CN1633050A - 基于公众移动通信网络实现对空中目标监视的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于公众移动通信网络实现对空中目标监视的系统及方法。该方法通过采用符合公众陆地移动通信网络的标准，通过新建或改造通信基站为对空发射基站，并在此类基站周围部署一定数量的无源被动接收站。无源被动接收站接收空中目标反射的对空发射基站辐射信号的回波，并对回波的延迟时间、到达角、回波频率及相位变化等参数进行测量，然后将测量数据通过通信网络传递到数据处理中心。数据处理中心按照多曲面交汇等算法对各无源被动接收站测量的数据进行处理，解算出空中目标的位置、速度、航向等数据后，送往用户。该方法具有建设成本低、覆盖范围广、低空效果好、战场生存能力强等诸多优点，并具有一定反隐身的潜力。

Description

基于公众移动通信网络实现对空中目标监视的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种对空中目标监视系统及方法，特别是涉及一种基于公众移动通信网络实现对空中目标监视的系统及方法。

背景技术

当航空器在空中飞行时，地面需要实时掌握其在空中的位置、速度、航向等相关信息，例如用于空中交通管制和国土防空的飞行信息等。

目前，在进行对空中目标的搜索、跟踪和定位时，传统的技术手段主要有两种。第一种是通过采用专门研制的雷达监视设备，在分配的专用频段，采用收发共址的方式对某些特定区域进行电磁波的辐射并对回波的延迟时间和频率变化进行测量，实现对空中飞行器的监视。此类系统常工作在国土防空警戒系统中，采用固定或车载方式部署。另一种是航空管制专用的二次雷达系统。该方法主要通过在航空器上加装合作应答设备，用于主动应答地面雷达的询问信号。

我们知道，上述两种专用的雷达系统具有费用昂贵、体积大、功耗高、需有人值守、战场生存能力低等缺点。而且更为重要的是，专用雷达设备往往缺乏对低空和超低空目标的探测、监视能力，难以满足对低空空域内各类小型通用航空器的连续有效监视；此外，专用雷达设备由于工作频段和收发共址等原因，难以有效实现对较小雷达反射截面积(RCS)，如隐身飞行器和小型通用航空器的探测和跟踪。若采用第二种航管二次雷达设备，不仅机载和地面设备复杂昂贵，而且所需机载设备的安装难度也较大。对于非合作体制的敌方目标，也无法使用航管二次雷达设备进行探测和跟踪。

因此，对于农业飞行、动力滑翔伞等通用航空器来讲，上述常规的雷达监视手段并不适用。同时，由于没有配备相应的雷达二次应答设备而无法实现对低空空域监视，目前对低空空域内飞行的航空器主要采取程序管制方式。这种程序管制方式造成空域使用效率不够高、灵活性差等诸多问题，对通用航空事业的发展带来严重影响和制约。

同时，在国土防空方面，由于缺乏对低雷达反射截面积(RCS)和低空、超低空飞行目标的监视手段，难以及时获得可靠稳定的对空情报信息，进而无法向国土防空网络提供有效的预警信息。这对我国的空防安全造成严重威胁。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的系统及方法。该系统及其方法不仅能够有效解决我国陆地和濒海大部地区的对空，包括低空和超低空对空警戒任务，在较低成本的条件下，提供连续有效对空中目标监视能力，同时具备潜在的反隐身和抗干扰等能力。

基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的系统主要包括对空发射基站，无源被动接收站，数据处理中心，同步子系统，通信子系统，其中：

对空发射基站，

用于向预定空域发送一定功率的无线通信信号，以提供对空中目标进行照射的辐射源；

无源被动接收站，

用于接收经空中目标反射的微弱信号；

数据处理中心，

用于接收对空发射基站和无源被动接收站传来的实时测量数据，并对测量数据进行处理，实现对空中目标位置、速度、航向数据的解算；

同步子系统，

用于实现对空发射基站和无源被动接收站之间时钟，信号频率和相位参数工作的同步和协调；

通信子系统，

用于实现对空发射基站、无源被动接收站以及数据处理中心之间的数据传输。

所述公众移动通信网络包括但不限于GSM、IS-95、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA中的任一种。

所述对空发射基站包括以实现公众移动通信接入为目的的地面公用基站和以覆盖特定空域并搜索、定位空中目标为目的的专用基站。

所述无源被动接收站接收的发射信号参数包括但不限于反射信号的延迟时间、频率变化、相位变化以及到达角参数。

所述系统至少包括一个对空发射基站，一个无源被动接收站，且对空发射基站和无源被动接收站的总和不少于四个。

同时，本发明提供了一种基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的方法，该方法包括以下步骤：

对空发射步骤，

用于所述的对空发射基站向特定空域发射照射信号；

被动接收步骤，

所述无源被动接收站接收空中目标反射信号；

数据处理步骤，

对被动接收站传来的空中反射信号特征数据进行处理，解算出空中目标的位置、航向、速度参数；

同步步骤，

实现对空发射步骤和被动接收步骤之间时钟、信号频率、相位参数的同步；

通信步骤，

实现所述对空发射步骤、被动接收步骤以及数据处理步骤之间数据的实时、准确传输。

所述被动接收步骤中接收空中目标反射信号特征包括但不限于延迟时间、接收方向、频率和相位变化。

技术方案

本发明通过在地面或船舶、车辆、航空器等平台上，选择若干适宜位置，在预先精确测量三维位置的地点架设若干对空发射基站和无源被动接收站，辅助以通信子系统、同步子系统和数据处理中心，构建符合民用电信标准的对空监视网络。

在被监测空域附近选择适宜地形部署一套或若干套对空发射基站，精确测量并记录对空发射基站的三维坐标位置、扇区编号、发射天线朝向以及其发送信号的特征。对空发射基站站连续地周期性向空中发送预定的无线电信号作为探测脉冲。

在对空发射基站相距若干距离外的适宜地形部署若干无源被动接收站，并对各无源被动接收站进行编号，精确测量各无源被动接收站的三维坐标位置及接收天线朝向。通过无源被动接收站接收对空发射基站发射的经目标反射回的无线电脉冲信号。

为保证能够有效对空中目标定位，所述应至少包括一个对空发射基站，一个无源被动接收站，且对空发射基站和无源被动接收站的总和不少于四个。

通过导航卫星系统或通信子系统实现各专用对空发射基站与无源被动接收站之间的高稳定度、高精度时钟同步，以保持同步子系统的正常工作。

有线或无线链路构成通信子系统，将各对空发射基站与无源被动接收站实现互联，实现对空发射基站发射信号的相关测量参数与无源被动接收基站接收的相关测量数据实时准确的传输。

数据处理中心用于在对空发射基站和无源被动接收站正常工作情况下，通过同步子系统的精确同步，接收来自通信子系统的各无源被动接收站的各有关测量数据信息，提取预知的专用对空发射基站的位置、频率、天线朝向、PN码偏置等参数以及无源被动接收站所测量的时间延迟、频率和相位变化等特征数据，按照有关数学算法，如多双曲面交汇等技术，精确计算空中目标的位置、速度、航向等参数。

附图说明

附图1表示空中目标监视系统的组成示意图。

具体实施方式

在附图1中：

10为对空发射基站10，20为第一无源被动接收站，30为第二无源被动接收站，40为通信子系统络，50为空中目标，60为同步子系统，70为数据处理中心。

其中：

1.对空发射基站

对空发射基站是通过对现有移动通信基站进行改进实现的，但其在以下方面与现有基站有较大区别：

(1)天线类型和朝向

在现有通信网络中的基站，为了满足地面移动用户接收信号的要求，降低各通信用户间干扰，其天线安装角度一般以一定角度向下倾斜，形成方向向下的扇形，以覆盖一个扇形区域内的用户，减小对相邻扇区的干扰。

根据本发明的所述天线可以采用现有的基站天线或专用天线。

使用普通公网基站的天线时，可适当提高架设天线的高度，调整天线的朝向角度并适当增大发射功率，改变其原有的向下朝向为水平向上，以在不对地面用户造成干扰的条件下尽可能的覆盖较大的空域范围。

使用专用天线时，采用高增益定向天线，最大限度地覆盖更大的空域范围。

此外，优选的是，所述天线一种方案还可以是采用定向天线，该天线的高低角为0-90度之间，方位角波束宽度60-120度，使波束形成朝向天空的扇形辐射，并力图使对空发射基站不覆盖或影响任何地面通信用户。

(2)基站调试和参数设置

在现有通信网络中的基站，为了形成完整的移动通信网络，其重点在于与其它扇区进行配合。

但是对于对空探测来讲，由于无源被动接收站需要使用二次回波，并力图有效扩大其监控范围，因此其搜索窗口参数增大，探测信号功率在总辐射功率的分配比例也有所提高。

(3)基站设置

在现有公用网络中，通信基站被设于地面，而天线架设于塔顶，基站与天线之间通过电缆连接。

在本发明中，为了扩大覆盖范围，减小盲区，并有效降低电缆传输损耗，优选的是，可以将对空发射基站置于发射天线附近，以缩短电缆连接距离，降低传输损耗。

此外，需要说明的是，在条件允许和超低空条件下，经过周密计算，也可直接使用现有的公众移动通信网络的基站等无线覆盖设施。

2.无源被动接收站

为实现对反射信号的无源被动接收，实现对空中目标的多站交汇定位，本发明提供了无源被动接收站。无源被动接收站是通过对常规移动终端改进而获得，但与普通移动终端相比，其在功能和结构上发生了显著的变化：

首先，所述无源被动接收站主要实现对微弱的空中反射信号进行接收，通过与预定的各对空发射基站信号进行相关和匹配，测量其传输时间延迟；其次，无源被动接收站通常为固定式安装和部署，必要时也可进行多种平台的机动部署；另外，无源被动接收站采用了专用的高增益接收天线，以及空间等多种分集体制，以改善对空中反射信号的接收效果；最后，无源被动接收站配备了高稳定度高精度的同步系统，用以精确测量对空发射站所辐射信号的到达时间、频率或相位。

同时，无源被动接收站可均匀部署在距离对空发射基站周围并保持较长的基线距离，以保持较低的HDOP值并防止发射信号直接入射进入接收天线。在必要时，可综合采用屏蔽网等手段进一步提高与对空发射基站的直射波的隔离度。

3.通信子系统

通信子系统负责将无源被动接收站测量和解算出的目标回波的延迟时间、频率变化、接收方向等特性参数向数据处理中心传递以及发送全网时钟、频率、相位同步信息，实现网内各发射站、无源被动接收站、数据处理中心以及同步子系统之间的高速、稳定、可靠的数据传输。

4.空中目标

主要指在本系统探测范围内的各种航空器。

5.同步子系统

同步子系统是指实现网内的时间、频率、相位等高度统一，确保全网协调一致工作的设施和协议。如采用卫星定位系统提供的高精度时钟同步系统，采用高稳定度的频率同步装置等。

6.数据处理中心

该中心用于接收各无源被动接收站或其他信息源经通信子系统传来的实时测量数据，并对测量数据完成保存、分类、格式归一、坐标统一等处理步骤后，按照预定的数据处理算法，实现对空中目标位置、速度、航向等数据的解算。

结合附图1，对本发明的具体实施叙述如下：

1.对空探测信号的发射

对空发射基站10在同步子系统60的控制下，连续地周期性向空中发送预定的无线电信号作为探测脉冲。当空中目标50处于对空发射基站10的覆盖范围时，空中目标50反射对空发射基站10发射的探测脉冲。

2.对空探测信号的接收

空中目标50反射对空发射基站10发射的探测脉冲后，反射的探测脉冲至少被第一无源被动接收站20和第二无源被动接收站30所接收。第一无源被动接收站20和第二无源被动接收站30接收被飞行器反射的电磁信号，测量反射信号的到达时间、到达方位、频率、相位等相关参数，并将测量结果通过站间的通信子系统40送往数据处理中心70进行解算。

3.解算定位数据

数据处理中心70通过多站交汇等多种方式，如TOA、AOA等对数据进行解算。在消除定位模糊后，得到空中飞行目标的三维坐标。在必要时，也可通过扇区交汇归属方式实现对目标的粗略定位。

在以上附图1中，仅表示出一个对空发射基站和两个无源被动接收站，在实际应用系统中，应至少包括一个对空发射基站，一个无源被动接收站，且对空发射基站和无源被动接收站的数目之和不少于四个。

该方法可广泛应用于空中交通管理、低空飞行监视、对空警戒预警等军民两用领域。

本发明的有益效果是：

1.成本低。由于全系统基本采用了成熟的工业标准和绝大部分的现有技术设备，开发周期短，风险低，且无需使用新的频段，便于大批量生产和部署；

2.覆盖地域广。由于公众移动通信网络遍布全国各个地区，传输交换网络健全，因此本系统可覆盖全国陆地和濒海大部地区；

3.低空、超低空探测效果优异。由于本系统发射功率低，且收发分置，对于低空和超低空飞行的路径损耗更小，甚至可以借助现有公众网络的辐射功率发现低于视线(地平线)以下的超低空目标，提高对低空和超低空目标的发现概率；

4.无需加装机载设备。对电磁波的折射、反射和散射是飞行器的固有品质，因此对于在低空飞行的通用航空而言，航空管制部门可以得到一种经济、有效的对空监视手段，保证飞行安全；

5.具有一定反隐身能力；

6.战场生存能力较强。由于接收站无源被动接收，本身不辐射电磁波，因此即使将其靠前部署也相对安全，加之发射站、接收站数量庞大，即使部分受损，系统仍然可以坚持工作，仅使其效能有所下降。

尽管结合优选实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述优选实施方式，应该理解，在本发明构思的引导下，本领域技术人员可进行各种修改和改进，所附权利要求概括了本发明的范围。

Claims (8)

1.一种基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的系统，所述系统包括：

对空发射基站，

用于向预定空域发送一定功率的无线通信信号，以提供对空中目标进行照射的辐射源；

无源被动接收站，

用于接收经空中目标反射的微弱信号；

数据处理中心，

用于接收对空发射基站和无源被动接收站传来的实时测量数据，并对测量数据进行处理，实现对空中目标位置、速度、航向数据的解算；

同步子系统，

用于实现各对空发射基站和无源被动接收站之间时钟、信号频率和相位参数在系统工作时的同步和协调；

通信子系统，

用于实现对空发射基站、无源被动接收站以及数据处理中心之间的数据传输或同步。

2.如权利要求1所述的空中目标探测、监视和跟踪的系统，其中所述公众移动通信网络包括但不限于GSM、IS-95、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA中的任一种。

3.如权利要求1所述的空中目标探测、监视和跟踪的系统，其中所述对空发射基站包括以实现公众移动通信接入为目的的地面公用基站和以覆盖特定空域并搜索、定位空中目标为目的的专用基站。

4.如权利要求1所述的空中目标探测、监视和跟踪的系统，其中所述无源被动接收站接收的发射信号参数包括但不限于反射信号的延迟时间、频率变化、相位变化以及到达角参数。

5.如权利要求1所述的空中目标探测、监视和跟踪的系统，所述系统至少包括一个对空发射基站，一个无源被动接收站，且对空发射基站和无源被动接收站的总和不少于四个。

6.一种基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的方法，所述方法包括：

对空发射步骤，

用于所述的对空发射基站向特定空域发射照射信号；

被动接收步骤，

所述无源被动接收站接收空中目标反射信号；

数据处理步骤，

对被动接收站传来的空中反射信号特征数据进行处理，解算出空中目标的位置、航向、速度参数；

同步步骤，

实现对空发射步骤和被动接收步骤之间时钟、信号频率、相位参数的同步；

通信步骤，

实现所述对空发射步骤、被动接收步骤以及数据处理步骤之间数据的实时、准确传输。

7.如权利要求6所述的基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的方法，其中所述公众移动通信网络包括但不限于GSM、IS-95、CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA中的任一种。

8.如权利要求6所述的一种基于公众移动通信网络实现对空中目标探测、监视和跟踪的方法，其中所述被动接收步骤中接收空中目标反射信号特征包括但不限于延迟时间、回波接收方向、信号频率和相位变化。