航空器实施有效监控。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置，以解决有源探测雷达容易受到电磁干扰的影响，难以对该类航空器实施有效监控的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置，包括：右手圆极化rhcp导航天线、射频前端、捕获跟踪模块、导航模块以及目标检测模块；

所述rhcp导航天线、所述射频前端以及所述捕获跟踪模块依次连接，所述捕获跟踪模块、所述导航模块以及所述目标检测模块两两相连；

所述rhcp导航天线接收卫星信号，并由所述射频前端将所述卫星信号输入至所述捕获跟踪模块进行捕获跟踪处理，生成捕获跟踪结果；所述捕获跟踪模块将所述捕获跟踪结果分别发送至所述导航模块以及所述目标检测模块；所述导航模块根据所述捕获跟踪结果进行定位，解算得到卫星的位置信息以及接收机的位置信息；所述目标检测模块根据所述捕获跟踪结果提取捕获跟踪后的i路卫星信号，并利用所述i路卫星信号、所述卫星的位置信息以及所述接收机的位置信息判断目标是否出现；所述卫星信号为电磁信号，所述卫星信号包括全球导航卫星系统gnss的直射信号及目标出现时的gnss前向散射信号；所述捕获跟踪结果包括所述卫星信号的码信息以及载波信息；所述码信息包括伪随机噪声码、码相位以及码频率；所述载波信息包括载波相位以及载波频率。

可选的，在所述rhcp导航天线将所述卫星信号发送至所述射频前端之前，所述rhcp导航天线将所述电磁信号转换为射频电压信号。

可选的，所述rhcp导航天线将所述电磁信号转换为射频电压信号的公式为：

其中，sd(t)为射频电压信号，n为接收到卫星信号的数量，i为接收到的第i颗卫星信号，adi为接收到的第i颗卫星信号的功率，di(t)为第i颗卫星信号上调制的数据码，ci(t)为第i颗卫星信号的伪随机码，e为自然常数，j为虚数符号，π为圆周率，f为第i颗卫星信号的频率，t为接收到第i颗卫星信号的时刻，为第i颗卫星信号的相位。

可选的，所述射频前端对所述直射信号依次进行下变频、滤波、增益控制以及量化采样处理，生成数字中频信号。

可选的，所述目标检测模块利用所述i路卫星信号对每个卫星的卫星信号进行非相干累加，确定i路卫星信号的功率变化信息；根据所述功率变化信息对目标出现时产生的功率衰减进行检测，并结合所述卫星的位置信息以及所述接收机的位置信息判断目标是否出现。

可选的，所述功率变化信息为：

其中，magi为功率衰减幅度，m为非相干累加次数，为第i路信号同相支路功率的平方，p为同相支路。

可选的，所述导航模块根据所述卫星的位置信息以及所述接收机的位置信息生成星空图。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置，选择gnss卫星作为无源雷达的第三方非合作辐射源，利用目标穿越基线时产生的前向散射效应，接收卫星信号进行数据处理来探测目标的出现。从技术优势角度来看，本装置主要有以下优点：1)本装置自身不发射电磁波信号，而是利用非合作的gnss卫星作为辐射源，不易被敌方感知，具有很强的生存能力和隐蔽性；2)工作性能优异，可以全天候、昼夜连续工作。3)目标在经过gnss卫星与基站连线附近时，目标自身的雷达散射截面(radarcrosssectio，rcs)迅速增大，基站接收的gnss信号也发生明显的变化，比传统雷达具有很好的反隐身能力；4)由于本发明使用的是gnss卫星信号，地面基站可以直接使用成熟的gnss接收机或数据采集器，降低了系统的整体部署难度和成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置结构图；

图2为本发明所提供的目标探测处理模块框图。

符号说明：rhcp导航天线1、射频前端2、捕获跟踪模块3、导航模块4以及目标检测模块5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置，选择gnss卫星作为无源雷达的第三方非合作辐射源，利用目标穿越基线时产生的前向散射效应，接收卫星信号进行数据处理来探测目标的出现，不受电磁干扰的影响，有效监控航空器。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置结构图，如图1所示，一种基于gnss前向散射特性的空中目标探测装置，包括：右手圆极化(righthandcircularpolarization，rhcp)导航天线1、射频前端2、捕获跟踪模块3、导航模块4以及目标检测模块5；所述rhcp导航天线1、所述射频前端2以及所述捕获跟踪模块3依次连接，所述捕获跟踪模块3、所述导航模块4以及所述目标检测模块5两两相连；所述rhcp导航天线1接收卫星信号，并由所述射频前端2将所述卫星信号输入至所述捕获跟踪模块3进行捕获跟踪处理，生成捕获跟踪结果；所述捕获跟踪模块3将所述捕获跟踪结果分别发送至所述导航模块4以及所述目标检测模块5；所述导航模块4根据所述捕获跟踪结果进行定位，解算得到卫星的位置信息以及接收机的位置信息；所述目标检测模块5根据所述捕获跟踪结果提取捕获跟踪后的i路卫星信号，并利用所述i路卫星信号、所述卫星的位置信息以及所述接收机的位置信息判断目标是否出现；所述卫星信号为电磁信号，所述卫星信号包括全球导航卫星系统gnss的直射信号及目标出现时的gnss前向散射信号；所述捕获跟踪结果包括所述卫星信号的码信息以及载波信息；所述码信息包括伪随机噪声码、码相位以及码频率；所述载波信息包括载波相位以及载波频率；其中，直射信号为gpsli频段的直射信号。

在实际应用中，在所述rhcp导航天线1将所述卫星信号发送至所述射频前端2之前，所述rhcp导航天线1将所述电磁信号转换为射频电压信号。

在实际应用中，所述rhcp导航天线1将所述电磁信号转换为射频电压信号的公式为：

其中，sd(t)为射频电压信号，n为接收到卫星信号的数量，i为接收到的第i颗卫星信号，adi为接收到的第i颗卫星信号的功率，di(t)为第i颗卫星信号上调制的数据码，ci(t)为第i颗卫星信号的伪随机码，e为自然常数，j为虚数符号，π为圆周率，f为第i颗卫星信号的频率，t为接收到第i颗卫星信号的时刻，为第i颗卫星信号的相位。

将射频前端2接收到的信号传输给捕获跟踪模块3，这里我们选用软件接收机作为捕获跟踪模块3，实现pm号、码相位、码频率、载波相位、载波频率{prni，θci，fci，θi，fi}的输出。捕获跟踪模块3输出的信息分别传递给导航模块4以及目标检测模块5进行后续处理。

{prni，θci，fci，θi，fi}分别表示pm号、码相位、码频率、载波相位、载波频率；

其中，prni为第i颗卫星的pm码编号，θci为码相位，fci为码频率，θi为载波相位，fi为载波频率。

导航模块4接收捕获跟踪模块3输出的信息后，对卫星及接收机的位置进行解算，实现卫星坐标{latsi，lonsi，hsi}和接收端坐标{latri，lonri，hri}的输出，用于判断目标出现的大致位置。

{latsi，lonsi，hsi}为卫星所在位置的测地坐标系的坐标。

其中，latsi为卫星所在经度，lonsi为卫星所在纬度，hsi为卫星所在高度；

{latri，lonri，hri}为接收端所在位置的测地坐标系的坐标。

latri为接收端所在经度，lonri为接收端所在纬度，hri为接收端所在高度。

在实际应用中，所述射频前端2对所述直射信号依次进行下变频、滤波、增益控制以及量化采样处理，生成数字中频信号。

在实际应用中，所述目标检测模块5利用所述i路卫星信号对每个卫星的卫星信号进行非相干累加，确定i路卫星信号的功率变化信息；根据所述功率变化信息对目标出现时产生的功率衰减进行检测，并结合所述卫星的位置信息以及所述接收机的位置信息判断目标是否出现。

在实际应用中，由于i路信号中包含着gpsl1信号中主要的信息，如图2所示，这里我们提取gpsl1信号捕获跟踪之后的i路信号，对接收到的每颗卫星的信号进行1ms的相干积分以及100次的非相干累加，得到i路信号的功率变化信息，即

所述功率变化信息为：

其中，magi为功率衰减幅度，m为非相干累加次数，为第i路信号同相支路功率的平方，p为同相支路。

目标出现在卫星和接收天线的连线时，信号功率发生衰减，根据目标不同设置衰减的门限值η，通过恒虚警检测(constantfalse-alarmrate，cfar)检测，当信号功率的衰减幅度大于所设定的门限值时，即δmagi＞η，可以判断目标出现，δmagi表示相邻时刻的功率变化，η表示门限值。

根据每颗卫星i路信号出现衰减的时间，结合卫星坐标{latsi，lonsi，hsi)与接收机坐标{latri，lonri，hri}信息可以初步判断目标出现时所处位置。

在实际应用中，所述导航模块4根据所述卫星的位置信息以及所述接收机的位置信息生成星空图。

本发明首先对卫星信号进行捕获跟踪，提取跟踪结果中的i路信号，进行处理后并通过观察是否发生前向散射效应判断有无目标出现，采用本发明的空中目标探测装置接受、处理同一区域n颗卫星的前向散射信号，对动目标的有无进行检测。

本发明仅是信号接收装置，装置结构简单、成本低、功耗低、隐蔽性强；利用gnss信号作为信号源，可实施全天时、全天候观测；利用gnss信号的前向散射特性进行目标探测，可有效提高目标的rcs，增加探测距离。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。