低轨小卫星分布式GNSS-S雷达系统及在轨处理方法技术方案

本发明专利技术涉及一种低轨小卫星分布式GNSS

【技术实现步骤摘要】
低轨小卫星分布式GNSS
‑
S雷达系统及在轨处理方法


[0001]本专利技术涉及一种低轨小卫星分布式GNSS
‑
S雷达系统及在轨处理方法。

技术介绍

[0002]海面舰船目标的搜索探测与高分辨率成像一直是科学研究的热点，但是受海上云雨雾等天气影响，星载光学相机难以发挥其高分辨率成像识别的优势。而星载合成孔径雷达(SAR)则能够穿云透雾，具备全天时全天候观测能力，可以实现海面舰船目标的高分辨率成像探测，但现有的星载SAR难以实现舰船目标的跟踪监视。而利用GNSS
‑
S进行目标探测时则不需要主动发射信号，仅需接收导航卫星信号的散射信号即可实现目标探测，因此具有低功耗优势，相比于大功耗SAR，具备长时间工作的优势，即更适合对舰船目标进行跟踪监视。此外，导航卫星信号还具有全球覆盖优势，且海面任一空间均可同时接收到多颗导航卫星信号，具备多站联合探测优势。
[0003]对此，一些技术提出利用导航卫星信号的反射信号(GNSS
‑
R)实现海面风场探测，并完成了低轨卫星搭载试验。同时，另一些技术提出在地基利用导航卫星信号的散射信号(GNSS
‑
S)实现星发地收双站SAR成像，但受限于导航卫星信号的有效带宽，其成像分辨率一般在十米量级。而且，星载GNSS
‑
S雷达受限于导航卫星信号的低功率，需要大口径天线才能有效接收海面舰船目标的回波信号，其天线口径一般在几十平米，因此需要中大型卫星才能搭载，进而会限制星载GNSS
>‑
S雷达的大规模推广与应用。因此，如何利用多颗低轨小卫星组成分布式GNSS
‑
S雷达以降低每颗小卫星的接收天线口径，并保证对舰船目标的探测性能，成为了领域内亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种低轨小卫星分布式GNSS
‑
S雷达系统及在轨处理方法。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种低轨小卫星分布式GNSS
‑
S雷达系统及在轨处理方法，系统包括：
[0006]主卫星，用于对探测区域的导航卫星信号进行接收与捕获跟踪，对海面舰船目标的GNSS
‑
S回波信号进行接收与处理，对分布式GNSS
‑
S雷达信息进行融合处理；
[0007]从卫星，用于对探测区域的导航卫星信号进行接收与捕获跟踪，对海面舰船目标的GNSS
‑
S回波信号进行接收与处理。
[0008]根据本专利技术的一个方面，所述主卫星和所述从卫星均搭载有GNSS
‑
S雷达接收机，所述GNSS
‑
S雷达接收机可接收导航卫星发射的直达信号，提取时间同步信息与频率同步信息，并接收海面目标的回波信号，实现海面目标的检测与成像。
[0009]根据本专利技术的一个方面，所述GNSS
‑
S雷达接收机包括：
[0010]小口径相控阵天线，用于对导航卫星直达信号进行接收与捕获跟踪，天线波束指向朝上，天线极化方式为右旋圆极化，且同时工作在f
c1
和f
c2
两个频段，f
c1
为1.575GHz，f
c2
为1.268GHz，天线增益G1大于10dB；
[0011]大口径相控阵天线，用于对海面舰船目标回波信号进行接收，天线波束指向侧视朝下，天线极化方式为垂直线极化与水平线极化，且同时工作在f
c1
和f
c2
两个频段，天线增益G2大于35dB；
[0012]雷达电子学系统，用于对导航卫星直达信号、海面GNSS
‑
S回波信号进行接收、采样量化、在轨处理、在轨存储与信息传输；
[0013]所述小口径相控阵天线和所述大口径相控阵天线均只用于接收。
[0014]根据本专利技术的一个方面，所述雷达电子学系统包括：
[0015]双通道直达波接收机，用于对所述小口径相控阵天线输出的两路GNSS直达信号进行放大与采样量化，获得两路数字域直达信号，记第n颗从卫星接收的频段1直达信号与频段2直达信号分别为
Z1,n
(k)与Z
2,n
(k)；其中，k为采样时间序列；
[0016]四通道回波信号接收机，用于对所述大口径相控阵天线输出的四路GNSS
‑
S回波信号进行放大与采样量化，获得四路数字域GNSS
‑
S回波信号，记第n颗从卫星接收的频段1水平极化回波信号、频段1垂直极化回波信号、频段2水平极化回波信号、频段2垂直极化回波信号分别为s
H,1,n
(k)、s
V,1,n
(k)、s
H,2,n
(k)、s
V,2,n
(k)，且均为连续波信号；其中，带有下角标H表示水平极化回波信号；带有下角标V表示垂直极化回波信号；
[0017]雷达主控单元，用于对信号接收与采样量化时序、数据存储时序、信号与信息处理时序、信息传输时序进行控制；
[0018]数据存储单元，用于对导航卫星直达信号、GNSS
‑
S回波信号、目标雷达图像切片进行在轨存储；
[0019]频率源单元，用于同时输出三个时钟，其中两个时钟分别输出至所述双通道直达波接收机和所述四通道回波信号接收机作为采样频率，频率为100MHz
‑
125MHz，二者时间同步误差小于500ps，另一时钟输出至所述雷达主控单元作为在轨处理工作频率，频率为200MHz
‑
250MHz；
[0020]信号与信息处理单元，用于对GNSS
‑
S回波信号进行预处理、多源雷达成像、舰船目标检测与切片图像提取；
[0021]信息传输单元，用于对分布式GNSS
‑
S雷达信息进行星间传输与信息交互。
[0022]根据本专利技术的一个方面，同时在N+1颗卫星上完成单星(即主卫星/从卫星，也可称分布式单节点)的GNSS
‑
S雷达信号与信息处理，流程包括：
[0023]利用直达信号提取的M颗导航卫星的参考码信号分别对四路回波信号s
H,1,n
(k)，s
V,1,n
(k)，s
H,2,n
(k)，s
V,2,n
(k)进行匹配滤波处理，每个信号生成M个回波信号，分别记为s
H,1,n,m
(k)，s
V,1,n,m
(k)，s
H,2,n,m
(k)，s
V,2,n,m
(k)，其中，n＝1,2,...,N，m＝1,2,...,M；m为M颗导航卫星的序号；
[0024]利用直达信号提取的M颗导航卫星位置与低轨卫星位置，分别将4M个回波信号转换成4M个二维回波信号，记为s...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低轨小卫星分布式GNSS
‑
S雷达系统，其特征在于，包括：主卫星(50)，用于对探测区域的导航卫星信号进行接收与捕获跟踪，对海面舰船目标的GNSS
‑
S回波信号进行接收与处理，对分布式GNSS
‑
S雷达信息进行融合处理；从卫星(10，20，30，40)，用于对探测区域的导航卫星信号进行接收与捕获跟踪，对海面舰船目标的GNSS
‑
S回波信号进行接收与处理。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主卫星(50)和所述从卫星(10，20，30，40)均搭载有GNSS
‑
S雷达接收机，所述GNSS
‑
S雷达接收机可接收导航卫星发射的直达信号，提取时间同步信息与频率同步信息，并接收海面目标的回波信号，实现海面目标的检测与成像。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述GNSS
‑
S雷达接收机包括：小口径相控阵天线(101)，用于对导航卫星直达信号进行接收与捕获跟踪，天线波束指向朝上，天线极化方式为右旋圆极化，且同时工作在f
c1
和f
c2
两个频段，f
c1
为1.575GHz，f
c2
为1.268GHz，天线增益G1大于10dB；大口径相控阵天线(102)，用于对海面舰船目标回波信号进行接收，天线波束指向侧视朝下，天线极化方式为垂直线极化与水平线极化，且同时工作在f
c1
和f
c2
两个频段，天线增益G2大于35dB；雷达电子学系统(103)，用于对导航卫星直达信号、海面GNSS
‑
S回波信号进行接收、采样量化、在轨处理、在轨存储与信息传输；所述小口径相控阵天线(101)和所述大口径相控阵天线(102)均只用于接收。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述雷达电子学系统(103)包括：双通道直达波接收机(1031)，用于对所述小口径相控阵天线(101)输出的两路GNSS直达信号进行放大与采样量化，获得两路数字域直达信号，记第n颗从卫星接收的频段1直达信号与频段2直达信号分别为Z
1,n
(k)与Z
2,n
(k)；其中，k为采样时间序列；四通道回波信号接收机(1032)，用于对所述大口径相控阵天线(102)输出的四路GNSS
‑
S回波信号进行放大与采样量化，获得四路数字域GNSS
‑
S回波信号，记第n颗从卫星接收的频段1水平极化回波信号、频段1垂直极化回波信号、频段2水平极化回波信号、频段2垂直极化回波信号分别为s
H,1,n
(k)、s
V,1,n
(k)、s
H,2,n
(k)、s
V,2,n
(k)，且均为连续波信号；雷达主控单元(1033)，用于对信号接收与采样量化时序、数据存储时序、信号与信息处理时序、信息传输时序进行控制；数据存储单元(1034)，用于对导航卫星直达信号、GNSS
‑
S回波信号、目标雷达图像切片进行在轨存储；频率源单元(1035)，用于同时输出三个时钟，其中两个时钟分别输出至所述双通道直达波接收机(1031)和所述四通道回波信号接收机(1032)作为采样频率，频率为100MHz
‑
125MHz，二者时间同步误差小于500ps，另一时钟输出至所述雷达主控单元(1033)作为在轨处理工作频率，频率为200MHz
‑
250MHz；信号与信息处理单元(1036)，用于对GNSS
‑
S回波信号进行预处理、多源雷达成像、舰船目标检测与切片图像提取；信息传输单元(1037)，用于对分布式GNSS
‑
S雷达信息进行星间传输与信息交互。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，同时在N+1颗卫星上完成分布式单节点的
GNSS
‑
S雷达信号与信息处理，流程包括：利用直达信号提取的M颗导航卫星的参考码信号分别对四路回波信号s
H,1,n
(k)，s
V,1,n
(k)，s
H,2,n
(k)，s
V,2,n
(k)进行匹配滤波处理，每个信号生成M个回波信号，分别记为s
H,1,n,m
(k)，s
V,1,n,m
(k)，s
H,2,n,m
(k)，s
V,2,n,m
(k)，其中，n＝1,2,...,N，m＝1,2,...,M；m为M颗导航卫星的序号；利用直达信号提取的M颗导航卫星位置与低轨卫星位置，分别将4M个回波信号转换成4M个二维回波信号，记为s
H,1,n,m
(p,q)，s
V,1,n,m
(p,q)，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏正欢，金世超，刘新，岳富占，彭涛，王海涛，梁银川，赵志龙，张瑶，张闯，高文宁，徐振兴，张涛，
申请(专利权)人：北京卫星信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：