利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的方法及装置

摘要

本发明公开一种利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的方法及装置，采用极化方向相反两套天线分别接收GPS直达波和反射波，直达波用传统的GPS C/A码定位方法，得到接收机的位置、卫星星历等信息。GPS反射信号的P码与直达信号的P码做相关处理，得到反射波与直达波的距离差值。当可视卫星有4颗或以上时候，可以利用C/A码测得的接收机位置、卫星星历和用P码测得距离差值组成双曲面方程，实时实现对目标的实时定位。本发明利用C/A码辅助P码法来提高信号处理增益，可以解决或者减轻GPS的能量受限问题，为实现廉价的、更具隐蔽性，实现对重点保护空域内隐身和低空目标的探测和定位跟踪。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的方法及装置。

背景技术

GPS以其高精度、无盲区、全天候的连续快速定位、授时和定姿而得到广泛的应用，多路径信号由于是高精度GPS定位的主要误差源，因此，在测量中GPS反射信号作为干扰信号必须抑制。但是，实际GPS反射信号也可以利用，GPS反射信号不仅与传统的目标探测信号具有相似性和兼容性，更为关键的是GPS信号可以从根本上解决时间和相位同步问题，并且当有4颗或以上的可视卫星时可以实现实时定位。其中利用GPS反射信号进行海面和陆地遥感就是GPS反射信号得以成功应用的典范。但是，由于能量受限，GPS反射信号用于低空目标探测和定位始终没有进展，目前仅处于初级理论论证阶段。目前，GPS反射信号作为目标探测和定位的理论方法还处在初级阶段，其方法不完善，而且大都采用传统雷达方法。由于卫星导航信号波形、功率等不是专门为雷达设计的信号，卫星本身发射功率就很弱，造成目标回波信号非常微弱，要在接收机中检测到极端微弱的回波信号几乎是不太可能的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有卫星导航信号用于目标探测能量不足为基础，提供一种利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的方法及装置。

为解决上述问题，本发明所设计的一种利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的方法，包括如下步骤：

a)极化方向相反的两套天线分别接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的直达波和反射波，并将其送入接收机；

b)接收机产生本地C/A码与直达波进行相关处理，通过跟踪相关峰值测得直达波的伪距；

c)利用上述所得4颗或4颗以上的可视GPS卫星到接收机的直达波的伪距，完成接收机的三维定位，并由此获得卫星的位置信息和接收机到第i颗卫星的距离D_i；

d)利用直达波的P码与反射波的P码相关处理并得到相关函数，并对相关函数求导数后得到峰值，通过跟踪该峰值测得第i颗卫星反射波相对直达波的距离差Δr_i；

e)选取可视GPS卫星当中的任意一颗GPS卫星j作为参考卫星，建立双曲面方程，即

${\mathrm{\Delta r}}_i-{\mathrm{\Delta r}}_j=\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^i-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^i-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^i-z_0)}^2}-D_i-[\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^j-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^j-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^j-z_0)}^2}-D_j]$

通过求解该双曲面方程即可得到目标的位置(x_o，y_o，z_o)。

上述方案中，所述直达波是通过右旋圆极化天线进行接收的，而反射波则是通过左旋圆极化天线进行接收的。

上述方案中，通过天线接收下来的反射波直接经下变频器下变频和A/D采样器采样送入接收机处理单元；而通过天线接收下来的直达波信号经下变频器下变频后经分离器分成两路，并对这两路信号进行A/D采样器采样后才送入接收机处理单元。

为了辅助后面P码跟踪，以确定信号的存在，所述接收到还需要对所有卫星信号能量按照大小和多普勒值进行编排。即在步骤d)的峰值跟踪过程中，还包括根据GPS卫星信号能量的大小或多普勒值确定为GPS卫星号，并分配不同的通道进行P码的跟踪和载波的跟踪的过程。

上述方案中，所述P码的跟踪是采用延迟锁定环来完成的，而载波的跟踪则是采用costas锁相环(同相正交锁相环)来完成。

能够实现上述方法的利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的装置，主要由2套极化方向相反的天线单元、2个下变频模块、1个分路器、3个A/D模块、以及1个接收机处理单元组成；接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的直达波的第一天线单元的输出端经第一下变频模块与分路器相连；接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的反射波的第二天线单元的输出端与第二下变频模块相连；分路器的输出端分别连接第一A/D模块和第二A/D模块；第二下变频模块的输出端连接第三A/D模块；第一A/D模块、第二A/D模块和第三A/D模块的输出端均与接收机处理单元相连；上述接收机处理单元内存储有下述程序：即

a)接收机产生本地C/A码与直达波进行相关处理，通过跟踪相关峰值测得直达波的伪距；

b)利用上述所得4颗或4颗以上的可视GPS卫星到接收机的直达波的伪距，完成接收机的三维定位，并由此获得卫星的位置信息和接收机到第i颗卫星的距离D_i；

c)利用直达波的P码与反射波的P码相关处理并得到相关函数，并对相关函数求导数后得到峰值，通过跟踪该峰值测得第i颗卫星反射波相对直达波的距离差Δr_i；

d)选取可视GPS卫星当中的任意一颗GPS卫星j作为参考卫星，建立双曲面方程，即

${\mathrm{\Delta r}}_i-{\mathrm{\Delta r}}_j=\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^i-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^i-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^i-z_0)}^2}-D_i-[\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^j-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^j-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^j-z_0)}^2}-D_j]$

通过求解该双曲面方程即可得到目标的位置(x_o，y_o，z_o)。

上述方案所述天线单元主要由顺次连接的天线、低噪声放大器和带通滤波器组成。

上述方案所述第一天线单元为右旋圆极化天线单元，第二天线单元为左旋圆极化天线单元。

与现有技术相比，本发明采用极化方向相反两套天线分别接收GPS直达波和反射波，直达波用传统的GPS C/A码定位方法，得到接收机的位置、卫星星历等信息。GPS反射信号的P码与直达信号的P码做相关处理，得到反射波与直达波的距离差值。当可视卫星有4颗或以上时候，可以利用C/A码测得的接收机位置、卫星星历和用P码测得距离差值组成双曲面方程，实时实现对目标的实时定位。利用该发明可以解决或者减轻GPS的能量受限问题。本发明利用C/A码辅助P码法来提高信号处理增益，为实现廉价的、更具隐蔽性，全天候的新体制目标探测系统提供核心算法和系统设计，弥补现有我国防空系统的不足，实现对重点保护空域内隐身和低空目标的探测和定位跟踪。

附图说明

图1为本发明一种优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明一种利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的装置，主要由2套极化方向相反的天线单元、2个下变频模块、1个分路器、3个A/D模块、以及1个接收机处理单元组成；接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的直达波的第一天线单元的输出端经第一下变频模块与分路器相连；接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的反射波的第二天线单元的输出端与第二下变频模块相连；分路器的输出端分别连接第一A/D模块和第二A/D模块；第二下变频模块的输出端连接第三A/D模块；第一A/D模块、第二A/D模块和第三A/D模块的输出端均与接收机处理单元相连。上述天线单元包括顺次连接的天线、低噪声放大器(LNA)和带通滤波器(BPF)。天线的增益要足够高，可以采用高增益抛物面天线或相控阵天线。本发明优选实施例中，采用极化方向相反的两套天线，即右旋圆极化天线和左旋圆极化天线。右旋圆极化天线即第一天线单元用于接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的直达波，左旋圆极化天线即第二天线单元则用于接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的反射波。左旋圆极化天线经第一下变频器与第一A/D采样器连接；右旋圆极化天线经第一下变频器与分路器相连，分路器分别连接第二和第三A/D采样器；第一、第二和第三均与接收机处理单元连接。下变频器的作用是把天线射频信号变为基带信号，但是第二下变频器的性能指标要高于第一下变频器。分路器的作用把直达波信号分为两路，虽然分路器有分配损耗和电路损耗，经分路器后的信号能量有所下降，但是，直达波相对反射波的能量还是大的多，因此是不影响后续处理的。A/D采样器对基带信号进行采样，数字信号以便后面进行处理。

接收机处理单元主要完成GPS直达波信号C/A码的捕获、跟踪、解调、伪距提取和定位解算。以及完成直达波与反射波的P码相关、信号跟踪、目标的定位。为了完成上述功能，所述接收机处理单元内存储有下述程序：

a)接收机产生本地C/A码与直达波进行相关处理，通过跟踪相关峰值测得直达波的伪距；

b)利用上述所得4颗或4颗以上的可视GPS卫星到接收机的直达波的伪距，完成接收机的三维定位，并由此获得卫星的位置信息和接收机到第i颗卫星的距离D_i；

c)利用直达波的P码与反射波的P码相关处理并得到相关函数，并对相关函数求导数后得到峰值，通过跟踪该峰值测得第i颗卫星反射波相对直达波的距离差Δr_i；

d)选取可视GPS卫星当中的任意一颗GPS卫星j作为参考卫星，建立双曲面方程，即

${\mathrm{\Delta r}}_i-{\mathrm{\Delta r}}_j=\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^i-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^i-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^i-z_0)}^2}-D_i-[\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^j-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^j-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^j-z_0)}^2}-D_j]$

通过求解该双曲面方程即可得到目标的位置(x_o，y_o，z_o)。

利用上述装置所实现的利用GPS卫星导航信号实现目标探测和定位的方法，包括如下步骤：

a)极化方向相反的两套天线分别接收4颗或4颗以上可视GPS卫星的直达波和反射波，并将其送入接收机。

通过天线接收下来的反射波直接经下变频器下变频和A/D采样器采样送入接收机处理单元；而通过天线接收下来的直达波信号经下变频器下变频后经分离器分成两路，并对这两路信号进行A/D采样器采样后才送入接收机处理单元。

b)接收机产生本地C/A码与直达波进行相关处理，通过跟踪相关峰值测得直达波的伪距。

c)利用上述所得4颗或4颗以上的可视GPS卫星到接收机的直达波的伪距，完成接收机的三维定位，并由此获得卫星的位置信息和接收机到第i颗卫星的距离D_i。

d)利用直达波的P码与反射波的P码相关处理并得到相关函数，并对相关函数求导数后得到峰值，通过跟踪该峰值测得第i颗卫星反射波相对直达波的距离差Δr_i。

由于直达波的P码与反射波P码长时间相干积分，相关后可能出现几个相关函数波形，而物体散射信号的存在相关函数不存在相关峰值，因此须对相关函数求导后才能得到峰值，根据能量大小或多普勒值确定卫星号，并分配不同的通道进行跟踪，P码跟踪过程一般采用延迟锁定环来完成，载波跟踪，一般常采用经典的Costas锁相环(同相正交锁相环)。最后，通过跟踪结果求得反射波与直达波的距离差。

e)选取可视GPS卫星当中的任意一颗GPS卫星j作为参考卫星，建立双曲面方程，即

${\mathrm{\Delta r}}_i-{\mathrm{\Delta r}}_j=\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^i-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^i-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^i-z_0)}^2}-D_i-[\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^j-x_0)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^j-y_0)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^j-z_0)}^2}-D_j]$

通过求解该双曲面方程即可得到目标的位置(x_o，y_o，z_o)。

对直达波C/A码的处理，可以得到卫星位置信息接收机位置(x_u，y_u，z_u)、接收机到第i颗卫星的距离D_i。对直达波和反射波P码的处理可以得第i颗卫星反射波相对直达波的距离差Δr_i

Δr_i＝ρ_i-D_i                      (1)

式中，ρ_i是第i颗卫星到目标的距离与目标到接收机的距离之和。即

ρ_i＝d_i+R                         (2)

式中，d_i是第i颗卫星到目标的距离，卫星R是目标到接收机的距离。

把公式(2)代入公式(1)得

${\mathrm{\Delta r}}_i=d_i+R-D_i=\sqrt{{(x_{\mathrm{sv}}^i-x_o)}^2+{(y_{\mathrm{sv}}^i-y_o)}^2+{(z_{\mathrm{sv}}^i-z_o)}^2)}+R-D_i---\left(3\right)$

式中(x_o，y_o，z_o)是目标的位置。

选取可视卫星当中的任意一颗卫星j作为参考卫星，采用双曲面方程求解方程(3)得

Δr_i-Δr_j＝d_i-D_i-(d_j-_Dj)          (4)

方程(4)仅有三个未知数，即目标的位置坐标(x_o，y_o，z_o)，当同时观测到4颗或4颗以上的卫星时，就可解得目标的位置。