CN109375240B - 一种基于gnss前向散射特性的低空目标探测***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测***及方法，包括GNSS全向天线、数字中频处理模块、数据量化模块、时基模块、ARM模块，所述ARM模块由GNSS卫星信号捕获处理模块、GNSS卫星信号跟踪处理模块、均值滤波器模块、目标峰值检测模块和目标预警模块组成。当目标经过有效探测区域内时，该装置通过实时接收、处理GNSS卫星信号，检测其信号幅度的变化趋势，根据设定的检测阈值，实时判断目标是否出现。由于GNSS具有实时性、全天候等优点，因此可以达到实时、连续、智能全自动的对有效区域内的目标进行探测。

Description

一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测***及方法

技术领域

本发明涉及低空目标探测技术领域，特别是一种基于GNSS前向散射特性 的低空目标探测***及方法。

背景技术

基于GNSS(Global Navigation Satellite System)前向散射特性的目标探测技术具有以下优点：1.***自身不发射电磁波信号，而是利用非合作的GNSS卫 星作为辐射源，不易被敌方感知，具有很强的生存能力和隐蔽性；2.工作性能 优异，可以全天候、昼夜连续工作。3.目标在经过GNSS卫星与基站连线附近 时，其自身的RCS迅速增大，基站接收的GNSS信号也发生明显的变化，比传统 雷达具有很好的反隐身能力；4.由于该技术使用的是GNSS信号，地面基站可 以直接使用成熟的GNSS接收机或数据采集器，降低了***的整体部署难度和成 本。

目前，该领域内的研究方式局限于利用GNSS接收机或中频采集器对数据 进行采集，并在电脑终端对采集数据进行二次开发，不具备目标实时探测的能 力，影响了其在雷达领域的实际应用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测*** 及方法，当目标经过有效探测区域内时，该发明通过实时接收、处理GNSS卫 星信号，检测其信号幅度的变化趋势，根据设定的检测阈值，实时判断目标是 否出现。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测***，包括GNSS全向天线、 数字中频处理模块、数据量化模块、时基模块、ARM模块，所述ARM模块由 GNSS卫星信号捕获处理模块、GNSS卫星信号跟踪处理模块、均值滤波器模块、 目标峰值检测模块和目标预警模块组成，其中：

所述GNSS全向天线，与数字中频处理模块的信号输入端连接，GNSS全向 天线为GNSS多模、全向、高增益天线，用于实时接收探测区域内的GNSS卫 星信号；

所述数字中频处理模块，数字中频处理模块的信号输出端与数据量化模块 的信号输入端连接，用于将GNSS全向天线接收到的GNSS卫星信号进行实时 采集并将GNSS卫星信号转换为中频信号；

所述数据量化模块，数据量化模块的信号输出端与GNSS卫星信号捕获处 理模块的信号输入端连接，用于将数字中频处理模块转换的中频信号转化为2bit 数字中频信号，并将2bit数字中频信号传送给GNSS卫星信号捕获处理模块；

所述时基模块，时基模块的信号输出端与数据量化模块的信号输入端和 GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输入端连接，用于向数据量化模块和GNSS 卫星信号捕获处理模块传输时钟同步信号；

所述GNSS卫星信号捕获处理模块，GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输 出端与GNSS卫星信号跟踪处理模块的信号输入端连接，用于同步接收数据量 化模块传送的2bit数字中频信号；

所述GNSS卫星信号跟踪处理模块，GNSS卫星信号跟踪处理模块的信号输 出端与均值滤波器模块的信号输入端连接，用于接收GNSS卫星信号捕获处理 模块接收到的2bit数字中频信号，提取2bit数字中频信号的跟踪环路的同相和 正交信号，计算卫星信号幅值；

所述均值滤波器模块，均值滤波器模块的信号输出端与目标峰值检测模块 的信号输入端连接，用于对GNSS卫星信号跟踪处理模块计算出的卫星信号幅 值进行均值滤波处理；

所述目标峰值检测模块，目标峰值检测模块的信号输出端与目标预警模块 的信号输入端连接，用于目标幅值检测，并根据设定的目标检测阈值判断是否 出现目标；

所述目标预警模块，用于出现目标时进行预警提示。

一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测方法，使用上述的一种基于 GNSS前向散射特性的低空目标探测***进行目标探测，具体步骤如下：

1)根据图1-2所示，当目标经过探测区域时，GNSS全向天线实时接收卫 星信号，通过数字中频处理模块将卫星信号转换成中频信号，通过数据量化模 块将中频信号转化为2bit数字中频信号，并将量化后的2bit数字中频信号实时 传送给ARM模块中的GNSS卫星信号捕获处理模块与GNSS卫星信号跟踪处理 模块，GNSS卫星信号跟踪处理模块在跟踪环路中，提取即时路的同相和正交信 号，进行卫星信号幅值计算：

其中，Mag为卫星信号幅值，I_P为跟踪环的同相信号，Q_P为跟踪环的正交 信号，I_P和Q_P均从跟踪环路中实时获取；当目标出现时，卫星信号幅值变化示 意图如图3所示；

2)确定均值滤波器模块中的均值Mag_avr：如图3所示，在目标未出现时， 卫星信号幅值较为稳定，假设该段时间共有N个采样点，将第i个采样点的卫 星信号幅值记为Mag_i，则均值Mag_avr表示为：

3)根据图2所示，确定均值Mag_avr后，利用均值滤波器模块对步骤1)中 的卫星信号幅值Mag进行均值滤波处理，均值滤波处理后的卫星信号幅值 Mag_proc表示为：

Mag_proc＝Mag_avr-Mag；

4)根据图2所示，完成步骤3)后，目标峰值检测模块选择邻近5个采样 点的卫星信号幅值进行处理，假设目标经过探测区域时，共有M个采样点，则 目标峰值检测模块处理后的目标信号幅值Mag表示为：

目标峰值检测模块处理后的目标信号幅值共有M-5个；

5)根据步骤4)的处理结果，确定目标检测阈值，记为D_Tres，则目标出现 时的判断标准为：

目标未出现时的判断标准为：

6)根据步骤5)的判断标准，并设定目标检测阈值D_Tres为20，将目标峰值 检测模块处理后的目标信号幅值与目标检测阈值进行比较，当判断有目标出现 时，由目标峰值检测模块向目标预警模块发出控制指令，目标预警模块进行预 警提示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过采用高性能的ARM处理架构，当目标出现在探测区域内时， 可以对GNSS卫星信号进行快速捕获、跟踪，计算GNSS信号幅度，完成对低 空目标的实时监测，具有很好的实用性；

2.当目标出现在探测区域内时，利用本发明对采集的GNSS卫星数据进行实 时处理，不需要对采集数据进行存储，避免了该发明在长期使用过程中产生大 量数据的问题，有更好的实用价值；

3.由于该仪器只接收GNSS卫星信号，***无需大功率发射机，具有结构简 单、尺寸小等特点，而且可以昼夜、全天候、全自动工作。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图。

图2为本发明的数据处理流程图。

图3为目标出现时的GNSS卫星信号变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施 例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本 发明，并不用于限定发明。

本发明包括硬件***设计和低空目标检测算法处理流程，主要是利用GNSS 卫星信号，通过本发明实时采集卫星信号，完成对经过探测区域的低空目标检 测，并在目标出现时进行实时预警。该发明的设计是使用GNSS前向散射特性， 利用目标经过GNSS卫星与地基接收机连线附近时，其自身的雷达散射截面积 迅速增大的原理，对低空目标进行实时探测，弥补了传统雷达在低空目标探测 能力的不足。以下以具体实施方式对本发明的基于GNSS前向散射特性的低空 目标探测***和方法进行详细阐述。

如图1所示，本实施例提供一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测 ***，包括GNSS全向天线、数字中频处理模块、数据量化模块、时基模块、ARM模块，所述ARM模块由GNSS卫星信号捕获处理模块、GNSS卫星信号 跟踪处理模块、均值滤波器模块、目标峰值检测模块和目标预警模块组成，当 然ARM模块还包括用于对其供电的电源，其中：

所述GNSS全向天线，与数字中频处理模块的信号输入端连接，用于实时 接收探测区域内的GNSS卫星信号；由于GNSS具有实时性、全天候等优点， 因此可以达到实时、连续、智能全自动的对有效区域内的目标进行探测；

所述数字中频处理模块，数字中频处理模块的信号输出端与数据量化模块 的信号输入端连接，用于将GNSS全向天线接收到的GNSS卫星信号进行实时 采集并将GNSS卫星信号转换为中频信号；

所述数据量化模块，数据量化模块的信号输出端与GNSS卫星信号捕获处 理模块的信号输入端连接，用于将数字中频处理模块转换的中频信号转化为2bit 数字中频信号，并将2bit数字中频信号传送给GNSS卫星信号捕获处理模块；

所述时基模块，时基模块的信号输出端与数据量化模块的信号输入端和 GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输入端连接，用于向数据量化模块和GNSS 卫星信号捕获处理模块传输时钟同步信号；

所述GNSS卫星信号捕获处理模块，GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输 出端与GNSS卫星信号跟踪处理模块的信号输入端连接，用于同步接收数据量 化模块传送的2bit数字中频信号；

所述GNSS卫星信号跟踪处理模块，GNSS卫星信号跟踪处理模块的信号输 出端与均值滤波器模块的信号输入端连接，用于接收GNSS卫星信号捕获处理 模块接收到的2bit数字中频信号，提取2bit数字中频信号的跟踪环路的同相和 正交信号，计算卫星信号幅值；

所述均值滤波器模块，均值滤波器模块的信号输出端与目标峰值检测模块 的信号输入端连接，用于对GNSS卫星信号跟踪处理模块计算出的卫星信号幅 值进行均值滤波处理；

所述目标峰值检测模块，目标峰值检测模块的信号输出端与目标预警模块 的信号输入端连接，用于目标幅值检测，并根据设定的目标检测阈值判断是否 出现目标；

所述目标预警模块，用于出现目标时进行预警提示。

另外，本实施例还提供一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测方法， 使用上述一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测***进行目标探测，具 体步骤如下：

1)当目标经过探测区域时，GNSS全向天线实时接收卫星信号，通过数字 中频处理模块将卫星信号转换成中频信号，通过数据量化模块将中频信号转化 为2bit数字中频信号，并将量化后的2bit数字中频信号实时传送给ARM模块中 的GNSS卫星信号捕获处理模块与GNSS卫星信号跟踪处理模块，GNSS卫星 信号跟踪处理模块在跟踪环路中，提取即时路的同相和正交信号，进行卫星信 号幅值计算：

其中，Mag为卫星信号幅值，I_P为跟踪环的同相信号，Q_P为跟踪环的正交 信号，I_P和Q_P均从跟踪环路中实时获取；

2)确定均值滤波器模块中的均值Mag_avr：在目标未出现时，卫星信号幅值 较为稳定，假设该段时间共有N个采样点，将第i个采样点的卫星信号幅值记 为Mag_i，则均值Mag_avr表示为：

3)确定均值Mag_avr后，利用均值滤波器模块对步骤1)中的卫星信号幅值 Mag进行均值滤波处理，均值滤波处理后的卫星信号幅值Mag_proc表示为：

Mag_proc＝Mag_avr-Mag；

4)完成步骤3)后，目标峰值检测模块选择邻近5个采样点的卫星信号幅 值进行处理，假设目标经过探测区域时，共有M个采样点，则目标峰值检测模 块处理后的目标信号幅值Mag表示为：

目标峰值检测模块处理后的目标信号幅值共有M-5个；

5)根据步骤4)的处理结果，确定目标检测阈值，记为D_Tres，则目标出现 时的判断标准为：

目标未出现时的判断标准为：

6)根据步骤5)的判断标准，并设定目标检测阈值D_Tres为20，将目标峰值 检测模块处理后的目标信号幅值与目标检测阈值进行比较，当判断有目标出现 时，即

由目标峰值检测模块向目标预警模块发出控制指令，目标 预警模块进行预警提示。

从技术优势角度看，本发明***自身不发射电磁波信号，而是利用非合作 的GNSS卫星作为辐射源，不易被敌方感知，具有很强的生存能力和隐蔽性； 工作性能优异，可以全天候、昼夜连续工作；目标在经过GNSS卫星与基站连 线附近时，其自身的RCS迅速增大，基站接收的GNSS信号也发生明显的变化， 比传统雷达具有很好的反隐身能力。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术 方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测***，其特征在于，包括GNSS全向天线、数字中频处理模块、数据量化模块、时基模块、ARM模块，所述ARM模块由GNSS卫星信号捕获处理模块、GNSS卫星信号跟踪处理模块、均值滤波器模块、目标峰值检测模块和目标预警模块组成，其中：

所述GNSS全向天线，与数字中频处理模块的信号输入端连接，用于实时接收探测区域内的GNSS卫星信号；

所述数字中频处理模块，数字中频处理模块的信号输出端与数据量化模块的信号输入端连接，用于将GNSS全向天线接收到的GNSS卫星信号进行实时采集并将GNSS卫星信号转换为中频信号；

所述数据量化模块，数据量化模块的信号输出端与GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输入端连接，用于将数字中频处理模块转换的中频信号转化为2bit数字中频信号，并将2bit数字中频信号传送给GNSS卫星信号捕获处理模块；

所述时基模块，时基模块的信号输出端与数据量化模块的信号输入端和GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输入端连接，用于向数据量化模块和GNSS卫星信号捕获处理模块传输时钟同步信号；

所述GNSS卫星信号捕获处理模块，GNSS卫星信号捕获处理模块的信号输出端与GNSS卫星信号跟踪处理模块的信号输入端连接，用于同步接收数据量化模块传送的2bit数字中频信号；

所述GNSS卫星信号跟踪处理模块，GNSS卫星信号跟踪处理模块的信号输出端与均值滤波器模块的信号输入端连接，用于接收GNSS卫星信号捕获处理模块接收到的2bit数字中频信号，提取2bit数字中频信号的跟踪环路的同相和正交信号，计算卫星信号幅值；

所述均值滤波器模块，均值滤波器模块的信号输出端与目标峰值检测模块的信号输入端连接，用于对GNSS卫星信号跟踪处理模块计算出的卫星信号幅值进行均值滤波处理；

所述目标峰值检测模块，目标峰值检测模块的信号输出端与目标预警模块的信号输入端连接，用于目标幅值检测，并根据设定的目标检测阈值判断是否出现目标；

所述目标预警模块，用于出现目标时进行预警提示。

2.一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的一种基于GNSS前向散射特性的低空目标探测***进行目标探测，具体步骤如下：

1)当目标经过探测区域时，GNSS全向天线实时接收卫星信号，通过数字中频处理模块将卫星信号转换成中频信号，通过数据量化模块将中频信号转化为2bit数字中频信号，并将量化后的2bit数字中频信号实时传送给ARM模块中的GNSS卫星信号捕获处理模块与GNSS卫星信号跟踪处理模块，GNSS卫星信号跟踪处理模块在跟踪环路中，提取即时路的同相和正交信号，进行卫星信号幅值计算：

其中，Mag为卫星信号幅值，I_P为跟踪环的同相信号，Q_P为跟踪环的正交信号，I_P和Q_P均从跟踪环路中实时获取；

2)确定均值滤波器模块中的均值Mag_avr：在目标未出现时，卫星信号幅值较为稳定，假设该段时间共有N个采样点，将第i个采样点的卫星信号幅值记为Mag_i，则均值Mag_avr表示为：

3)确定均值Mag_avr后，利用均值滤波器模块对步骤1)中的卫星信号幅值Mag进行均值滤波处理，均值滤波处理后的卫星信号幅值Mag_proc表示为：

Mag_proc＝Mag_avr-Mag；

4)完成步骤3)后，目标峰值检测模块选择邻近5个采样点的卫星信号幅值进行处理，假设目标经过探测区域时，共有M个采样点，则目标峰值检测模块处理后的目标信号幅值Mag表示为：

目标峰值检测模块处理后的目标信号幅值共有M-5个；

5)根据步骤4)的处理结果，确定目标检测阈值，记为D_Tres，则目标出现时的判断标准为：

目标未出现时的判断标准为：

6)根据步骤5)的判断标准，并设定目标检测阈值D_Tres为20，将目标峰值检测模块处理后的目标信号幅值与目标检测阈值进行比较，当判断有目标出现时，由目标峰值检测模块向目标预警模块发出控制指令，目标预警模块进行预警提示。

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