CN114646989B - 一种gnss被动式雷达对空运动目标遥感检测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法及系统，包括：采用GNSS信号作为信号源，双基地雷达模型作为信号接收模型；通过同一接收机同时接收几颗卫星发射的信号，利用GNSS码自相关特性对信号进行噪声抵消；用降噪后的信号生成RDM，估算空中运动目标的载波相位，解算得到运动状态信息。本发明提升了RDM对运动目标多普勒频率估计的精度。

Description

一种GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法及系统
技术领域
本发明涉及环境遥感技术领域，尤其涉及一种基于RDM（Range-Doppler Map，距离多普勒图）信噪比提升的GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）被动式雷达对空运动目标遥感检测方法及系统。
背景技术
将GNSS信号作为信号源、用雷达的原理进行环境遥感，是一种非接触式、新兴的遥感手段。然而，由于信号弱、分辨率低等问题，该项技术一直没有应用到实际的探测环境中。
运动目标是雷达环境遥感的热点与难点，GNSS—R方法有其固有优势，然而信噪比不高导致多普勒RDM模糊。对运动目标的探测通过探测目标的多普勒频移得到，而运动目标的状态分析关键的多普勒频移是从RDM中提取解算出来的，因此要提高运动目标的探测精度，就要提高RDM的信噪比。
而GNSS双基地雷达对运动目标探测的主要手段是利用由地球静止轨道卫星反射信号生成的RDM来实现目标探测。因此，运动目标的探测精度提升方面的主要研究是围绕RDM的去噪方法研究。Lu X提出了一种有效的方案，以消除距离多普勒图像中的脉冲噪声像素，使距离多普勒图像具有更高的信噪比和鲁棒性。Ma Ca分析了汽车雷达的主要波形，提出了一种距离多普勒图的构造方法。Uysal F为了校正距离单元偏移，在RDM引入了一种使用反投影算法的替代聚焦方法。Feng W利用仅有少量运动目标的场景稀疏性，提出了一种高分辨率、实时的被动双基地雷达距离多普勒图生成算法。曾凡喾为了提高RD图中运动目标回波信号的信噪比,提出了一种增强回波信号能量的算法；刘池莉利用星载GNSS-R的DDM实现对海面目标位置的遥感探测，依据星载DDM的生成原理，研究实现了其反过程即从DDM中重构散射区域图像进而达到探测海面目标的目的。这些方法采用了距离多普勒图中的特性，并对其进行优化重构，但是这些研究都是接收同一信号并进行优化，而同一卫星信号精度有限，并没有考虑同时接收多个信号并进行补偿优化这种理论上精度更高的方案。
发明内容
本发明提供了一种GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法及系统，用以解决动态目标状态解算中不能精确探测目标的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法，包括以下步骤：
S1：采用GNSS信号作为信号源，双基地雷达模型作为信号接收模型；通过同一接收机同时接收几颗卫星发射的信号，从中分别选取弱信号和强信号；
S2：利用GNSS码自相关特性对弱信号的RDM噪声提纯；
S3：将提纯得到的提纯噪声用于抵消强信号的RDM噪声。
优选地，利用GNSS码自相关特性对弱信号的RDM噪声提纯，包括以下步骤：
S201：设弱信号为1号卫星接收信号，需要抵消噪声的强信号为2号卫星接收的信号，得到公式（1）和（2），其中 1号卫星、2号卫星的幅度分别为
Figure 228410DEST_PATH_IMAGE001
；1号卫星、2号卫星的伪随机码分别为
Figure 94735DEST_PATH_IMAGE002
；1号卫星、2号卫星的多普勒频率分别为
Figure 89236DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 449941DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 213498DEST_PATH_IMAGE005
（1）
Figure 516303DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，
Figure 998100DEST_PATH_IMAGE007
表示收到的卫星信号，i表示其他任意卫星的卫星号，n表示背景噪声，t为采集时间；
Figure 146184DEST_PATH_IMAGE008
为第i号卫星的幅度，
Figure 777630DEST_PATH_IMAGE009
为第i号卫星的伪随机码，
Figure 985757DEST_PATH_IMAGE010
为第i号卫星的多普勒频率。
S202：捕获、跟踪；可得到
Figure 954850DEST_PATH_IMAGE011
并将其代入公式（2）得到：
Figure 641046DEST_PATH_IMAGE012
S203：假设
Figure 644774DEST_PATH_IMAGE013
，根据GNSS码的生成规律，GNSS码为自相关码，因此可得
Figure 40115DEST_PATH_IMAGE014
；
S204：对
Figure 230925DEST_PATH_IMAGE015
再次进行跟踪，估计载波相位。
优选地，方法还包括：
循环步骤S201- S204，直至信号信噪比提升满足要求。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
本发明的GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法及系统，在运动目标状态解算中，采用GNSS码自相关特性对较弱信号的RDM噪声提纯，抵消强信号噪声，降低了GNSSRDM的噪声功率，从而提升多普勒频率精度，提升了动目标可探测度，达到目标运动状态解算精度提高的目的。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法的流程示意图；
图2是本发明优选实施例的模拟的北斗B2信号生成的降噪前的I、Q路噪声示意图；
图3是本发明优选实施例的模拟的北斗B2信号降噪后的I、Q路噪声示意图；
图4（a）是本发明优选实施例的模拟的北斗B2原始信号生成的原始RDM图谱；
图4（b）是本发明优选实施例的模拟的北斗B2原始信号生成的三维RDM图谱；
图5（a）是本发明优选实施例的降噪后北斗B2信号生成的原始RDM图谱；
图5（b）是本发明优选实施例的降噪后北斗B2信号生成的三维RDM图谱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的一种GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法，包括以下步骤：
S1：采用GNSS信号作为信号源，双基地雷达模型作为信号接收模型；通过同一接收机同时接收几颗卫星发射的信号，从中分别选取弱信号和强信号。弱信号和强信号的确定主要根据跟踪捕获后的卫星信噪比图。信噪比图中峰峰值相对高的卫星信号定义为强信号，峰峰值相对低的卫星信号定义为弱信号。本实施例中强信号被筛选用做 RDM 运动状态分析信号。
S2：利用GNSS码自相关特性对信号进行噪声抵消；包括：基于弱信号的GNSS码自相关特性进行噪声提纯并将提纯后的噪声用于强信号的噪声抵消。
S3：用降噪后的信号生成RDM，估算空中运动目标的载波相位，解算得到运动状态信息。
通过上述步骤，本发明能利用GNSS信号的自相关特性，提升了RDM对运动目标多普勒频率估计的精度。
在前期研究中，发现某些卫星信号由于信噪比的原因未捕获成功，某些卫星信号的捕获效果较好。而如果采用同一接收机同时接收的信号，强信号和弱信号引入的是同一环境噪声。由于弱信号携带了非常多的环境噪声，因此可利用GNSS信号的自相关特性，从一般研究被抛弃的弱信号中提纯出噪声信号，再反作用于已捕获到的强信号做噪声抵消，将其近似提纯为环境噪声并用其抵消强信号的噪声，可以在很大程度上增加强信号的信噪比。本发明的关键是如何对噪声进行提纯操作，否则非但不能抵消，还将引入新的噪声。
在实施时，基于弱信号的GNSS码自相关特性进行噪声提纯并将提纯后的噪声用于强信号的噪声抵消，可包括以下步骤：
S201：设弱信号为1号卫星接收信号，需要抵消噪声的强信号为2号卫星接收的信号，得到公式（1）和（2），其中 1号卫星、2号卫星的幅度分别为
Figure 986391DEST_PATH_IMAGE001
；1号卫星、2号卫星的伪随机码分别为
Figure 313467DEST_PATH_IMAGE002
；1号卫星、2号卫星的多普勒频率分别为
Figure 128976DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 557815DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 116972DEST_PATH_IMAGE016
（1）
Figure 564134DEST_PATH_IMAGE017
（2）
其中，
Figure 284965DEST_PATH_IMAGE018
表示收到的卫星信号， i表示其他任意卫星的卫星号，n表示背景噪声，t为采集时间；
Figure 450368DEST_PATH_IMAGE008
为第i号卫星的幅度，
Figure 298369DEST_PATH_IMAGE009
为第i号卫星的伪随机码，
Figure 865617DEST_PATH_IMAGE010
为第i号卫星的多普勒频率。
S202：实施GNSS信号接收处理的流程：捕获、跟踪，以得到信号中携带的运动目标探测信息；可得到
Figure 757349DEST_PATH_IMAGE011
并将其代入公式（2）得到：
Figure 410047DEST_PATH_IMAGE019
S203：假设
Figure 311007DEST_PATH_IMAGE013
，根据GNSS码的生成规律，GNSS码为自相关码，因此可得
Figure 467182DEST_PATH_IMAGE014
；由此对二号卫星的码信号进行提纯操作；
S204：对
Figure 549057DEST_PATH_IMAGE015
再次进行跟踪，估计载波相位，用于提高信噪比。
循环步骤S201- S204，直至信号信噪比提升满足要求（或者明显提升），实验中实施了两次循环。
本发明还提供一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
进行信号增强模拟：采用Matlab模拟北斗B2 信号分I路（I路信号采样中频中心频率6400Hz）和Q路（Q路信号采样中频中心频率5400Hz）解调，分别对两路信号进行降噪，可得到两路信号的RDM图。图2为降噪前的RDM噪声；图3为降噪后的RDM信噪比，可见，两次循环后噪声明显减少。
然后进行GNSS雷达信号对运动目标的实测：将得到的B2信号进行运动目标探测，即生成RDM图谱进行分析，可得图4（a）和图4（b），其中图4（a）为降噪前生成的RDM图谱，在多普勒域2000Hz和3000Hz范围内有一条模糊的多普勒频移直线。三维多普勒图如图4（b）所示，可以看出信号幅度比较窄。图5（a）为采用降噪后的信号进行运动目标探测生成的RDM图谱，肉眼可看到I支路和Q支路的多普勒图谱。三维多普勒图如图5（b）所示，信号幅度大幅提升；证明本发明的方法有效。
综上可知，本发明利用GNSS信号的自相关特性，从一般研究被抛弃的弱信号中提纯出噪声信号，再反作用于已捕获到的强信号做噪声抵消，提升了RDM对运动目标多普勒频率估计的精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用GNSS信号作为信号源，双基地雷达模型作为信号接收模型；通过同一接收机同时接收几颗卫星发射的信号；
S2：利用GNSS码自相关特性对信号进行噪声抵消；包括：从同时接收的几颗卫星发射的信号中，选取弱信号和强信号，基于弱信号的GNSS码自相关特性进行噪声提纯并将提纯后的噪声用于强信号的噪声抵消；
S3：用降噪后的信号生成RDM，估算空中运动目标的载波相位，解算得到运动状态信息。
2.根据权利要求1所述的GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法，其特征在于，所述基于弱信号的GNSS码自相关特性进行噪声提纯并将提纯后的噪声用于强信号的噪声抵消，包括以下步骤：
S201：设弱信号为1号卫星接收信号，需要抵消噪声的强信号为2号卫星接收的信号，得到公式（1）和（2），其中 1号卫星、2号卫星的幅度分别为
Figure 242962DEST_PATH_IMAGE001
；1号卫星、2号卫星的伪随机码分别为
Figure 425682DEST_PATH_IMAGE002
；1号卫星、2号卫星的多普勒频率分别为
Figure 736577DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 139309DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 484840DEST_PATH_IMAGE005
（1）
Figure 838461DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，
Figure 371073DEST_PATH_IMAGE007
表示收到的卫星信号，i表示其他任意卫星的卫星号，n表示背景噪声，t为采集时间；
Figure 835553DEST_PATH_IMAGE008
为第i号卫星的幅度，
Figure 786322DEST_PATH_IMAGE009
为第i号卫星的伪随机码，
Figure 45265DEST_PATH_IMAGE010
为第i号卫星的多普勒频率；
S202：捕获、跟踪；得到
Figure 596332DEST_PATH_IMAGE011
；并将其代入公式（2）得到：
Figure 598923DEST_PATH_IMAGE012
S203：假设
Figure 653467DEST_PATH_IMAGE013
，根据GNSS码的生成规律，GNSS码为自相关码，因此
Figure 99623DEST_PATH_IMAGE014
，得
Figure 872407DEST_PATH_IMAGE015
；
S204：对
Figure 413110DEST_PATH_IMAGE016
再次进行跟踪，估计载波相位。
3.根据权利要求2所述的GNSS被动式雷达对空运动目标遥感检测方法，其特征在于，所述方法还包括：
循环步骤S201- S204，直至信号信噪比提升满足要求。
4.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至3任一所述方法的步骤。
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