CN109270557B - 一种基于gnss前向散射特性的多基站目标航向反演方法 - Google Patents

一种基于gnss前向散射特性的多基站目标航向反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法，利用多基站的探测模式，使用GNSS前向散射特性完成对目标航向的监测，解决传统单基站探测模式下，无法对目标航向进行反演的问题；结合GNSS卫星星空图，提取目标经过地面基站探测区域时刻的GNSS卫星的方位角和高度角信息；同时，对各基站接收的GNSS信号进行处理，如果卫星信号发生明显变化，对其进行标记处理；通过计算GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻，判断目标的航向。本发明利用GNSS卫星的实时位置信息可以通过导航电文或相关导航软件进行提取，无需提前建立信号源的数据库，具有方便、准确的优势。

Description

一种基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法
技术领域
本发明涉及目标航向探测技术领域，特别是一种基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法。
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.系统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，降低了系统的整体部署难度和成本。
目前，在该领域的研究中，利用GNSS(Global Navigation Satellite System)前向散射特性已实现对目标的检测、速度反演等。由于该技术的特点，目前大都是在单基站的探测模式中应用，但是在单基站探测模式下，无法对目标航向进行反演，也就无法完成对目标的航向检测。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法，利用多基站的探测模式，使用GNSS前向散射特性完成对目标航向的监测，解决传统单基站探测模式下，无法对目标航向进行反演的问题；结合GNSS卫星星空图，提取目标经过地面基站探测区域时刻的GNSS卫星的方位角和高度角信息；同时，对各基站接收的GNSS信号进行处理，如果卫星信号发生明显变化，对其进行标记处理；通过计算GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻，判断目标的航向。
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前向散射特性的多基站目标航向反演方法，包括以下步骤：
步骤一、在探测区域内布设多个组网的地面基站，对各基站进行标记处理，并提取其位置信息；
步骤二、当目标经过探测区域时，对各基站接收到的GNSS卫星信号进行实时采集，并对各基站采集的GNSS卫星信号数据进行捕获和跟踪处理，对跟踪的卫星进行GNSS卫星信号幅值计算；
步骤三、如果GNSS卫星信号幅值发生明显变化，则判断目标经过了GNSS卫星信号幅值发生明显变化的卫星与采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的连线附近，提取GNSS卫星信号幅值发生明显变化的卫星的编号，并计算目标经过各采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻；
步骤四、结合目标经过各采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻的卫星星空图，提取GNSS卫星信号幅值发生明显变化的卫星的方位角和高度角；根据GNSS前向散射特性目标探测的原理，由采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站判断目标的运动范围；
步骤五、综合各个采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站判断目标的运动范围，得到最终目标的运动范围；假设布设的基站中，有两个或多个基站监测到同一个GNSS卫星信号幅值变化，则选择各基站中该颗卫星的GNSS卫星信号幅值发生明显变化的起始时刻作为判断标准，计算目标的运动方向。
进一步，所述步骤二中，对跟踪的卫星进行GNSS卫星信号幅值计算公式为：
Figure BDA0001853616000000031
其中，MagGNSS为GNSS卫星信号幅值，IP为跟踪环的同相信号，QP为跟踪环的正交信号，IP和QP均从跟踪环路中实时获取。
进一步，所述步骤三中，起始时刻和结束时刻分别记为Tstarting-GNSS-Rec，Tending-GNSS-Rec，其中，下标starting-GNSS-Rec表示起始时刻-GNSS卫星编号-基站编号，下标ending-GNSS-Rec表示结束时刻-GNSS卫星编号-基站编号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明利用多基站的探测模式，使用GNSS前向散射特性完成对目标航向的监测，解决传统单基站探测模式下，无法对目标航向进行反演的问题；结合GNSS卫星星空图，提取目标经过地面基站探测区域时刻的GNSS卫星的方位角和高度角信息；同时，对各基站接收的GNSS信号进行处理，如果卫星信号发生明显变化，对其进行标记处理；通过计算GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻，判断目标的航向。
2.本发明利用GNSS卫星的实时位置信息可以通过导航电文或相关导航软件进行提取，无需提前建立信号源的数据库，具有方便、准确的优势。
3.本发明采用的多个地面基站，其数量和部署方案可以根据探测区域的大小任意调整，具有很好的应用性。
4.本发明监测目标航向，不需要使用先验信息，且不受地域限制，有较好的工程应用价值。
附图说明
图1为基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演流程图。
图2为目标出现时的信号幅值变化示意图。
图3为利用基站1的处理结果反演目标航向范围示意图。
图4为利用基站2的处理结果反演目标航向范围示意图。
图5为利用基站3的处理结果反演目标航向范围示意图。
图6为利用基站4的处理结果反演目标航向范围示意图。
图7为利用多基站的处理结果反演目标航向范围示意图。
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。
根据图1所示，在地面布设多个基站，对其进行标记处理，并实时采集GNSS卫星信号。
根据图1所示，当目标经过多基站的探测区域时，对各基站采集的GNSS卫星信号数据进行捕获和跟踪处理，对可以跟踪的卫星进行幅值计算。
Figure BDA0001853616000000041
其中，MagGNSS为GNSS卫星信号幅值，IP为跟踪环的同相信号，QP为跟踪环的正交信号，IP和QP均可以从跟踪环路中实时获取。当目标出现时，其幅值变化示意图如图2所示。
根据图2所示，计算目标出现时，各基站GNSS卫星信号幅值发生明显变化的起始时刻和结束时刻。起始时刻和结束时刻分别记为Tstarting-GNSS-Rec，Tending-GNSS-Rec，其中，下标starting-GNSS-Rec表示起始时刻-GNSS卫星编号-基站编号，下标ending-GNSS-Rec表示结束时刻-GNSS卫星编号-基站编号。
根据图1所示，布设4个地面基站，详细介绍本模型的实施步骤。假设基站1可以检测到GNSS-A，GNSS-B，GNSS-C三颗卫星的幅值变化，结合采集时刻的星空图，提取三颗卫星的方位角和高度角，具体如图3所示。根据GNSS前向散射特性目标探测的原理，此时目标经过三颗卫星与基站的连线，由基站1可以判断目标的运动范围Area1为：
Area1＝A1B1∩A1C1 (2)
其中A1B1和A1C1为基站1确定的目标运动范围边界线。
假设基站2可以检测到GNSS-D，GNSS-E两颗颗卫星的幅值变化，结合采集时刻的星空图，提取两颗颗卫星的方位角和高度角，具体如图4所示。如步骤4中所示，由基站2可以判断目标的运动范围Area2为：
Area2＝A2B2∩A2C2 (3)
其中A2B2和A2C2为基站2确定的目标运动范围边界线。
假设基站3可以检测到GNSS-F，GNSS-M两颗颗卫星的幅值变化，结合采集时刻的星空图，提取两颗颗卫星的方位角和高度角，具体如图5所示。如步骤4中所示，由基站3可以判断目标的运动范围Area3为：
Area3＝A3B3∩A3C3 (4)
其中A3B3和A3C3为基站3确定的目标运动范围边界线。
假设基站4可以检测到GNSS-F，GNSS-M两颗颗卫星的幅值变化，结合采集时刻的星空图，提取两颗颗卫星的方位角和高度角，具体如图6所示。如步骤4中所示，由基站4可以判断目标的运动范围Area4为：
Area4＝A4B4∩A4C4 (4)
其中A4B4和A4C4为基站4确定的目标运动范围边界线。
根据步骤上述的处理结果，可以得到最终目标的运动范围Area为，具体如图7所示：
Area＝Area1∩Area2∩Area3∩Area4 (5)
即：
Area4＝AB∩AC (6)。
在确定了最终目标的运动范围，但目标的运动方向需要通过各基站检测到卫星幅值变化的起始时刻决定。假设布设的基站中，有两个或多个基站可以监测到同一个GNSS卫星信号幅值变化，则选择各基站中该颗卫星的幅值变化起始时刻作为判断标准。假设图3中的GNSS-B与图5中GNSS-F为同一颗卫星，则目标的运动方向可以表示为：
Figure BDA0001853616000000061
本发明所采用的多个地面基站(当然不限于上述实施例的4个基站)，其数量和部署方案可以根据探测区域的大小任意调整，具有很好的应用性。
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 (3)

1.一种基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在探测区域内布设多个组网的地面基站，对各基站进行标记处理，并提取其位置信息；
步骤二、当目标经过探测区域时，对各基站接收到的GNSS卫星信号进行实时采集，并对各基站采集的GNSS卫星信号数据进行捕获和跟踪处理，对跟踪的卫星进行GNSS卫星信号幅值计算；
步骤三、如果GNSS卫星信号幅值发生明显变化，则判断目标经过了GNSS卫星信号幅值发生明显变化的卫星与采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的连线附近，提取GNSS卫星信号幅值发生明显变化的卫星的编号，并计算目标经过各采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻；
步骤四、结合目标经过各采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站的起始时刻与结束时刻的卫星星空图，提取GNSS卫星信号幅值发生明显变化的卫星的方位角和高度角；根据GNSS前向散射特性目标探测的原理，由采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站判断目标的运动范围；
步骤五、综合各个采集到GNSS卫星信号幅值发生明显变化的基站判断目标的运动范围，得到最终目标的运动范围；假设布设的基站中，有两个或多个基站监测到同一个GNSS卫星信号幅值变化，则选择各基站中该颗卫星的GNSS卫星信号幅值发生明显变化的起始时刻作为判断标准，计算目标的运动方向。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法，其特征在于：所述步骤二中，对跟踪的卫星进行GNSS卫星信号幅值计算公式为：
Figure FDA0001853615990000021
其中，MagGNSS为GNSS卫星信号幅值，IP为跟踪环的同相信号，QP为跟踪环的正交信号，IP和QP均从跟踪环路中实时获取。
3.根据权利要求1所述的基于GNSS前向散射特性的多基站目标航向反演方法，其特征在于：所述步骤三中，起始时刻和结束时刻分别记为Tstarting-GNSS-Rec，Tending-GNSS-Rec，其中，下标starting-GNSS-Rec表示起始时刻-GNSS卫星编号-基站编号，下标ending-GNSS-Rec表示结束时刻-GNSS卫星编号-基站编号。
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