一种基于gnss-r空中飞行目标实时探测装置及探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于空中飞行目标探测技术领域，具体涉及一种基于GNSS-R空中飞行目 标实时探测装置及探测方法。
【背景技术】
[0002] 无源雷达是指本身不发送电磁波信号，利用目标辐射的电磁波信号对目标进行探 测和跟踪的雷达。目标辐射的电磁波信号可能是目标自身发射的信号，也可能是经目标反 射后的第三方电磁信号。与传统雷达技术相比，无源雷达具有反隐身、反低空袭击、抗侦察、 抗干扰等优势，成为雷达研宄的一个重要领域。
[0003] GNSS(Global Navigation Satellite System)全球卫星导航系统发射的信号属 于第三方电磁信号，具有高精度、全天时、全天候的优势，对军事部门、民用部门以及科研部 门有着重要应用。然而，利用GNSS反射信号对空中飞行目标进行探测和识别，在国际上仍 然处于探索阶段。
[0004] 利用GNSS反射信号对目标进行空中飞行目标的探测，需要接收机对GNSS直射信 号和反射信号进行接收和处理。由于信号传播环境的复杂性，使得接收机在接收飞行目标 反射信号的期间，接收到许多无用的干扰反射信号，这些无效信号的接收无疑加大了精确 探测飞行目标的难度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于：基于上述缺陷，本发明提出一种基于GNSS-R (Global Navigation Satellite System-Reflection)空中飞行目标实时探测装置及探测方法。三 个反射信号接收模块和直射信号接收模块分别架设在地面上相应的位置，其余各模块集成 到一个长方体形状的机箱内。整个装置可实现信号实时监测、信号接收处理、空中飞行目标 位置解算和位置数据传输一体化，提供一种信号实时监测方法，控制射频前端信号处理的 开始和结束，大大减少了非目标反射信号的干扰，增加了有效反射信号的接收，使得空中飞 行目标的探测效率更高，准确度更佳。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] 1)本发明是一种基于GNSS-R空中飞行目标实时探测装置，包括机箱，机箱内顺次 连接的是实时监测模块、射频前端、AD译码模块、FPGA信号处理模块和空中飞行目标位置 解算模块。机箱外置三个反射信号接收模块和一个直射信号接收模块，分别架设在地面上 相应的位置，其中，每个反射信号接收模块设置1根左旋天线，直射信号接收模块设置1根 右旋天线，通过数据线连接到机箱外壳专门设置的四个开口处，这些开口另一侧与射频前 端相连。机箱外壳另设有两个开口，一个为电源接口，用以给该装置供电，另一个为数据输 出接口，与用户终端相连，用以实时显示空中飞行目标位置。
[0008] 本发明的核心技术为GNSS-R遥感技术，三个反射信号接收模块和直射信号接收 模块分别架设在地面上相应的位置，其余各模块集成到一个长方体形状的机箱内。整个装 置可实现信号实时监测、信号接收处理、空中飞行目标位置解算和位置数据传输一体化。
[0009] 该直射信号接收模块接收单颗GNSS卫星发射的直射信号，并存储到左旋天线临 时存储单元，三个反射信号接收模块分别接收该卫星经目标反射后的反射信号，并存储到 右旋天线临时存储单元；实时监测模块对空中飞行目标的位置进行判别，当空中飞行目标 均处于三个反射信号接收模块的探测区域内时，启动射频前端，对接收的直射信号和反射 信号进行数据处理，否则，射频前端不进行任何操作，同时释放左旋天线临时存储单元和右 旋天线临时存储单元中的数据，实时监测模块进行下一单位时刻的空中飞行目标的位置判 另IJ;若空中飞行目标均处于三个反射信号接收模块的探测区域内，启动射频前端，对接收到 的三路反射信号和直射信号分别处理成模拟中频信号，并输入到AD译码模块；AD译码模块 将接收到的模拟中频信号进行采样和量化，将其转化为数字中频信号，并输入到FPGA信号 处理模块；FPGA信号处理模块对反射信号和直射信号所对应的数字中频信号进行协同处 理，分别计算出三路反射信号相对于直射信号的时间延迟AtnAtjPAt3，并输入到空中 飞行目标位置解算模块；空中飞行目标位置解算模块对空中飞行目标的位置进行解算，得 出该目标在地心地固坐标系下的位置坐标（Xtl,Ytl,Ztl),并通过数据线将结果传送至用户终 端，实现实时探测。
[0010] 其中，优选方案为：
[0011] 所述机箱外部的三个反射信号接收模块和直射信号接收模块均为集成装置，其内 部所含天线位置固定，不会出现零散掉落的情况。
[0012] 所述机箱为长方体形状，易于放置与搬运，外壳防水且不会对信号造成很大衰减。
[0013] 所述机箱外置模块与机箱可放置在同一外箱内，方便装置不使用时的存放。
[0014] 所述反射信号接收模块内的左旋天线与直射信号接收模块内的右旋天线的安置 方式均为水平放置，天线方向图的轴线垂直于水平面，主瓣最大增益方向朝向天顶。
[0015] 2)本发明一种基于GNSS-R空中飞行目标实时探测装置的探测方法，包括以下步 骤：
[0016] 步骤一，直射信号接收模块接收单颗GNSS卫星发射的直射信号，并存储到左旋天 线临时存储单元，三个反射信号接收模块分别接收该卫星经目标反射后的反射信号，并存 储到右旋天线临时存储单元；
[0017] 步骤二，实时监测模块对空中飞行目标的位置进行判别，当空中飞行目标均处于 三个反射信号接收模块的探测区域内时，启动射频前端，对接收的直射信号和反射信号进 行数据处理，否则，射频前端不进行任何操作，同时释放左旋天线临时存储单元和右旋天线 临时存储单元中的数据，实时监测模块进行下一单位时刻的空中飞行目标的位置判别；
[0018] 步骤三，若空中飞行目标均处于三个反射信号接收模块的探测区域内，启动射频 前端，对接收到的三路反射信号和直射信号分别处理成模拟中频信号；
[0019] 步骤四，AD译码模块将接收到的模拟中频信号进行采样和量化，将其转化为数字 中频信号；
[0020] 步骤五，FPGA信号处理模块对反射信号和直射信号所对应的数字中频信号进行协 同处理，分别计算出三路反射信号相对于直射信号的时间延迟AtnAtjPAt3;
[0021] 步骤六，空中飞行目标位置解算模块对空中飞行目标的位置进行解算，得出该目 标在地心地固坐标系下的位置坐标（XcrYcrZci);
[0022] 步骤七，通过数据线将求得的空中飞行目标的位置坐标（Xtl,Ytl,Ztl)传送至用户终 端。
[0023] 其中，步骤二中所述的"实时监测模块进行下一单位时刻的空中飞行目标的位置 判别"包括以下步骤：
[0024] 第一步，启动外围设备（该外围设备可以为软件，如"百度天眼"软件，也可以为硬 件，市场中已有专门用于获取当前飞行目标信息的硬件设备），从而可获取t时刻空中飞行 目标的经炜度坐标P(LatP，LonP)和高度H;
[0025] 第二步，由经炜度坐标P(LatP，LonP)和高度H，可求得此时目标到探测区域平面 中心的距离d和探测圆区域平面的半径r;
[0026] 第三步，若d>i，则可知飞行目标处于该左旋天线的探测区域外，反之，则飞行目 标处于该左旋天线的探测区域内。
[0027] 需要注意的是，上述步骤仅是判别空中飞行目标是否处于某一根左旋天线探测范 围内。由于本装置中架设有三个反射信号接收模块，故实时监测模块需要同时对此三个反 射信号接收模块进行判别，若飞行目标均处于此三个反射信号接收模块的探测区域内，则 可认为经目标反射的GNSS信号能够被三个反射信号接收模块接收，从而保证输入装置中 的信号有效，以便后续数据处理后的输出结果真实有效。
[0028] 其中，对于每个反射信号接收模块，可设置1~4根左旋天线，从而增加有效信号 的接收率。对于每个反射信号接收模块只需满足目标处于任一左旋天线的探测区域即可认 为目标处于该模块的探测区域。将所有反射信号接收模块接收到有效信号与直射信号进行 后续数据处理，获得若干个目标位置坐标，再对所有结果进行拟合，获得的最佳值作为最终 空中飞行目标的位置坐标。
[0029] 其中，还可通过FPGA多通道专用相关器的多条直射通道完成对不同卫星直射信 号的捕获与跟踪，再对直射通道与反射通道的信号进行协同处理，最终分别计算对应的目 标位置坐标，再对所有结果进行拟合，获得的最佳值作为最终空中飞行目标的位置坐标。
[0030] 以上所述的两种优选方案，均能优化空中飞行目标的位置坐标，从而使得输出结 果更准确，更真实有效。
[0031] 需要说明的是，本发明目的中所述的射频前端、AD译码模块、FPGA信号处理模块 的硬件结构在现有技术中均已公开，属于本领域技术人员公知技术，在此不再赘述。
[0032] 本发明的优点在于：
[0033] (1)该探测装置只需搜索单颗GNSS可见星，对其进行信号接收，易于实现，降低了 发现空中飞行目标的难度。
[0034] (2)该探测装置引入实时探测模块，