基于GPS照射源的双基地新体制雷达探测系统

何 征，蒙继东，尚 社

（中国空间技术研究院西安分院 陕西 西安 710000）

现代战争对雷达探测系统提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的探测精度和快速的反应能力，而且要求其具有极强的“四抗”能力。而且随着隐身技术的发展与广泛应用，典型军事目标雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）锐减，使其回波信号微弱，经常淹没在强杂波和各种干扰中，给雷达的检测与航迹处理带来了严峻的挑战。为了对付日趋成熟起来的“四大威胁”的挑战，各项针对性的研究工作正在紧张的进行中。在这种情况下，对于双基地雷达探测系统的研究就显得越来越重要。

多入多出（multiple input multiple output，MIMO）雷达系统是由林肯实验室和贝尔实验室提出的，与传统单基和双基雷达相比较，在目标检测、参数估计、目标分辨率等方面具有明显的优势。文中将两者优势相结合，构建出基于GPS导航卫星辐射源的多发单收的雷达系统。

1 系统结构

由于GPS导航卫星发射的是连续信号，为了实现目标检测必须采用相干处理技术，即在接收系统中至少要设置两个通道：回波接收通道和参考通道，分别用来接收目标反射的回波信号和直达波参考信号，以便进行相干处理，在体制上属于双、多基地雷达体制。图1给出了基于GPS导航卫星照射源的无源雷达示意图，其中回波接收是单通道，参考通道直接用GPS导航接收机。

图1 基于GPS导航卫星照射源的双基地雷达示意图Fig.1 Diagram of new bistatic radar system based on GPS illumination

该系统由GPS直达信号接收通道和反射信号接收通道组成。直达接收通道主要由标准GPS接收机构成，反射接收通道主要由接收天线、预放、滤波、变频电路等构成。图中所示的4颗卫星和直达接收通道用于实现无源雷达自身位置定位、雷达基线测量以及GPS卫星信号码和载波的捕捉跟踪。选用其中的一颗作为目标照射器，对目标照射产生的含有目标信息的GPS卫星反射信号，经反射接收通道处理，输入到信号处理器，进行数据分析和处理，实现对目标的探测功能。由于 GPS卫星发射的信号是右旋圆极化波，因此直达通道天线采用标准的GPS接收机配套天线，即右旋圆极化天线，该天线指向天顶（信号最强），可抑制地面产生的多路径效应；而反射通道天线采用左旋圆极化天线，天线倾斜指向目标，主要用于获取目标的反射信号[1]。图2示出了基于GPS导航卫星辐射源雷达系统信号处理框图。

导航卫星置于20 200 Km太空的GPS卫星信号作为双基地雷达信号空间目标照射器，与异地配置的接收机构成一个性能优良的双/多基无源雷达对空中目标实现探测是可行的，此外，隐身目标只在鼻锥±30°范围内有极小的RCS，而侧向及顶部散射和绕射并没有减小，这正是由太空GPS卫星和地面接收机组成的双基雷达的可利用之处，也是双基雷达系统可进行反隐身探测的关键所在。尽管在β=180°的强散射区，双基雷达失掉分辨能力，但是在135°<β≤180°时仍能进行目标定位。

图2 基于GPS导航卫星照射源雷达系统信号处理框图Fig.2 The signal processing block diagram of bistatic radar system based on GPS illumination

2 回波模型

GPS是由24颗地球同步卫星组成，在地球任何位置可同时观测3～4颗卫星用于确定GPS接收系统的位置。GPS卫星发射的信号包含调制在卫星导航数据D（t）上的粗码C（t）和精码 P（t），这些调制信号经上变频调制发射出去，供地面卫星接收系统使用。由于精码仅供美军方使用，在实际中难以获取，本文只研究使用粗码的GPS卫星信号。

GPS卫星信号在数学上表述为

式中P是发射信号功率，C（t）是带宽为 1.023 MHz的粗码（C/A 码），D（t）是带宽为 50 Hz的卫星导航数据，ω0=2 πf0，f0为1 575.42 MHz的载频，φ0是信号初始相位。

根据式（1），直达波通道收到卫星的信号为

式中Pid是第i个卫星直达波信号功率，τid是信号从卫星到雷达接收机的传播时间（L/c，c为光速），忽略空间电离层对信号产生的时延误差。

该信号经滤波、放大和变频至中频信号为:

式中φif0是直达波中频信号的初始相位。

同理可推导出反射通道的中频信号为

式中Pr是反射信号功率，τir是信号从卫星i到目标被其反射到达雷达的传播时间（（Rt+Rr）/c），ωid是目标产生的多普勒频差，φif1是反射中频信号初始相位。

3 系统仿真

本文的研究是基于导航卫星信号的外辐射源雷达系统，是利用GPS信号作为辐射源，接收机由接收导航卫星直达波信号和接收卫星散射信号的两个通道组成，直达通道的天线指向卫星，回波通道的天线倾斜指向目标，用于获取目标的回波信号，将接收到的直达波信号与目标回波信号进行二维相关处理，从而实现对目标的判别和两路信号的时延差及多普勒测量[2]。由发射站、接收站和运动目标构成的系统双基地雷达平面的几何结构图如图3所示。

图3 基于GPS导航卫星外辐射源雷达系统几何结构图Fig.3 Structure geometry of bistatic radar system based on GPS illumination

通过参考通道得到导航卫星的信息对回波信号进行码分离得到四路导航卫星照射目标的反射信号，然后对调制数据信号进行去除，同时保证相干。扩频码对多普勒频率比较敏感，所以以第一路信号作为参考进行多普勒以及时延补偿，矫正多普勒失配问题，之后在进行脉冲压缩。然后将四个通道信号非相干积累，从而提高回波信号的信噪比。

图4 1#通道匹配滤波输出Fig.4 The output of 1#Channel matched filter

图5 4#通道匹配滤波输出Fig.5 The output of 4#Channel matched filter output

图6 多通道积累输出Fig.6 Accumulation of multi-channel output

仿真参数选择：导航卫星的1#，2#，3#，4#星作为仿真对象辐射源，选取1 ms的回波数据，L=20 000 km进行仿真。假设在同某一时刻导航卫星的坐标是已知的，接收机坐标也是已知的，目标处于探测的同一距离单元内，通过各卫星之间的几何关系计算出相对时延[3-5]，对其他三路信号进行补偿。选择信号的接收时的信噪比为-14 dB，通过上述系统得到以下仿真结果，通过对仿真结果进行分析比较，多通道的虚警概率有明细改善，信噪比也有显著提高。

4 结 论

文中结合以导航卫星信号为照射源的无源雷达的特点，采用多发单收的多通道信号处理方式，相对于传统的单发单收的无源雷达有明显的改善，相对于MIMO来说系统构造简单信号处理方便。随着各国导航事业的发展，GPS等导航系统成功运行，所以利用多颗导航卫星和多部地面接收机组成雷达网，可建立一个反隐身目标的屏障。

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