基于GPS照射源的雙基地新體制雷達探測系統(tǒng)

何 征，蒙繼東，尚 社

（中國空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安 710000）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達探測系統(tǒng)提出了越來越高的要求，不僅要求其具有較高的探測精度和快速的反應能力，而且要求其具有極強的“四抗”能力。而且隨著隱身技術(shù)的發(fā)展與廣泛應用，典型軍事目標雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）銳減，使其回波信號微弱，經(jīng)常淹沒在強雜波和各種干擾中，給雷達的檢測與航跡處理帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。為了對付日趨成熟起來的“四大威脅”的挑戰(zhàn)，各項針對性的研究工作正在緊張的進行中。在這種情況下，對于雙基地雷達探測系統(tǒng)的研究就顯得越來越重要。

多入多出（multiple input multiple output，MIMO）雷達系統(tǒng)是由林肯實驗室和貝爾實驗室提出的，與傳統(tǒng)單基和雙基雷達相比較，在目標檢測、參數(shù)估計、目標分辨率等方面具有明顯的優(yōu)勢。文中將兩者優(yōu)勢相結(jié)合，構(gòu)建出基于GPS導航衛(wèi)星輻射源的多發(fā)單收的雷達系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于GPS導航衛(wèi)星發(fā)射的是連續(xù)信號，為了實現(xiàn)目標檢測必須采用相干處理技術(shù)，即在接收系統(tǒng)中至少要設置兩個通道：回波接收通道和參考通道，分別用來接收目標反射的回波信號和直達波參考信號，以便進行相干處理，在體制上屬于雙、多基地雷達體制。圖1給出了基于GPS導航衛(wèi)星照射源的無源雷達示意圖，其中回波接收是單通道，參考通道直接用GPS導航接收機。

圖1 基于GPS導航衛(wèi)星照射源的雙基地雷達示意圖Fig.1 Diagram of new bistatic radar system based on GPS illumination

該系統(tǒng)由GPS直達信號接收通道和反射信號接收通道組成。直達接收通道主要由標準GPS接收機構(gòu)成，反射接收通道主要由接收天線、預放、濾波、變頻電路等構(gòu)成。圖中所示的4顆衛(wèi)星和直達接收通道用于實現(xiàn)無源雷達自身位置定位、雷達基線測量以及GPS衛(wèi)星信號碼和載波的捕捉跟蹤。選用其中的一顆作為目標照射器，對目標照射產(chǎn)生的含有目標信息的GPS衛(wèi)星反射信號，經(jīng)反射接收通道處理，輸入到信號處理器，進行數(shù)據(jù)分析和處理，實現(xiàn)對目標的探測功能。由于 GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號是右旋圓極化波，因此直達通道天線采用標準的GPS接收機配套天線，即右旋圓極化天線，該天線指向天頂（信號最強），可抑制地面產(chǎn)生的多路徑效應；而反射通道天線采用左旋圓極化天線，天線傾斜指向目標，主要用于獲取目標的反射信號[1]。圖2示出了基于GPS導航衛(wèi)星輻射源雷達系統(tǒng)信號處理框圖。

導航衛(wèi)星置于20 200 Km太空的GPS衛(wèi)星信號作為雙基地雷達信號空間目標照射器，與異地配置的接收機構(gòu)成一個性能優(yōu)良的雙/多基無源雷達對空中目標實現(xiàn)探測是可行的，此外，隱身目標只在鼻錐±30°范圍內(nèi)有極小的RCS，而側(cè)向及頂部散射和繞射并沒有減小，這正是由太空GPS衛(wèi)星和地面接收機組成的雙基雷達的可利用之處，也是雙基雷達系統(tǒng)可進行反隱身探測的關(guān)鍵所在。盡管在β=180°的強散射區(qū)，雙基雷達失掉分辨能力，但是在135°<β≤180°時仍能進行目標定位。

圖2 基于GPS導航衛(wèi)星照射源雷達系統(tǒng)信號處理框圖Fig.2 The signal processing block diagram of bistatic radar system based on GPS illumination

2 回波模型

GPS是由24顆地球同步衛(wèi)星組成，在地球任何位置可同時觀測3～4顆衛(wèi)星用于確定GPS接收系統(tǒng)的位置。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號包含調(diào)制在衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)D（t）上的粗碼C（t）和精碼 P（t），這些調(diào)制信號經(jīng)上變頻調(diào)制發(fā)射出去，供地面衛(wèi)星接收系統(tǒng)使用。由于精碼僅供美軍方使用，在實際中難以獲取，本文只研究使用粗碼的GPS衛(wèi)星信號。

GPS衛(wèi)星信號在數(shù)學上表述為

式中P是發(fā)射信號功率，C（t）是帶寬為 1.023 MHz的粗碼（C/A 碼），D（t）是帶寬為 50 Hz的衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)，ω0=2 πf0，f0為1 575.42 MHz的載頻，φ0是信號初始相位。

根據(jù)式（1），直達波通道收到衛(wèi)星的信號為

式中Pid是第i個衛(wèi)星直達波信號功率，τid是信號從衛(wèi)星到雷達接收機的傳播時間（L/c，c為光速），忽略空間電離層對信號產(chǎn)生的時延誤差。

該信號經(jīng)濾波、放大和變頻至中頻信號為:

式中φif0是直達波中頻信號的初始相位。

同理可推導出反射通道的中頻信號為

式中Pr是反射信號功率，τir是信號從衛(wèi)星i到目標被其反射到達雷達的傳播時間（（Rt+Rr）/c），ωid是目標產(chǎn)生的多普勒頻差，φif1是反射中頻信號初始相位。

3 系統(tǒng)仿真

本文的研究是基于導航衛(wèi)星信號的外輻射源雷達系統(tǒng)，是利用GPS信號作為輻射源，接收機由接收導航衛(wèi)星直達波信號和接收衛(wèi)星散射信號的兩個通道組成，直達通道的天線指向衛(wèi)星，回波通道的天線傾斜指向目標，用于獲取目標的回波信號，將接收到的直達波信號與目標回波信號進行二維相關(guān)處理，從而實現(xiàn)對目標的判別和兩路信號的時延差及多普勒測量[2]。由發(fā)射站、接收站和運動目標構(gòu)成的系統(tǒng)雙基地雷達平面的幾何結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 基于GPS導航衛(wèi)星外輻射源雷達系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure geometry of bistatic radar system based on GPS illumination

通過參考通道得到導航衛(wèi)星的信息對回波信號進行碼分離得到四路導航衛(wèi)星照射目標的反射信號，然后對調(diào)制數(shù)據(jù)信號進行去除，同時保證相干。擴頻碼對多普勒頻率比較敏感，所以以第一路信號作為參考進行多普勒以及時延補償，矯正多普勒失配問題，之后在進行脈沖壓縮。然后將四個通道信號非相干積累，從而提高回波信號的信噪比。

圖4 1#通道匹配濾波輸出Fig.4 The output of 1#Channel matched filter

圖5 4#通道匹配濾波輸出Fig.5 The output of 4#Channel matched filter output

圖6 多通道積累輸出Fig.6 Accumulation of multi-channel output

仿真參數(shù)選擇：導航衛(wèi)星的1#，2#，3#，4#星作為仿真對象輻射源，選取1 ms的回波數(shù)據(jù)，L=20 000 km進行仿真。假設在同某一時刻導航衛(wèi)星的坐標是已知的，接收機坐標也是已知的，目標處于探測的同一距離單元內(nèi)，通過各衛(wèi)星之間的幾何關(guān)系計算出相對時延[3-5]，對其他三路信號進行補償。選擇信號的接收時的信噪比為-14 dB，通過上述系統(tǒng)得到以下仿真結(jié)果，通過對仿真結(jié)果進行分析比較，多通道的虛警概率有明細改善，信噪比也有顯著提高。

4 結(jié) 論

文中結(jié)合以導航衛(wèi)星信號為照射源的無源雷達的特點，采用多發(fā)單收的多通道信號處理方式，相對于傳統(tǒng)的單發(fā)單收的無源雷達有明顯的改善，相對于MIMO來說系統(tǒng)構(gòu)造簡單信號處理方便。隨著各國導航事業(yè)的發(fā)展，GPS等導航系統(tǒng)成功運行，所以利用多顆導航衛(wèi)星和多部地面接收機組成雷達網(wǎng)，可建立一個反隱身目標的屏障。

[1]楊進佩，劉中，朱曉華.用于無源雷達的GPS衛(wèi)星信號性能分析[J].電子與信息學報，2007，29（5）:1083-1086.YANG Jin-pei，LIU Zhong，ZHU Xiao-hua.The performances analysis of GPSsignals for passive radar[J].Journal of Electronics&Information Technology，2007，29（5）:1083-1086.

[2]劉立東，袁偉明，吳順君.基于GPS照射源的天地雙基地雷達探測系統(tǒng)[J].電波科學學報，2004，19（1）:109-113.LIU Li-dong，YUAN Wei-ming，WU Shun-jun.Bistatic radar system based on GPS illumination[J].Chinese Journal of Radio Science，2004，19（1）:109-113.

[3]范梅梅，廖東平，丁小峰.基于北斗衛(wèi)星信號的無源雷達可行性研究[J].信號處理，2010，26（4）:631-636.FAN Mei-mei，LIAO Dong-ping，DING Xiao-feng.Feasibility research of passive radar based on beidou navigation and position system[J].Signal Processing，2010，26（4）:631-636.

[4]吳海洲，陶然，單濤.基于DTTB照射源的無源雷達直達波干擾抑制[J].電子與信息學報，2009，31（9）:2033-2038.WU Hai-zhou，TAO Ran，SHAN Tao.Direct-path interference suppression for passive radar based on DTTB illuminator[J].Journal of Electronics&Information Technology，2009，31（9）:2033-2038.

[5]金威，呂曉德，向茂生.基于DVB-S信號的外輻射源雷達的模糊函數(shù)及分辨特性分析[J].雷達學報，2012，1（4）:380-386.JIN Wei，LV Xiao-de，XIANG Mao-sheng.Ambiguity function and resolution characteristic analysis of DVB-S signal for passive radar[J].Journal of Radars.2012，1（4）:380-386.

[6]楊振起，張永順.雙（多）基地雷達系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[7]謝崗.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009