专利名称：利用卫星信号探测低空目标的被动雷达探测方法
技术领域：
本发明涉及空间技术领域，属于空间目标被动探测技术。
背景技术：
隐身飞机、电子干扰、反辐射导弹、超低空突袭成为传统雷达的四 大威胁。随着电子技术和电磁理论的发展与成熟，在雷达领域也提出了 许多对抗上述威胁的措施，包括采用特定设计的波形实现低可探测性、 提高雷达的机动性防止反辐射导弹的攻击、采用低仰角雷达制式等。但 对超低空进袭的巡航导弹的探测和预警具有很大局限性，主要是由于超 低空飞行的巡航导弹利用地球曲率的物理限制使雷达的有效探测距离减 小，进而使预警时间縮短。另外，为实现对超低空目标探测而把雷达低 仰角配置时，导弹反射的微弱信号隐藏在地杂波噪声中，很难分辨。其 中最有前途的应对措施是被动雷达，被动雷达系统自身不发射电磁信号， 依靠接收目标发射的信号或环境中为其他目的而发射的电波信号在目标 上的反射，通过信号处理实现对目标的定位，这种制式体现了雷达隐身 的目的，可以应对上述几乎所有的威胁。
根据被动雷达定位利用的信号类型的不同，被动雷达又可分为辐射 型和反射型被动雷达。比较而言，辐射型被动雷达因目标辐射信号较强， 不受目标是否隐身的影响，探测距离较远，但当目标采取无线电静默， 不发射信号时，会使这种被动雷达失去效能；反射型被动雷达采用目标 反射的其他信号源辐射的电波信号实现对特定目标的定位与跟踪，因为 反射信号的强度一般很弱，所以探测距离较近，对雷达散射面积(RCS)大
大衰减的隐身目标和低空超低空飞行的目标的探测距离则更近，也更难。
安置在地面上的被动雷达受到地球曲率的影响，其有效探测距离受 限，对于低空、超低空飞行目标的探测距离则更近，这一点与有源雷达
原理相同，而且不能单纯通过提高探测灵敏度来达到，由于地基雷达的
这一致命缺陷在现代战争中留下了不少典型的战例，在1982年英阿马岛 争夺战争中，当时阿根廷的两架超级军旗战斗机贴海面超低空飞行靠近 英国特混舰队，在近距离发射2枚飞鱼导弹，击沉了英国价值1.5亿美元 的驱逐舰"谢菲尔德"号，给英国以沉重的打击。
在现代战争中，为了对付超低空威胁， 一般把预警雷达配置在飞机 或卫星上，通过预警飞机甚至预警卫星来增大雷达的探测距离，但预警 机由于要发射信号因而也具有被敌方定位和摧毁的可能，同时预警机受 滞空时间的限制，多预警机交替值班也存在交接的空隙，容易被敌人钻 空子，而且技术复杂，成本、运行、维护费用很高，因此一般仅用于战 时的区域增强预警。预警卫星则由于远在太空，信号微弱，所以容易受 到干扰和欺骗，综上所述，采用地面被动雷达架高的办法可以满足对低 空飞机、巡航导弹的探测距离要求，具体实施是将被动雷达装设在山头 或锚定气球上，扩大被动雷达视向探测距离。
理论上被动雷达可以接收各种频段的多类信号，包括目标携带的各 种电子设备辐射的电波、其他辐射源辐射信号，如调频广播、电视、卫 星、地面通信、其他雷达发射的信号等，但是通常要根据设计的功能、 信号的特征做出取舍。调频广播、地面电视和通信台站一般发射水平无 方向波束，受地球曲率影响使覆盖范围较小。当雷达调防到另外一个地 方，相应的广播、电台的信号可能就不具备定位条件了，因此这些信号 不是理想的信号。近年来随着卫星移动通信、导航以及移动广播电视事 业的发展，为了使地面移动终端的天线尽可能小，便于携带，国内外开 始大力发展大功率卫星系统，为被动雷达利用卫星信号实现被动定位提 供了可能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种利用空间卫星对地 的辐射信号对巡航导弹、超低空飞机等低空飞行器进行被动探测和定位 的方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种利用卫星信号
探测低空目标的被动雷达探测方法，包括卫星和地面被动雷达系统，该 系统包括数个探测站和一个数据处理站，相互之间以无线方式或用光纤 传输方式交互通信;其利用高辐射功率卫星的信号和测量码及其在低空
飞行器上反射的信号，由各探测站被动雷达高灵敏度接收，经相关求得 卫星直接辐射信号与经低空飞行器反射的同源信号之间的程差，建立被 动探测方程，联立求解，便得到低空或超低空目标的三维位置坐标。 根据权利要求书所述的方法，其所述卫星，为高辐射功率的移动广
播、通信、电视卫星或导航卫星；由地面上行站向上述卫星注入低速率 的伪码扩频测距信号，更有利于信号识别及捕获，也有利于通过测距码 相关求出信号的到达时间差；若采用非协同卫星信号，可利用国内外移 动广播电视卫星、移动通信卫星信号，实施连续信号波形相关求高精度 程差。
所述的方法，在利用卫星直接辐射信号与低空或超低空飞行器的反 射信号求两者间程差时，为实现对目标的三维位置解算，被动雷达系统 至少应有三个探测站和一个数据处理站组成；全利用低空或超低空飞行 器的反射信号时，被动雷达系统至少应有四个探测站和一个数据处理站 组成，实现目标的被动定位。
所述的方法，其所述探测站，为固定的或移动的，建在高山、升空 气球或预警机上。上行发射站可以是固定站，也可以是移动车载站，有 利于扩大雷达接收低空目标的反射信号的视野。
所述的方法，其所述程差，其测量数据应实施误差修正，主要指修 正做相关计算的两天线至中心处理站的传输时延差，用仪器分别测出各 探测站至处理中心的传输路径时延和接收机时延，也可以采用传输线交 换测量的办法求出两条传输线之间的时延差，记录该时延差，在对目标 进行位置解算时扣除。这样有利于提高目标的定位精度。
所述的方法，其所述卫星信号，其信号频率是L， S， C， X， ku或 ka等多种频段的信号。
所述方法，不仅可以探测低空飞行目标，同样可以用来探测各类高 度上的飞行目标和地面、水面目标，包括卫星、飞机、导弹、军舰、坦 克等。
本发明方法可利用各种卫星信号，但以高辐射功率卫星
(EIRP>70dBw)、特定的宽脉冲、低速率测量码、伪码扩频信号为宜。由 于卫星信号的频率和码型可以事先测知，有利于频率和码信号的捕获与 相关处理。
本发明的被动雷达不同于目前世界上已研发的利用电视台和电台信 号反射的VERA型被动雷达；也不同于英国利用移动通信基站的Celldar
被动雷达。
本发明的被动雷达具有探测区域广、盲区小、能被动远距离探测巡 航导弹、超低空飞机等低空、超低空飞行器的能力，极具军事应用价值。
图l本发明被动雷达系统定位原理示意图(1);
图2本发明被动雷达系统定位原理示意图(2);
图3本发明被动雷达系统定位原理示意图(3);
图4本发明被动雷达系统框图5本发明多站信号时差求取示意图6本发明信号处理流程示意图。
具体实施例方式
卫星信号一般覆盖地域广阔，同一颗卫星发射信号具有同源相干性， 更易于使用在被动雷达多探测站需要同步相关探测的场合。另外，卫星 信号具有覆盖范围大、受地形地物影响小、组网方便等突出优点，可以 作为低空目标探测被动雷达系统的协同源或非协同照射源。信号从目标 上方照射目标，还可以根据被动雷达的部署位置合理选择卫星信号，从 而可以使被动雷达观测目标的雷达角达到较优，此时目标具有较大的 RCS，有利于雷达作用距离的增大。
为了实现对目标反射信号有效的探测距离，除了尽量提高雷达的接 收机灵敏度外，合理选择大功率的卫星信号是一条非常有效的途径。近 年来，随着卫星移动通信的发展，为了降低接收终端的天线口径，不断 有大功率卫星问世。特别是有了移动通信、移动电视的大功率辐射卫星，
包括覆盖我国的Inmarsat—4和亚洲蜂窝卫星Aces和转发式卫星导航系
统CAPS以后，利用具有扩频伪码信号的功率较大卫星信号实现被动定
位有了可能，使这类新型的被动雷达的面世有了条件。下面针对2005年
3月发射的Inmarsat—4海事通信卫星为例，核算一下本发明被动雷达可
能实现的作用距离:
卫星的EIRP为67dBW，处在北半球的我国大部分地区与同步卫星 的斜距R约为40000km(同步卫星距地球赤道表面约为35800km)，设目 标散射面积^为lm2，令目标与雷达的距离为d(待定)，由于d与R相比 很小，中低空目标的飞行高度也在2万米以内，所以近似认为目标与卫 星的距离也为40000km，雷达接收天线采用3米口径抛物面多波束天线，
天线效率η为0.6，单波束的增益G,约为31dB。
计算到达雷达接收机输入端的信号强度
设雷达作用距离d-200km，信号为L波段1.5GHz，则
<formula>see original document page 8</formula> (1)
直射信号功率
<formula>see original document page 8</formula> (2)
由于卫星直射信号比目标反射信号高118dB，可以较容易地把直射
信号接收下来，也可作为相关接收机参考信号，与目标反射通道接收到 的信号取相关，抑制接收机噪声，检测出非常微弱的反射信号，并获得 直射信号与反射信号到达时间差，进而解算目标的空间位置坐标。
雷达相关接收机积分时间取ls，噪声系数取8dB，信噪比SNR取为 0dB，则
<formula>see original document page 8</formula> (3)
由上可见在考虑
了接收机噪声系数和信噪比的前提下，雷达接收机的灵敏度与所要接收 信号的强度相比，有7dB的差距，考察链路计算式(l)，可以通过提高天 线增益到40dB来实现对该信号的接收，这样反推出所需的天线口径
<formula>see original document page 8</formula> (4)
因此由上述理论探讨和分析，釆用8.2m 口径天线就可以实现基于大 功率通信卫星信号的被动雷达探测，有效作用距离将达到200km以上。 若探测距离允许缩短，则接收天线口径也可随之减小。这里SNR取OdB, 主要是考虑卫星直射信号很强，信号特征明显，目标反射的信号可以淹 没在噪声中，由于反射信号与直射信号具有同源相干性，因此可以通过 解扩和相关将反射信号从噪声中提取出来，因此反射信号的强度可以低 于噪声电平，这对实际应用十分有利。
由于地球是一个具有一定曲率的导电球体，对于超低空飞行的目标 而言，被动雷达的探测距离还要受限于雷达接收天线的架设高度和目标 的飞行高度。实际作用距离要根据视距传播公式来决定。
<formula>see original document page 9</formula> (5)
根据上面公式，h1为雷达接收天线架设高度，h2为目标飞行高度，h1, h2单位用米，求得的d单位为公里。由上式可得，被动雷达接收天线架设高度为25米时，对飞行高度为15米的目标的视距探测距离只有36.38 公里，对飞行高度为IOOO米的目标的视距探测距离约为151km，对飞行 高度为20000米的目标，视距探测距离为603km。由上可见，对于低空 目标的探测距离主要受到地球曲率的遮挡作用影响，而提高接收机灵敏 度的影响对低空目标的探测距离由于地球曲率限制而无法增大。目标的 飞行高度我们无法掌控，只能靠增加雷达接收天线架设高度来提高对低 空目标的作用距离，这可以通过将雷达接收天线架设到沿海山顶上来解 决，同样根据式(5)计算，若天线架设高度为200 500米，对飞行高 度为5 30米的超低空目标的视距探测距离为67 114公里。可见提高 雷达接收天线架设高度对增大低空目标探测距离的效果是非常显著的。
系统构成
探测低空目标的被动雷达系统与通常所说的被动雷达系统构成类 似，由四台空间分布的雷达车组成，可有多种布站方式，见附图1、 2、 3，其中O为中心处理站，A、 B、 C为分探测站，各站位置坐标和卫星 位置为已知，目标位置坐标待求。中心处理站装备有两部天线，分别接 收卫星的直射信号和目标的反射信号，如附图1所示；各分探测站天线可以同时接收卫星直射信号和目标反射信号，如附图2所示；也可以通 过特殊设计的天线波束，避开很强的直射信号，只接收目标反射信号， 如附图3所示；各分探测站把接收到的卫星反射信号经过预处理数字化 后，不失真地传到中心处理站，实施相关处理和目标位置坐标的解算。
在中心处理站，相关接收机采用直射信号作为参考信号与探测站接
收的目标反射信号相干积分，获得目标到达各站与到达中心处理站的时
间差，即可列写类似卫星导航方程的被动定位方程组
<formula>see original document page 10</formula>(6)
方程组(6)可以化简如下:
<formula>see original document page 10</formula>(7)
<formula>see original document page 10</formula>(8)
方程组(7)， (8)分别写成对应的用坐标表示的方程组:
<formula>see original document page 10</formula>(9)
<formula>see original document page 11</formula>(10)
式中，Ar,。("4AC)为目标反射信号经/探测站到达中心处理站O 与目标反射信号直接到达中心处理站的时间差，上面各式中的A ， A"。， A^。分别是探测站A,B,C到中心处理站的信号时延，信号由探测站 到达中心处理站的链路可以为无线通信方式，也可以用光纤传输，实际 计算的时延长度为探测站与中心处理站之间的信号传输链路的等效延 时。
求解上面的测量定位方程组便可以得到目标的三维坐标。计算方法 与卫星导航的位置解算方法类似，这里不再赘述。
另一种方法是中心处理站可以求目标反射信号与直射信号到达的时 间差A/。，其他探测站也采用同样的方式分别求得A^， A^， A e，也可以列 出每站直射信号与反射信号的时差方程组，求出目标的位置。
上述所列测量方程求解是三组方程，可以求得目标的三维坐标值x,， ^， z,。当方程个数超过三个以后，可用最小二乘法求解。当仅测目标 反射信号间的时差时，测量方程为(9)式所示。
求解上述方程时，至少应有四个探测站协同工作，列出三个时差测 量方程联立求解，得到目标的三维坐标。当方程多于四组时，为冗余求 解，可以提高目标定位精度。
根据被动雷达要实现的功能，各探测站的结构可以大体划分为附图 4所示的功能模块，在系统和功能设计上分别予以实现。
本发明中的关键技术
(1)高灵敏度接收机和扁平波束定向天线的研制。
经目标反射的卫星辐射信号非常微弱，为了有效接收必须采用高灵 敏度的接收机，同时卫星信号的直射信号会对目标反射信号具有很大的
干扰，因此探测站天线必须设计成对直射信号有一定的遮挡能力，避开 直射信号进入馈源，同时为了保证雷达探测距离，所设计天线要具有一 定的方向性。
(2) 多目标相干信号的分离以及强杂波中微小信号分离。
由于多目标处于同一卫星信号的覆盖之下，是典型的相干信号，同
时，卫星信号在地面、建筑物上均会发生反射，形成地杂波信号，可能
将信号淹没(SMKOdB)，因此为了实现基于同一卫星信号的多目标分 离，除了采用扩频解扩技术以外，还必须设计低信噪比条件下的相干信 号分离技术。
(3) 高精度时差测量系统。
本发明的被动雷达系统建立在时差法定位基础之上，时差测量的精 度直接影响到被动雷达定位的精度，因此必须设计和改进高精度的时差
测量算法。这些可以从新天文导航系统中的时差测量算法(发明专利号
02101392.6)的基础上进一步改进而得到解决。其中要注意的是对程差测 量误差的修正。测量误差主要指要做相关运算的两路接收信号从探测站 天线分别传输至信号处理中心时，传输路径的时延差。可以在系统初始 化时通过交换传输线法测出该误差引起的相位误差，在后端信号处理时 加以相位修正。
(4) 对目标的有效识别。
由于体积相同的目标，在不同的飞行姿态下有着不同的雷达散射面 积(RCS)，有时相差很大，即使对于隐身飞机而言，虽然其正面的散射面 积很小，但是从对于收发分开的雷达而言，从后方和侧面接收时可能散 射面积增加，因此被动雷达需要适应这种剧烈的变化。
信号处理技术
被动雷达的信号处理设计采用了分置但协同工作的4个探测站，接 收机对直射信号和反射信号进行多普勒频移提取和互相关处理。相关处 理是复杂的模糊函数，它是匹配滤波器对卫星信号的时间延迟和多普勒 频移相应综合，匹配公式给出如下
<formula>see original document page 12</formula>
12
其中s(t)为直射信号载波信号的复杂包络，s(t+π)为s(t)经目标反射的 信号，由于路径的延长，反射信号滞后了时间r，π和f分别是滞后时间 和偏移频率参数，它们分别对应于x(r,f)达到峰值时的参数值。基于卫星 信号的被动雷达的信号处理过程如附图5、图6所示
在信号预处理阶段，各探测站对直射信号和反射信号进行数据格式 化、信号矫正、带通滤波和数据均衡，为后续处理做准备。反射信号接 收天线指向目标方向，所遇到主要问题是直射路径分量同时也被反射接 收天线的旁瓣接收进来。反射信号的接收能力很大程度上依赖于接收天 线旁瓣的抑制水平以及传播环境中的多径传输现象。由于直射信号的幅 值高于目标反射信号100分贝，反射信号接收天线的旁瓣泄漏的直射信 号对目标的探测和估计将会产生严重的影响。旁瓣消除技术对直射信号 抑制作用也十分有限，因此还需考虑为天线设计并采用遮蔽罩等技术， 消除接收的反射信号中的直射信号分量。
关于目标探测，如前所述采用模糊函数对时间延迟/多普勒频移进行 联合处理，然后对两个距离存储器的输出进行非协同积分。与目标滞后 时间和多普勒频移对应的可选参数将在积分结果的时间一多普勒平面上 形成一个峰值。其后，结合基线长度可以很容易地计算出目标距离和速 度。
权利要求
1、一种利用卫星信号探测低空目标的被动雷达探测方法，包括卫星、地面被动雷达系统和地面信号上行站；地面被动雷达系统包括数个探测站和一个数据处理站，相互之间以无线方式或用光纤传输方式交互通信；其特征在于，利用卫星的信号和扩频测量码及其在低空飞行器上反射的信号，由各探测站被动雷达高灵敏度接收，经相关求得卫星直接辐射信号与经低空飞行器反射的同源信号之间的程差，建立被动定位方程组，联立求解，即得到低空或超低空目标的三维位置坐标、速度、航迹的技术参数。
2、 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述卫星为移动 广播、通信、电视、导航卫星，由地面信号上行站向这些卫星注入低速 率的伪码扩频信号，作为低空被动雷达系统的协同信号源，这样更有利 于信号的识别及捕获，也有利于通过伪码信号相关求程差；或利用其他 移动电视卫星、移动通信卫星的各类广播通信电视信号，实施同颗卫星 发出的同源信号的波形相关，以求高精度程差。
3、 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，在利用卫星直接 辐射信号与低空或超低空飞行器的反射信号求两者间程差时，被动雷达 系统至少有三个探测站和一个数据处理站；若不利用直接辐射信号，而 全利用低空或超低空飞行器的反射信号时，被动雷达系统至少有四个探 测站和一个数据处理站，以实现目标的被动定位。
4、 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述探测站，为 固定的或移动的，建在高山、升空气球或预警机上，有利于扩大雷达对 低空目标探测时的作用距离。
5、 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述程差，其测 量必须实施误差修正，这样有利于提高对目标的定位精度。
6、 根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述卫星信号， 其信号频率是L， S， C, X， ku或ka多种频段的信号。
7、 根据权利要求书1或2所述的方法，其特征在于，所述卫星， 为辐射大功率信号的移动通信、移动广播、电视卫星，为实现有价值的探测距离，其等效全向辐射功率EIRP〉70dBw。
8、根据权利要求书1， 2， 6所述的方法，其特征在于，其同样能 探测各高度上的空中、地面、水面目标，实施对卫星、飞机、导弹、军 舰、地面车辆的定位。
全文摘要
一种利用卫星信号探测低空目标的被动雷达探测方法，利用协同或非协同的卫星信号探测低空目标，涉及空间技术，包括卫星和地面被动雷达系统，该系统包括数个探测站和一个数据处理站，相互之间以无线方式或用光纤传输方式交互通信；其利用卫星，特别是高辐射功率卫星的信号和扩频测量码及其在低空飞行器上反射的信号，由被动雷达各探测站接收机高灵敏度接收，经相关求得卫星直接辐射信号与经低空飞行器反射的同源信号之间的程差，建立一组被动探测方程，联立求解，便能得到低空或超低空目标的三维位置坐标。本发明方法具有探测区域广、盲区小、能远距离被动探测巡航导弹、超低空飞机等低空、超低空飞行器的能力，极具军事应用价值。
文档编号G01S13/06GK101173985SQ20061011418
公开日2008年5月7日 申请日期2006年11月1日 优先权日2006年11月1日
发明者尚俊娜, 施浒立, 李圣明, 杨朋翠 申请人:中国科学院国家天文台