微弱导航卫星反射信号检测技术研究

刘玉军，张行知，赵 萌

(装甲兵工程学院 信息工程系, 北京 100072)



微弱导航卫星反射信号检测技术研究

刘玉军，张行知，赵 萌

(装甲兵工程学院 信息工程系, 北京 100072)

微弱导航卫星反射信号检测技术是利用导航卫星作为照射源，根据导航信号在地面、海面、空中等不同场景下的目标反射特性，通过设计高灵敏探测接收机、导航卫星电文辅助的长时间相干累积算法、相干非相干一体化多模复合累积算法和TBD检测接收算法，可以实现导航卫星经目标物体反射二次信号的有效检测接收。同时，通过该技术的研究，可以评估导航卫星信号用于远距离无源侦察探测的技术可行性。

捷变频；直达波；参数提取；电子侦察

随着电子战技术的发展，传统的单站有源探测系统面临着来自电子干扰、反辐射武器、超低空突防以及隐身技术的威胁和挑战[1]。基于导航卫星信号反射的无源探测定位技术[2-3]将导航卫星作为非协同式辐射源，被动接收目标反射的电磁信号，确定目标物体的位置。导航卫星信号具有全球覆盖、全天候、连续等优势，可以作为海面、空中和陆面环境要素监测的一种理想的辐射源。由于收发分置，接收机静默探测，无源探测定位技术较传统主动辐射电磁脉冲的有源探测定位技术具有抗电子侦察、抗干扰和抗反辐射导弹的能力[3]；同时，由于一般的隐身目标仅在鼻锥方向具有较小的雷达反射截面积(RCS)[4]，而在侧向和顶部的RCS较大，因此，无源探测定位技术可以有效探测隐身目标，具有较强的反隐身探测能力；而且，通过接收机前置可以探测发现地平线以下和超低空目标，具有抵抗低空突防的能力[5]。

GPS反射信号用于目标探测的概念最早出现在上世纪90年代初，学者基于多基地雷达理论开展了基于GPS反射信号的目标探测研究[6-7]。

图1 基于导航卫星信号的无源探测定位原理

1 国内外研究现状

自20世纪末以来，国外一些研究单位先后开展了利用GPS系统进行海洋、冰层、空间的遥感理论研究工作和基于GPS反射信号的无源雷达探测研究工作。利用水体对L波段的强反射性，使用海面反射的GPS信号进行海洋遥感，成为全球海洋遥感的新方法。以GPS系统的无线电信标源作为一个前向散射雷达辐射源进行海洋遥感，通过在卫星、飞机或气球上安装GPS接收机，把直接到达接收机的GPS信号和经海面反射的GPS信号进行相关的数据处理，可以用于反演有效波高、海水盐度[8]、海面风场[9]，以及冰层厚度等。欧空局研究员Martin-Neira于1993年首次提出利用GPS海面反射波作为测距信号进行海浪测高，并且进行了系统的理论描述[6]。

NASA兰利研究中心进行了地基实验，将接收机固定在海岸的建筑物上，利用导航卫星反射信号观测波音737飞机的飞行轨迹，从而验证了GPS反射信号可以被传统的接收机检测并跟踪；但实验结果也表明，传统的接收机难以进行有效的锁相和长时间的跟踪，需要研制特殊的GPS反射信号接收机。Stolk等人描述了一个空基的GPS遥感系统[9]，该系统可用于探测大型海面舰船目标。利用导航卫星反射信号进行海面大型目标探测已经引起了国外学者的注意，在国外的一次机载实验中已经观测到了海面油轮反射的卫星导航信号，且强度强于海面水体本身的反射信号。同时，最近的研究成果也表明，可以利用运动物体反射的GPS信号实现大型目标物体的成像。

除海洋遥感外，GPS在海面上的反射信号还可用于空间遥测。法国Auber教授指出了他们在进行机载飞行实验时，GPS接收机意外发现了GPS海面反射信号。这种信号在常规的测量中通常是作为多路径信号进行剔除的，因为它严重干扰了定位精度，但同时也说明了GPS反射信号是可以被接收并检测的。Katzberg和Garrison提出利用海面前向散射的双频GPS信号来获取海洋上空的电离层延迟，这将有效克服传统卫星高度计在修正电离层延迟误差中的不足[7]。

国内方面，2004年刘立东等研究基于GPS信号反射的无源雷达技术[10-13]，分为天基雷达和天地双基雷达，在目标探测的过程中，对GPS信号经过多普勒补偿后再进行相干累积和非相干累积，获得较大的增益，实现对弱信号的检测。2006年杨进佩等研究GPS反射信号增强技术，采用了高增益定向天线、输出信噪比最大原则下的匹配滤波器、相干累积、非相干累积、直达信号和多径信号相抵消等方法相结合，提高了GPS弱反射信号的接收增益[14-15]。

2 弱信号检测技术

导航卫星信号到达海面和地面的信号仅为-130 dBm，而经海面舰船目标或空中飞行目标反射的二次信号更加微弱，因此，需要解决的难点问题是如何检测接收淹没于强背景噪声的微弱导航卫星反射信号。

GNSS信号采用直接序列扩频，将卫星发射的信号能量分散在一个较宽的频带内，ITU规定在1.525 ～2.5 GHz频带上卫星通信链路的功率通量密度要在-154 dBw/m2以下。由于卫星发射功率有限，以及远距离的空间传输造成的空间衰减，使得接收机接收的GNSS信号被淹没在噪声中，无法直接进行信号功率测量，只能通过相关处理后才能完成捕获和跟踪测量。经过目标物体反射的二次信号与直射信号相比，由于目标物体的反射衰减和二次传输衰减，信号功率更低，只能通过提高接收天线增益和信号积累处理增益来探测接收。

为提高接收导航卫星反射信号的信噪比，除了使用高增益窄波束定向天线外，还需要采用基于扩频码片的相干累积、导航电文信息辅助的长时间相干累加、基于导航电文信息的非相干累加、TBD检测接收、牺牲虚警性能降低检测门限、多个卫星空域信号累积等多种算法复合的方式，以及针对快速移动目标，特别是空中飞行物体，使用多普勒效应，来提高探测定位系统的检测灵敏度和有效作用距离等系统性能。

图2 弱信号检测接收技术处理流程

2.1 长时间相干累积算法

加长信号相干累积时间可以提高接收反射信号的信噪比，提高信号捕获和跟踪的灵敏度，然而，接收机相干累积时间主要受到导航电文数据比特宽度、目标物体的运动状态和接收机晶体振荡器频率漂移3方面因素的限制。

以GPS导航信号为例，20 ms的导航电文数据比特宽度，限制了在通常情况下有效的相干累积时间最长为10 ms。如果接收机通过其他途径获知或预测下一个数据比特是否相对于当前比特发生了跳变，那么在对当前比特进行了相干累积后，接收机还可以将相干累积时间扩展到下一个bit，从而使相干累积时间增大一倍。具体操作时若下一个数据bit相对于当前bit未发生跳变，则在下一个数据bit期间的相干累积结果可以直接加到当前bit对应的相干累积结果中；相反，若下一个数据bit发生了跳变，则这两个20 ms相干累积结果需要相减才能得到40 ms时长的相干累积结果。

由于接收机可以同时接收到导航卫星的直达信号和经目标物体反射的二次信号，可以使用实时接收到的导航卫星直达数据码信号，而非本地生成的数据码与卫星反射信号相干处理，可以剥离数据信息，消除数据比特跳变引起相干积分时间不大于数据bit长度0.5倍的限制，增加导航卫星信号的相干积分时间，提高导航卫星反射信号检测接收的灵敏度。

即使接收机可以通过直达卫星导航信号通道准确的获取每个导航电文的数据比特，相干累积也不能无限长时间地进行，因为除了数据比特宽度的限制，目标物体的运动状态和接收机晶体振荡器频率漂移也会限制相干累积的最大时长。

在引起接收信号多普勒频移的相对运动中，卫星轨道运动可以根据其星历准确的计算出来，接收机的运动也是可以实时获取的，而目标物体的运动状态则无法预测。由于导航卫星移动引起的最大多普勒频率变化率为0.93 Hz/s，即在Ts内多普勒频移最大为0.93×THz。如果本地振荡器的运行频率在一个相干累积时间内保持不变，接收机可以利用导航卫星星历准确地计算出各个时刻卫星运动引起的多普勒频移，然后在相干累积时间内，根据多普勒频率变化量实时调整本地载波的输出频率，可以有效降低卫星运动对相干累积的影响。同时，可以根据目标物体的先验运动状态和速度范围，调整本地载波的输出频率进行相干累积，并根据搜索匹配结果实时调整本地载波的输出频率，降低目标物体运动状态对相干累积时间长度的限制。

最后，接收机晶体振荡频率的短期稳定度和频率漂移也严格限制了相干累积的时间长度，因此，应选取稳定度极高的晶体振荡源，并使用GPS驯服等手段，提高本地输出频率的准确度和稳定度。

2.2 相干非相干一体化多模复合累积算法

除了增加导航卫星信号相干积累时间，还可以通过加长非相干累积时间来提高接收机信号捕获和跟踪的灵敏度。由于非相干累积时间既不受导航电文数据跳变的影响，又不受频率误差的影响，在理论上可以进行一个无限长时间的非相干累积。然而，由于非相干累积存在平方损耗，降低了信号检测的有效增益，甚至可能带来捕获响应时间过长的缺点，降低系统的响应时效性指标。

除了针对单颗导航卫星信号的相干/非相干累积，还可以使用多颗导航卫星的累积捕获结果进行二次非相干累积，也可以使用多个接收机捕获跟踪卫星反射信号，并将捕获跟踪结果结合接收机的空间分布再次累积，进行导航电文辅助C/A码长时间相干累积、最佳时长非相干累积、多颗定位卫星捕获结果非相干累积、多个接收机捕获结果非相干累积等一体化多模复合累积，提高探测定位系统的检测接收灵敏度和有效作用距离等系统性能。

图3 一体化多模复合累积原理

2.3 TBD检测接收算法

信息处理层采用检测前跟踪(TBD)算法。传统的先检测后跟踪(DBT)算法很难保证导航卫星反射信号这种微弱信号的可靠检测和跟踪，检测前跟踪(TBD)算法在不改变现有系统的前提下，通过联合处理多帧原始数据积累能量，实现对目标的检测并恢复航迹，是微弱目标检测和跟踪的有效方法。

图4 TBD检测算法原理

由于TBD算法对单帧数据没有设置门限或只设置很低的门限，因此它能够最大限度的保留目标的信息，不仅包含坐标信息，还包含幅度信息和相位信息，不会出现传统DBT算法中目标信号丢失的问题。帧与帧之间没有复杂的点迹关联，而是利用目标在帧间的运动相关性来抑制杂波，积累目标能量，因此，TBD算法的杂波抑制能力更强，信噪比改善更明显。TBD算法在信号处理的最末端对多帧积累后的积累函数进行检测判决，一旦报告有目标存在，将同时给出目标的航迹。相比于DBT算法，TBD算法完成的是对目标航迹级的检测，能更大程度地减少虚假航迹。因此，TBD算法能大幅改善对微弱目标的检测跟踪性能。

TBD算法联合处理多帧原始数据，可分为多帧间非相参积累和多帧间相参积累两种。本方案拟采取多帧相参积累方法。为了能同时利用目标在帧与帧之间的幅度信息和相位信息，实现对目标能量的相参积累，多帧相参积累TBD算法不对单帧回波信号进行相参处理，而是将多帧回波信号按发射脉冲的顺序依次存储，以保留回波信号相位的相参性，然后对多帧相位具有相参性的目标回波信号采用相参TBD算法进行相参处理，积累目标能量，实现多帧之间相参积累。

2.4 并行关器接收算法

接收端要经过解扩、解调才能得到GNSS信号的，完成解调、解扩工作的是相关器。经典的导航卫星信号接收机仅配备少量相关器，用来搜索整个三维搜索范围空间。为获得一个比较合理的搜索时间，接收机在每个搜索区域内驻留的时间不能太长，否则接收机会没有时间和机会去搜索其余的三维搜索区域。而较短的驻留时间会限制接收机的累积时间长度，降低接收机的捕获跟踪灵敏度。

为了在提高接收机捕获跟踪灵敏度的同时还能保证信号捕获速度，需要配置数量足够多的相关器硬件，设计新型的并行相关器接收机，使得在增加对每个搜索区域驻留时间的同时，并行搜索多个导航卫星信号的多个搜索区域。

GNSS的相关算法计算量大，如GPS接收机相关器的通道数通常为12通道，对处理速度已经有较高的要求。但增加相关器硬件数量后将进一步增大相关算法的计算量和计算难度。为提升接收机的运算速度，适应大块并行相关器接收机的运算需求，可以使用运算能力更强的GPU承载GNSS相关器算法，或采取并行能力强的高速FPGA承载相关器算法。

3 结束语

基于导航卫星信号的探测定位技术是双多基地雷达在无源探测定位领域的一个特殊应用。该技术可利用北斗、GPS、Galileo、Glonass等导航卫星作为发射机，使用分布在不同位置的单个或多个接收机接收导航卫星广播的定位信号和经目标物体反射的二次信号，实现海面舰船目标或空中飞行目标的无源探测定位，具有反隐身、抗干扰、全天候、全覆盖等优势。可以安装在地面、车载、舰载、机载、星载等多种平台，探测定位低小慢目标、隐身飞机、巡飞弹、巡航弹等威胁目标；可以应用于领海、领空、洞窟以及地面要地的区域预警和末端防御，也可通过战区网络互连和信息共享，用于国土监测防卫和国土安全领域；可以与北斗地基增强网络复合，实现国土安全防空和复杂电磁环境监控。

[1] 齐大志,马亚涛.一种无源定位系统时差测量方法[J].电子科技,2014,27(2):1-4.

[2] 邱汇.单站无源定位技术研究[J].电子科技,2014,27(1):1-5.

[3] 朱庆明,吴曼青.一种新型无源探测与跟踪雷达系统-“沉默哨兵”[J].现代电子,2000,70(1):1-4.

[4] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[5] 向敬成.张明友.雷达系统[M].北京:电子工业出版社,2001.

[6] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.

[7] 宋成.辅助型GPS定位系统关键技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2009.

[8] Martin Neira M.A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): application to ocean altimetry[J].Esa Journal,1993,17(4):331-355.

[9] Lin B,Katzberg S J,Garrison J L,et al.Relationship between GPS signals reflected from sea surfaces and surface winds: modeling results and comparisons with aircraft measurements[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres,1999,1042(C9):20713-20728.

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[12] Stolk K,Brown A.Bistatic sensing with reflected GPS signals observed with a digital beam-steered antenna array[J].Ion GPS,2001(4):96-101.

[13] 袁伟明,刘立东,吴顺君,等.一种新的基于GPS照射源的天基雷达信号处理算法[J].电波科学学报,2004,19(2):219-222.

[14] 刘立东,袁伟明,吴顺君,等.基于GPS照射源的天地双基地雷达探测系统[J].电波科学学报,2004,19(1):109-113.

[15] 杨进佩,刘中,朱晓华.GPS卫星反射信号增强技术研究[J].海洋湖沼通报,2006(3):13-20.

Study on Detecting Weak Reflection of Navigating Satellite Signal

LIU Yujun，ZHANG Xingzhi，ZHAO Meng

(Department of Information Engineering,Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072,China)

Consider navigating satellite as source of irradiate, to make use of reflection of navigating signal in detecting objects on ground, sea surface and in the space, detecting technology used in receiving weak reflection of navigating satellite signal is studied in this paper. Including design of high sensitive detection radio receiver, development of long time coherent signal accumulation algorithm aided by navigating satellite message, integrated coherent/incoherent multimode signal accumulation algorithm and TBD algorithm, this detecting technology implemented an effective method in receiving weak reflection of navigating satellite signal(such as Beidou Satellite, GPS, GALILEO, GLONASS) from detection targets. Besides, the feasibility of using navigation signal in long distance passive detection will be assessed through the research of the technology.

detection of weak signal;signal of navigation satellite;signal accumulation

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.011

2016- 10- 14

刘玉军(1966-)，男，博士，教授，博士生导师。研究方向：电磁频谱感知。

TN97

A

1007-7820(2016)12-037-04