基于GPS照射源的雙基地新體制雷達探測系統

何 征，蒙繼東，尚 社

（中國空間技術研究院西安分院 陜西 西安 710000）

現代戰爭對雷達探測系統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。而且隨著隱身技術的發展與廣泛應用，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。為了對付日趨成熟起來的“四大威脅”的挑戰，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的研究就顯得越來越重要。

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

1 系統結構

由于GPS導航衛星發射的是連續信號，為了實現目標檢測必須采用相干處理技術，即在接收系統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接收機構成，反射接收通道主要由接收天線、預放、濾波、變頻電路等構成。圖中所示的4顆衛星和直達接收通道用于實現無源雷達自身位置定位、雷達基線測量以及GPS衛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，對目標照射產生的含有目標信息的GPS衛星反射信號，經反射接收通道處理，輸入到信號處理器，進行數據分析和處理，實現對目標的探測功能。由于 GPS衛星發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導航衛星輻射源雷達系統信號處理框圖。

導航衛星置于20 200 Km太空的GPS衛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成一個性能優良的雙/多基無源雷達對空中目標實現探測是可行的，此外，隱身目標只在鼻錐±30°范圍內有極小的RCS，而側向及頂部散射和繞射并沒有減小，這正是由太空GPS衛星和地面接收機組成的雙基雷達的可利用之處，也是雙基雷達系統可進行反隱身探測的關鍵所在。盡管在β=180°的強散射區，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導航衛星照射源雷達系統信號處理框圖Fig.2 The signal processing block diagram of bistatic radar system based on GPS illumination

2 回波模型

GPS是由24顆地球同步衛星組成，在地球任何位置可同時觀測3～4顆衛星用于確定GPS接收系統的位置。GPS衛星發射的信號包含調制在衛星導航數據D（t）上的粗碼C（t）和精碼 P（t），這些調制信號經上變頻調制發射出去，供地面衛星接收系統使用。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衛星信號。

GPS衛星信號在數學上表述為

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

根據式（1），直達波通道收到衛星的信號為

式中Pid是第i個衛星直達波信號功率，τid是信號從衛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生的時延誤差。

該信號經濾波、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是目標產生的多普勒頻差，φif1是反射中頻信號初始相位。

3 系統仿真

本文的研究是基于導航衛星信號的外輻射源雷達系統，是利用GPS信號作為輻射源，接收機由接收導航衛星直達波信號和接收衛星散射信號的兩個通道組成，直達通道的天線指向衛星，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處理，從而實現對目標的判別和兩路信號的時延差及多普勒測量[2]。由發射站、接收站和運動目標構成的系統雙基地雷達平面的幾何結構圖如圖3所示。

圖3 基于GPS導航衛星外輻射源雷達系統幾何結構圖Fig.3 Structure geometry of bistatic radar system based on GPS illumination

通過參考通道得到導航衛星的信息對回波信號進行碼分離得到四路導航衛星照射目標的反射信號，然后對調制數據信號進行去除，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

仿真參數選擇：導航衛星的1#，2#，3#，4#星作為仿真對象輻射源，選取1 ms的回波數據，L=20 000 km進行仿真。假設在同某一時刻導航衛星的坐標是已知的，接收機坐標也是已知的，目標處于探測的同一距離單元內，通過各衛星之間的幾何關系計算出相對時延[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，通過上述系統得到以下仿真結果，通過對仿真結果進行分析比較，多通道的虛警概率有明細改善，信噪比也有顯著提高。

4 結 論

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

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