CN106507955B - 基于伪码扩频的两级分布式协同源定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于伪码扩频的两级分布式协同源定位方法，涉及雷达探测技术，吸取分布式系统、计算机网络系统的优点，将系统的定位搜索捕获和定位跟踪功能分别实现，降低了技术实现难度。提出一种利用协同式伪码扩频信号，构建分布式探测系统实现对空中、地面和海面目标进行远距离、高精度探测的方法和技术。本发明不仅有别于目前国内外已研发的利用地面电视台、广播电台以及移动通信基站的非协同信号实施空中目标探测的系统和方法，也有别于利用目标携带的辐射源实现探测的无源定位系统。能在大区域内实现对隐身飞机、巡航导弹、超低空飞机等非常规与常规目标的可靠探测，极具军事价值。

Description

基于伪码扩频的两级分布式协同源定位方法

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，属于空中目标的无源探测与定位技术。

背景技术

随着现代军事技术的发展，新概念进攻性兵器特别是隐身飞机、电子干扰、反辐射导弹、超低空突袭的出现，构成了传统雷达的四大威胁，给构筑在有源雷达基础上的传统防空体系带来了极大挑战，迫使被誉为“现代战争的千里眼”的雷达系统必须在理论上、技术上乃至体制上做出变革。随着电子技术和电磁理论的发展与成熟，雷达专家提出了许多“四抗”措施，出现了一批不同应用背景的雷达技术和系统，例如频率捷变雷达、双(多)基地雷达、机动雷达、无源雷达等。

无源雷达系统自身不发射电磁信号，依靠接收为其他目的而发射的电波信号，实现雷达隐身的目的，可以应对上述几乎所有的威胁。根据无源雷达定位利用的信号类型的不同，无源雷达又可分为辐射型和反射型无源雷达。辐射型无源雷达因目标辐射信号较强，不受目标RCS(雷达散射面积)消减的影响，探测距离较远，但当目标采取无线电静默，不发射信号时，这种无源雷达就会失去效能；反射型无源雷达采用目标反射的其他信号源辐射的电波实现对目标的定位与跟踪，因为反射信号的强度一般很弱，需要较高的接收机灵敏度，探测距离较短，对隐身目标和隐藏在地杂波中的低空超、低空目标的探测距离则更近。所有上述两种无源雷达都存在一个共同的缺点，就是接收的信号不是专门为雷达定位而设计的测距码，有时甚至只能使用信号中的某一分量实现定位，定位精度不高。另外无源雷达采用宽频带、宽波束天线接收信号，天线增益低，信噪比低，对系统灵敏度要求高，同时仍然存在有源雷达存在的盲区问题。

双/多基地雷达将发射站和接收站分置，具有一定的抗干扰能力，可以保护接收站不被摧毁，具有一些优点，但由于发射站在警戒中始终发射信号，因此容易被侦察、定位和摧毁，而一旦发射站被摧毁，整个雷达系统就失去了作用。

科学的发展使分工越来越细，同时多学科的融合交叉也正蓬勃发展，其他领域的研究成果可以用来解决本学科的难题。对于雷达面临的问题是否也可以从其他学科那里找到解决方案呢？我们融合了计算机领域网络技术、控制领域的分布式系统、通信领域的伪码扩频技术等已有成熟技术，并对这些技术加以改造和融合，提出了一种新型的两级分布式协同定位方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种能弥补现有主动雷达缺点、从原理上提高探测定位系统的抗干扰、反侦察、抗摧毁、高精度性能的新型两级分布式协同定位方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于伪码扩频的两级分布式协同源定位方法，其搜索捕获与定位跟踪功能分开实现；其中，包括步骤：

a)组建系统：系统包括：搜索捕获级，含具有信号无源探测和通信能力的多个作用距离5～10公里的传感探测站；定位跟踪级，含伪码扩频发射站、数据处理中心站、接收天线子系统；

b)多个传感探测站根据防御需要布置一到两层防御探测圈，探测范围具有重叠区域和纵深覆盖，不间断无缝探测从该探测站探测区域通过的空中目标；

c)其中，探测站、发射源、接收天线分散布置，通过有线或微波定向方式与数据处理中心站通信；定位跟踪级采用多个含伪码扩频发射站、多个接收天线子系统；

d)采用多个协同式发射机发射伪码扩频信号；

e)含伪码扩频发射站采用天线阵提高发射增益，增大系统作用距离，其波束的方位角采用机械扫描方式，波束俯仰角覆盖采用数字移相电子扫描方式，阵列各天线接收的信号通过数字波束形成器产生多波束，以应对多目标跟踪探测要求，跟踪定位子系统与伪码扩频发射站协同工作，采用多个接收天线子系统接收目标散射或反射的该伪码扩频信号，探测数据经过预处理后通过有线链路传往数据处理中心站；

f)数据处理中心站对传感探测站传来的探测信息进行数据融合，提取目标粗略方位并控制发射站指向目标，发射协同扩频探测码，同时启动定位跟踪级采用波束扫描探测反射信号；

g)解扩后提取目标到达各个接收站的相位差，换算为目标到达各接收站的距离差，列写并求解定位方程，实现对目标的定位；

h)在数据处理站完成目标的定位、测速计算，并描绘目标航迹，控制发射系统和跟踪系统实现对目标的跟踪定位。

所述的方法，其所述传感探测站，采用微波、光电、红外实现形式，具有宽带信号无源探测和后向通信能力，采用接收全向接收天线，以检测周围移动广播、通信、电视信号，传感探测站具有自组网能力，相邻3-4个探测站构成一个定位节点，能确定从传感探测站工作区域经过的目标的粗略方位；后向通信与数据处理中心站通信，采用无线定向通信，或采用有线地面网络通信。

所述的方法，其所述传感探测站，可以超出第二级发射站和接收站的作用范围，其目的是使无源定位系统在目标到达作用区域之前获得信息，预先调整发射站和接收站天线指向目标来向，增大预警时间。

所述的方法，其所述采用多个发射站、多个接收站模式，采用的信号发射站和接收站天线具有指向调整能力，由数据处理中心站根据传感探测站传回的目标粗定向数据控制多发射站和多接收站协同调整，在粗定向探测站确定的区域内进行搜索扫描，天线的方位扫描采用机械驱动，俯仰扫描采用波束指向控制器进行电扫描实现对指定空域的目标进行搜索。

所述的方法，其所述发射站，发射的伪码扩频信号的码长超过2倍定位系统的最大作用距离，因此在作用距离内不存在定位模糊，每个发射站发射的伪码扩频信号随机变化，通过地面网络传给接收站，实现匹配解扩。

所述的方法，其所述传感探测站、协同源接收站只对数据作预处理，所有数据打包后发往数据处理中心站，在数据处理中心站完成数据处理、定位解算、信号发射码的形成和接收站的扫描控制功能，数据处理中心站还作为系统通信中枢，担负定位信息输出的作用。

所述的方法，其所述发射站，平时并不发射搜索信号，只在传感探测站探测到有外来目标侵袭时，才调整天线指向，发射伪码扩频信号。

所述的方法，其所述多个发射站，为≥4个；多个接收站，为4～10个。

所述的系统，其组成搜索捕获级的多个传感探测站，为10～100个，根据防御区域大小配置，配置原则为实现对防御区域的无缝覆盖；每个伪码信号发射站配有至少4个接收站组成一个跟踪定位单元，接收站注重接收目标的测向散射信号，提高捕获概率。

所述的方法，所利用的信号频率为L，S，C，X，ku，ka多种频段的信号。

本发明方法所使用的探测定位系统与其他雷达相比，具有很多突出的优点，择要分述如下：

(1)、系统作用距离大，传感探测器布置在警戒区域外围，采用无源接收模式，用来探测临近区域穿过的目标，作用距离为5～10公里，对探测器的接收灵敏度要求不高。从发现目标的角度来讲不受地球曲率限制，起到远程预警的作用；

(2)、系统发射站平时不发射信号，只在有传感探测站发现目标侵袭时才发射伪码扩频信号，接收站天线接收目标散射或反射的伪码扩频信号，在本地解扩获得信号因目标反射造成的相位延迟，由于所采用的扩频码长度设计为超过2倍最大作用距离，不存在测距模糊。

(3)、伪码扩频信号具有良好的相关特性，通过扩频把发射信号频带展宽，有助于降低发射信号的功率谱密度，降低被侦察的概率，在接收端解扩，又可以将干扰信号频带展宽，提高系统信噪比。通过收发分置设计，可将发射信号的发射站置于防御纵深，而无源接收的接收站则尽量前置，使系统有了更好的抗干扰和抗摧毁能力。

(4)、由于现代飞机导弹大都进行了减小后向RCS的设计，但其侧面RCS则较大，因此在接收站布局时考虑可以采用前向照射侧面接收或侧面照射侧面接收的方法，提高探测概率和作用距离。

(5)、采用协同发射的伪码扩频信号作为测距码，可以通过提高码速率提高系统的定位精度，同时展宽伪码扩频信号的频带有助于提高信号的发射功率，解决了测距精度和作用距离的矛盾。

(6)、由于接收站通过直射信号解扩反射信号，求取相位差的方法实现定位，对接收、发射天线的波束要求不高，因此可以采用具有较大的天线波束，有利于实现对多目标的捕获和跟踪。

附图说明

图1本发明的两级分布式协同定位系统的系统布局图；

其中：

▲为伪随机信号发射站；

○为协同定位系统的防御区域范围；

为传感探测站的作用区域；

为跟踪搜索级的作用范围；

为目标散射信号接收站；

为数据处理中心站；

为重要防御目标。

图2本发明的一发多收协同定位原理图；

图3本发明的多发一收协同定位原理图；

图4本发明的测距码捕获设计方框图。

具体实施方式

所述的协同定位系统具有多个组成部分，探测设备需要在地域上分开布置，因此存在系统布局问题，需要对测距码格式，跟踪定位方式进行设计。

1、系统布局设计

由于本系统采取分布式协同定位方式工作，存在传感探测站、发射站、接收站的布局优化问题，优化的指标为实现对探测区域的无缝覆盖，并对进入探测区域的目标具有连续可靠的跟踪定位能力。

基于上述指标的要求，为本系统设计了一种布局如附图1所示，布局设计的考虑如下：

(1)传感探测站在系统作用区域外围布置，探测站的数量可以根据防御区域的需要灵活配置，相邻探测站的作用区域保持20％～30％的重叠，以便在有目标穿越防御区域时，可以有1～2个探测站探测到目标，从而数据处理中心站可以根据探测站发回的信息确定目标的粗略方位，从而可以调用相应区域的发射站和接收站实现对该目标的探测。

(2)发射站设在定位系统作用区域的内层，每个发射站配有4个以上接收站，接收站的布局考虑如下：一方面基线尽量拉长，达到10～20公里，以减小定位系统对目标定位的GDOP(几何精度因子)，提高对目标的定位精度，另一方面考虑到现代空中目标一般进行了隐身设计，其后向散射面积大大衰减，但侧向乃至前向的散射面积较大，因此接收站的布局着重于接收目标的侧向和前向散射信号，可以提高探测概率，增大探测系统的作用距离。

(3)中心数据处理站位于整个定位系统的中心，通过地面光纤网络连接传感探测站、协同定位接收站、发射站，接收传感探测站、协同定位接收站的数据并控制发射站的信号辐射方向和协同定位接收站的接收指向。中心数据处理站产生伪码扩频测距码，并控制发射站定向发射。目标反射信号在协同定位站与本地码相关解扩，得到相位信息，数据处理中心站融合这些相位信息，解算定位方程，可以实现对目标的定位与跟踪。

2、测距码设计与捕获方式

本系统采用伪码扩频信号设计测距码，主要考虑到伪码扩频技术通过扩频可以将信号能量分布到很宽的频带上，信号的功率谱密度很低，可以深埋于噪声基底下，隐蔽性好。测距码采用伪随机码调制信号，其相关函数具有δ函数特性，即信号码和解调码必须相同，完全对齐后才能正确解扩，相关输出峰最高，不易侦察和干扰。同时，采用较高的伪码速率调制测距码，可以提高距离分辨率。

由于本系统只需要获得信号到达各站时间差就可以实现对目标的定位，因此在扩频时可以直接发送伪随机码序列，码周期长度超过雷达最大作用距离的2倍，在接收站一方面接收从发射站发来的伪随机码序列经过延迟校正扣除通信链路延迟时间，作为本地相关码，同时接收站天线接收目标反射信号，通过相关器对本地相关码和捕获的一段测距信号进行移位相关，当相关器输出最大时本地码与测距码对齐，根据移位长度可以获得定位方程中的延迟时间。

从防止信号被侦察的角度来讲，测距码必须是变化的，由于本系统采用协同定位方式，因此发射站发射的码序列及其变化规律已知，测距码包括一段周期较短的伪随机码帮助实现时间同步和测距码捕获。

发射站的伪码序列由两组移位寄存器组成，其中一组产生测距码，另一组产生同步码，两组寄存器的抽头通过伪码产生器连接到反馈网络，伪码产生器控制抽头的通断方式，可以改变伪码序列，两组移位寄存器的输出端通过数控选择开关输出到发射机。

在接收端接收到的目标散射信号是调制了目标信息的伪码信号，由于空中目标的运动使散射信号上叠加了目标产生的多普勒频移，如果目标速度较快，产生多普勒频移过大，就会降低信号与本地码信号的相关性，因此需要首先进行多普勒校正，考虑到在载波与码序列上均产生多普勒频移，两者的多普勒频移有如下关系：

其中f_d1为目标速度在载波上产生的多普勒频移；

f_d2为目标速度在测距码上产生的多普勒频移；

载波频率和码速率已知，因此可以先求出载波的多普勒频移，换算到测距码上附加的多普勒频移，对测距码进行多普勒校正，提高相关性。

3、定位方程

本系统对目标的协同定位可以采用一发多收或多发一收方式，分别见附图2、附图3所示，其中的发射站和接收站的地理坐标和相对位置已经事先精确标定，发射站到各接收站间的信号传输时延在系统初始化时可以通过双向比对等方法预先测出，作为系统参数保存于数据处理中心站的数据库中备用，两种定位方式的定位方程基本相同，只是在多发一收方式下，已知坐标采用四个发射站的坐标，方程列写如下：

一发多收定位方式主要应用于目标刚进入警戒区域之初，而多发一收方式则用于目标深入防护区域内部时，此时为确保对目标的可靠探测和跟踪，采用多个发射站发射伪码信号，接收站则采用并行方式同时接收目标反射的各伪码信号，优选出具有较小GDOP的四个发射站解算目标位置。

从节能的角度来讲，一发多收方式消耗能量较小，接收系统容易设计，比较适合大范围布置。多发一收方式的各发射站发射不同的伪随机测距扩频码，从多个角度照射目标，有利于接收站可靠地跟踪目标，适于在防御区域内层部署。

4、跟踪方式

由于空中目标一般速度较高，需要定位系统具有较高的跟踪速度，并设计具有可靠稳定的跟踪算法，对于本系统，传感探测站一般布置在防御区域外围，单个探测站的工作区域仅为5～10公里，目标很快就能通过该区域，因此必须在目标通过探测站搜索捕获区域时间内实现对目标的锁定和跟踪，并根据锁定信息外推目标的运动参数。另外，收发分置的发射站和接收站实现定位跟踪时也存在空间、时间同步问题，为实现对目标的可靠跟踪，本系统采取以下措施：

首先，采用伪随机码扩频信号，测距码内含同步帧，通过伪随机码较好的相关特性实现较高的时差测量精度，来实现对目标的定位解算，为提高接收站的覆盖范围，在保证作用距离的前提下尽量选用较宽波束，这样可以延长目标在天线波束范围内的通过时间，从而可以获得多个测量点，通过数据拟合获得目标的航迹。

其次，目标跟踪方式采用递进式跟踪，主要根据目标的位置不可能突变，可以根据拟合得到的目标航迹外推目标下一时刻位置，将发射站天线的波束中心指向该外推位置，由于目标对信号的散射，接收站将仍能接收到信号，可以定出该时刻目标的实际位置，并将接收天线波束移至该位置，进而将发射站天线也指向该位置，由于接收站和发射站均采用宽波瓣天线，在上述过程中，目标均在收发天线的主瓣内。

第三，把原航迹拟合所用的最旧数据剔除，而把外推所得的目标位置替换为当前时刻目标的实际位置，得到修正的目标航迹，然后重复第二步的航迹外推和天线指向校正过程。

本发明方法所使用的系统可根据需要灵活配置，一发多收、多发一收或多发多收模式，整个系统根据功能划分为前置传感探测站，伪码扩频发射站、数据处理中心站、通信子系统及其跟踪定位子系统，在数据处理中心站的控制下实现其所有功能。

本发明方法所使用的系统工作方式如下：采用10～100个传感探测站根据防御需要布置一到两层防御探测圈，这些探测站的探测范围具有一定的重叠区域和纵深覆盖，可以不间断无缝探测从该探测站作用空域内通过的空中、地面目标。探测方式为宽带无源接收，探测信号为目标辐射或反射的各种电磁信号，探测信息通过有线通信网络或微波定向通信发往数据处理中心站。数据处理中心站对传感探测站传来的探测信息进行数据融合，提取目标粗略方位并控制发射站指向目标，发射协同扩频探测码，同时启动跟踪定位子系统采用波束扫描探测反射信号。发射站采用天线组阵提高发射增益，其波束的方位角采用机械扫描方式，波束俯仰角覆盖采用电子扫描方式，阵列各天线通过数字波束形成器形成多波束，可以应对多目标跟踪探测要求，跟踪定位子系统与伪码扩频发射站协同工作，采用多站接收目标散射或反射的伪码扩频信号，探测信号通过有线链路传往数据处理中心站，在数据处理站完成目标的定位、测速计算，并描绘目标航迹，控制发射系统和跟踪系统实现对目标的跟踪定位。

本发明方法所使用的探测定位系统将传统定位系统的搜索、捕获、定位、跟踪功能分开实现，采用其他学科领域的成熟技术，实现对目标的远距离、高精度跟踪，在警戒中发射站并不发射信号，采用传感探测站实时无源探测外围空域，一旦发现目标，系统即调整发射站和接收站天线指向该空域并进行扫描，采取协同式伪码扩频信号收发分置，既具有良好的抗干扰能力，对已知信号接收又可以设计良好的匹配接收机，目标跟踪采用递进跟踪方式，并可以引导己方导弹和地面火力打击来犯目标。这种工作方式既不同于目前世界上已研发的利用目标辐射或反射信号探测目标的VERA型无源雷达，也不同于传统的双多基地雷达系统和单基地雷达系统。

本发明方法提出的两级协同探测定位系统采用多个前置的传感探测站实现对目标的粗略定位，利用1个协同工作的发射站和至少4个接收站实现对目标的联合定位。发射站发射预先设计的伪码扩频信号照射目标，接收站则探测目标的散射信号，通过波束扫描锁定目标，同时接收发射站传来的伪码信号作为本地解扩码，对接收到的目标散射信号进行解扩，获得散射信号与本地解扩码之间的相位延迟，根据扩频码的相位延时可以计算出散射信号的延迟时间，从而可以列写定位方程，结合多个接收站(≥4个)接收同一发射站的扩频码，或者一个接收站接收多个发射站(≥4个)的扩频码，可以列出目标的定位方程，实现对目标的定位。

Claims (10)

1.一种基于伪码扩频的两级分布式协同源定位方法，其搜索捕获与定位跟踪功能分开实现；其特征在于，包括步骤：

a)组建系统：系统包括：搜索捕获级，含具有信号无源探测和通信能力的多个作用距离5～10公里的传感探测站；定位跟踪级，含伪码扩频发射站、数据处理中心站、接收天线子系统；

b)多个传感探测站根据防御需要布置一到两层防御探测圈，探测范围具有重叠区域和纵深覆盖，不间断无缝探测从该探测站探测区域通过的空中目标；

c)其中，探测站、发射源、接收天线分散布置，通过有线或微波定向方式与数据处理中心站通信；定位跟踪级采用多个含伪码扩频发射站、多个接收天线子系统；

d)采用多个协同式发射机发射伪码扩频信号；

e)含伪码扩频发射站采用天线阵提高发射增益，增大系统作用距离，其波束的方位角采用机械扫描方式，波束俯仰角覆盖采用数字移相电子扫描方式，阵列各天线接收的信号通过数字波束形成器产生多波束，以应对多目标跟踪探测要求，跟踪定位子系统与伪码扩频发射站协同工作，采用多个接收天线子系统接收目标散射或反射的该伪码扩频信号，探测数据经过预处理后通过有线链路传往数据处理中心站；

f)数据处理中心站对传感探测站传来的探测信息进行数据融合，提取目标粗略方位并控制发射站指向目标，发射协同扩频探测码，同时启动定位跟踪级采用波束扫描探测反射信号；

g)解扩后提取目标到达各个接收站的相位差，换算为目标到达各接收站的距离差，列写并求解定位方程，实现对目标的定位；

h)在数据处理站完成目标的定位、测速计算，并描绘目标航迹，控制发射系统和跟踪系统实现对目标的跟踪定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感探测站，采用微波、光电、红外实现形式，具有宽带信号无源探测和与数据处理中心站通信能力，采用接收全向接收天线，以检测周围移动广播、通信、电视信号，相邻3-4个探测站构成一个定位节点，能确定从传感探测站工作区域经过的目标的粗略方位；与数据处理中心站的通信采用无线定向通信或采用地面有线网络通信。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感探测站，超出第二级发射站和接收站的作用范围，其目的是使无源定位系统在目标到达作用区域之前获得信息，预先将发射站和接收站天线指向目标来向，增大预警时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用多个发射站、多个接收站模式，信号发射站和接收站天线具有指向调整能力，指向调整依据传感探测站传回的目标粗定向数据，由数据处理中心站控制实现多发射站和多接收站的协同调整，在粗定向探测站确定的区域内进行搜索扫描，天线的方位扫描采用机械驱动，俯仰扫描采用波束指向控制器进行电扫描实现对指定空域的目标进行搜索。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射站，发射的伪码扩频信号的码长超过定位系统的最大作用距离，在作用距离内不存在定位模糊，每个发射站发射的伪码扩频信号随机变化，通过地面网络传给接收站，实现匹配解扩。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感探测站、协同源接收站只对数据作预处理，所有数据打包后发往数据处理中心站，在数据处理中心站完成数据处理、定位解算、信号发射码的形成和接收站的扫描控制功能，数据处理中心站还作为系统通信中枢，担负定位信息输出的作用。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射站，平时并不发射搜索信号，只在传感探测站探测到有外来目标侵袭时，才调整天线指向该探测站作用区域，发射伪码扩频信号。

8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述多个发射站为≥4个；多个接收站为4～10个。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，组成搜索捕获级的多个传感探测站，为10～100个，根据防御区域大小配置，配置原则为实现对防御区域的无缝覆盖；每个伪码信号发射站配有至少4个接收站组成一个跟踪定位单元，接收站注重接收目标的测向散射信号，提高捕获概率。

10.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所利用的信号频率为L，S，C，X，ku，ka。