CN107436427A - 空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，旨在提供一种能够简化探测设备，关联误差小、稳定性高、消耗资源少的关联方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在探测平台中，采集模块将接收信道输出的单路模拟信号进行AD采样和数字变频；并在FPGA内进行两路数字信道化预处理输出基带IQ数据；对比空间目标辐射信号与探测平台、预报空间目标轨迹与探测平台两种相对运动关系的相似性，利用目标辐射信号原始频率推算目标电磁辐射信号频率的理论变化规律曲线，计算预报空间目标的理论载频值序列以及接收信号与预报空间目标匹配度；完成目标辐射信号与关注空间目标的关联和匹配，完成空间目标运动轨迹与辐射信号的关联。

Description

空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法

技术领域

本发明涉及一种对人造卫星、空间站等产生电磁辐射的空间目标的运行情况进行观测，经综合处理，分析目标信息，完善空间目标编目信息，掌握空间态势的方法。更具体地说，是针对空间目标辐射电磁信号，基于信号频率特征测量将空间目标运动轨迹与目标辐射电磁信号进行关联的方法。

背景技术

目标运动轨迹及空间分布是目标宏观的运动特征,对于理解目标的行为有着重要意义。通过目标运动轨迹及空间分布可以从宏观方面准确有效地分析目标的运动行为，分析目标行为是否异常等。为了获取目标的运动轨迹，需要首先实现对运动目标的检测与跟踪。运动目标的检测与跟踪是一项很复杂也很困难的问题。一是还有覆盖盲区，二是地基观测设备受到天气、大气环境的影响较大，容易发生观测误差，天基空间目标监视系统的发展则有效地弥补了这些缺点。在不同轨道上部署空间目标监视卫星、多颗卫星进行组网、天基系统与地基空间目标监视系统相联合等措施，将有效地减少对空间目标的观测盲区。空间目标监视系统是利用天、地基探测设备(卫星、光电、雷达等) 对所有人造天体向空间的进入、在空间的运行及离开空间的过程进行探测，并结合情报资料，综合处理分析出目标轨道、功能、使用等信息。要获取目标轨道、功能、使用等信息，就要将空间目标监视系统中无线电探测器、光学探测器、天基探测器等设备获取的属于同一目标的数据和信息关联进而完成编目。由于目标的运动轨迹包含目标轨道信息，而目标辐射信号包含目标功能、使用等信息，因此，将目标的运动轨迹和辐射信号进行关联是空间目标监视系统重要功能之一。

无线电探测主要的测量项目有目标辐射信号的样本、频率、工作参数等。由于电波传播特性、无线通信技术以及无线电设备软硬件实现的固有特性。无线电探测载荷视场和探测范围大，在特定的探测时间，无线电探测范围内可能存在多个不同运动轨迹的空间目标，其中不关注的其它目标会扰乱对关注空间目标信号的判定和提取，影响关联和编目。传统的依靠信号截获时间信息关联空间目标轨迹产生误差较大。另外采用分布式组网的多探测器、阵列天线设计的多通道探测器对运动目标检测和跟踪而确定运动轨迹进行关联的方法虽然能降低误差但设备较复杂、资源消耗大。

发明内容

本发明针对太空环境的特殊背景以及各种运动目标检测和跟踪方法存在的缺陷，提供一种能够简化探测设备，关联误差小、稳定性高、消耗资源少的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，具有如下技术特征：在无线电探测载荷的探测平台中，探测平台采用单探测天线单通道捕获关注空间目标的辐射信号，单探测天线接收空间目标辐射的电磁信号；探测平台通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到采集模块；采集模块将接收信道输出的单路模拟信号进行AD采样和数字变频，并输出基带IQ数据至关联处理模；关联处理模块结合已知的探测平台自身的空间位置和速度数据，确定关注的空间目标辐射信号与探测平台的相对运动关系，结合光学探测器获取预报的目标运动轨迹，对比空间目标辐射信号与探测平台、光学探测器获取预报的目标运动轨迹相对运动关系的相似性，区分出其它非关注目标；探测平台基于对目标辐射信号的多次测频，自动形成目标接收信号的频率变化规律曲线，结合预报的空间目标运动轨迹，利用目标辐射信号原始频率f_c推算目标电磁辐射信号频率的理论变化规律曲线，然后基于上述两种规律曲线的相似度，计算出侦收信号与预报空间目标k 的匹配度J_k；再依次计算辐射信号与所有K个可能空间目标的匹配度，形成匹配度集合{J_k}， k＝0,1….,K-1，并在所述集合中寻找匹配度最大的对应关系，将接收到的辐射信号与关注空间目标进行匹配，利用运动目标辐射电磁信号的特征对低地球轨道空间目标识别，完成空间目标运动轨迹与辐射信号的关联。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

简化了探测系统设备。本发明针对空间目标监视系统中的探测平台对空间目标进行观测和监视时需要将目标的运动轨迹与其辐射的信号样本参数信息进行关联的需求，通过单探测平台单探测天线接收空间目标辐射的电磁信号，单射频信道对1路信号进行模拟变频、滤波、放大输出到采集模块，采集模块将接收信道输出的单路模拟信号进行AD采样和数字变频；AD采样数据在FPGA内进行数字信道化预处理输出基带IQ数据，利用目标辐射的电磁信号，对其测量并结合预报的空间目标运动轨迹，对目标运动轨迹和辐射信号关联，采用单探测天线接收即可实现空间目标运动轨迹与辐射信号的关联，无需对空间目标进行测向、定位和跟踪，不需要阵列接收设备，不需要多站组网探测，大大简化了探测系统设备的设计，降低了成本并提高了工程实现的可靠性。

空间目标关联误差小。本发明采用单探测天线单通道的无线电探测载荷捕获到关注空间目标辐射信号，结合已知的探测平台自身的空间位置、速度数据，可以确定关注的空间目标辐射信号与探测平台的相对运动关系，这种相对运动关系可以反映到探测平台无线电探测载荷截获的目标信号频率的变化关系上。再结合光学探测器获取的预报的目标运动轨迹，可计算空间目标与探测平台的相对运动关系，这种运动关系同样可以反映到根据目标原始频率计算的理论频率变化关系上，对比两种运动关系的相似性就可以区分出其它非关注目标。探测平台基于对目标辐射信号的多次测频，形成目标接收信号的频率变化规律曲线，结合预报的空间目标运动轨迹和探测平台的三维位置、三维速度数据，利用目标辐射信号原始频率 f_c推算目标电磁辐射信号频率的理论变化规律曲线，基于上述两种规律曲线的相似度，计算侦收信号与预报空间目标k匹配度J_k；然后依次计算辐射信号与所有K个可能空间目标的匹配度{J_k}，k＝0,1….,K-1，并寻找匹配度最大的对应关系完成运动轨迹与辐射信号的关联，利用运动目标辐射电磁信号的特征对低地球轨道空间目标识别，解决空间目标预报轨迹和空间目标信号样本、参数的匹配，完成目标辐射信号与关注空间目标的关联，解决了传统依靠信号截获时间信息关联空间目标产生较大误差的情况。

稳定性高、消耗资源少。本发明采用关联处理模块结合已知的探测平台自身的空间位置、速度数据，确定关注的空间目标辐射信号与探测平台的相对运动关系，结合光学探测器获取的预报的目标运动轨迹，对比空间目标辐射信号与探测平台、光学探测器获取预报的目标运动轨迹与探测平台两种相对运动关系的相似性，区分出其它非关注目标。基于对目标辐射信号的多次测频，形成目标接收信号的频率变化规律曲线，结合预报的空间目标运动轨迹和探测平台的三维位置、三维速度数据，利用目标辐射信号原始频率f_c推算目标电磁辐射信号频率的理论变化规律曲线，基于上述两种规律曲线的相似度，计算侦收信号与预报空间目标k匹配度J_k；然后依次计算辐射信号与所有K个可能空间目标的匹配度{J_k}， k＝0,1….,K-1，并寻找匹配度最大的对应关系完成运动轨迹与辐射信号的关联,不需要传统的复杂的多通道阵列校正处理、测向处理、定位与跟踪处理，只需要接收单通道采样数据进行测频与关联计算处理，即可完成对空间目标的匹配与关联。体现了其工程应用性好、稳定性高、消耗资源少的特点。工程化应用于低轨空间目标监视卫星平台，仿真实验表明，本发明性能好，可推广用于地面空间目标监视系统、高轨空间目标监视系统。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图给出最佳实施例，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是空间目标运动轨迹与辐射信号关联场景示意图。

图2是本发明无线电探测载荷探测平台设备的电路原理示意图。

图3是本发明空间目标运动轨迹与辐射信号关联流程示意图。

图4是本发明比较变化规律曲线示意图。

图5是本发明根据图4所示对比变化规律曲线计算匹配度进行关联的示意图。

具体实施方式

参阅图1。在空间目标运动轨迹与辐射信号关联场景中，由于探测平台和空间目标有相对运动，存在多普勒频移效应。探测平台在同一个地固坐标系中，设定的三维空间中位置的坐标为s_O＝[x₀,y_O,z_O]^T，三维空间速度坐标为v_O＝[vx_O,vy_O,vz_O]^T，从空间目标运动轨迹获得的空间目标状态量，关注的空间目标三维空间位置坐标为s_B＝[x_B,y_B,z_B]^T，三维空间速度坐标为v_B＝[vx_B,vy_B,vz_B]^T。各次观测中目标原始载频f_c、探测平台接收到空间目标信号频率f_m、空间目标轨迹参数中的三维位置s_B、三维速度v_B、探测平台三维位置s_O、三维速度v_O的关系可以为：第i次探测平台观测到的接收信号频率f_m ⁱ，

其中

式中，c为光速，‖·‖为向量的Euclidean范数，上标i为第i次观测，i＝0,1,…,N-1,s₀ ⁱ、

v₀ ⁱ为第i次观测时探测平台的三维空间中的位置矢量和速度矢量，s_B ⁱ、v_B ⁱ为第i次观测时

目标的三维空间中的位置矢量和速度矢量，εⁱ为第i次测量噪声等，Hⁱ为第i次观测时的

多普勒频率计算矩阵，上标T为求矩阵转置。展开所述式(1)，多次观测写成矩阵形式可为：

上述矩阵中，F＝[f_m ⁰,f_m ¹,…，f_m ^N-1]^T，为N次观测到含多普勒效应的一系列接收信号的载频值，H＝[H_m ⁰,H_m ¹,…，H_m ^N-1]^T为N次观测中多普勒频率计算矩阵，E＝[ε_m ⁰,ε_m ¹,…，ε^N-1]^T为N次观测中，各次观测时的测量噪声，f_m ⁱ的表述为探测平台第i次对空间目标辐射信号的频率测量值。则每次测量频率时的多普勒频移计算矩阵Hⁱ为：

利用矩阵F、矩阵H可以估计出信号的原始频率，估计得原始频率可为：

式中，上标T为矩阵装置。()^-1为矩阵求逆运算。公式(4)给出了利用探测平台观测到的接收信号频率F、目标轨迹参数(三维位置、三维速度)、探测平台参数(三维位置、三维速度)计算目标原始载频估计方法。

基于目标原始载频估计结果利用探测平台和含有预报空间目标轨迹信息的多普勒频移计算矩阵Hⁱ，可以进一步计算空间目标轨迹各次观测时刻信号理论上的频率变化规律曲线的频率变化序列F_e，为：

通过比较F与频率变化序列F_e的差别，形成探测平台侦收到信号和预报的空间目标轨迹匹配性或相关性的度量。空间目标运动轨迹与辐射信号的匹配度的计算公式为：

式中，J为匹配度，‖·‖为向量的Euclidean范数。设共有K个空间目标，对每个空间目标轨迹进行上述操作，可以得到K个匹配度值，记为{J_k},K＝0,1,…,K-1。通过相互比较多个预报的空间目标运动轨迹与接收的辐射信号，寻找匹配度最大的对应关系，就可以基于信号测量实现对空间目标运动轨迹与辐射信号的关联。

参阅图2。根据本发明，在无线电探测载荷的探测平台中，探测平台采用单探测天线单通道捕获关注空间目标的辐射信号，探测无线电载荷，单探测天线接收空间目标辐射的电磁信号通过射频信道对信号进行模拟变频、滤波、放大输出到采集模块，采集模块将接收信道输出的单路模拟信号进行模数AD采样和数字变频；AD采样数据在FPGA内进行两路数字信道化预处理输出基带IQ数据；关联处理模块结合已知的探测平台自身的空间位置、速度数据，确定关注的空间目标辐射信号与探测平台的相对运动关系，结合光学探测器获取的预报的目标运动轨迹，对比空间目标辐射信号与探测平台、光学探测器获取预报的目标运动轨迹与探测平台两种相对运动关系的相似性，区分出其它非关注目标。探测平台基于对目标辐射信号的多次测频，自动形成目标接收信号的频率变化规律曲线；结合预报的空间目标运动轨迹，利用目标辐射信号原始频率f_c推算空间目标电磁辐射信号频率的理论变化规律曲线，基于上述两种规律曲线的相似度，计算侦收信号与预报空间目标k匹配度J_k；然后依次计算辐射信号与所有K个可能空间目标的匹配度{J_k}，k＝0,1….,K-1，并寻找匹配度最大的对应关系完成运动轨迹与辐射信号的关联。

关联处理模块根据目标运动的连续性和轨迹一致性的原则，利用目标辐射的电磁信号IQ数据和模拟变频参数，以典型值至少1s的时间间隔提取IQ数据，并进行连续多次信号到达频率测量，对有多普勒频移变化的信号进行多次测频，分析接收信号的时间-频率变化规律曲线；结合目标的空间三维位置、三维速度预报值和探测平台的三维位置和三维速度值建立多普勒频移计算矩阵H，并对目标辐射信号原始频率f_c进行估计，再利用目标辐射信号原始频率f_c推算在多个观测时刻，目标k在该电磁辐射信号原始发射频率为f_c条件下的理论频率变化值序列F_e(k)，获得目标k的理论时间-频率变化规律曲线；关联处理模块将推算的目标k的理论变化规律曲线与测量变化规律曲线进行比较，对比上述两种变化规律曲线的差别，通过比较的差别，差别越小，匹配度越大。形成探测平台侦收信号和预报的空间目标匹配性或相关性的度量，即空间目标k匹配度J_k；关联处理模块完成探测视场内所有空间可能目标匹配度计算后，寻找匹配度最大的对应空间目标，通过寻找匹配度最大的对应关系完成运动轨迹与辐射信号的关联。

参阅图3。第一步，探测平台通过探测天线接收信号，通过射频信道对接收到的空间目标辐射的电磁信号进行模拟变频、滤波、放大输出到采集模块，采集模块将接收信道输出的模拟信号进行模数AD采样、AD采样数据在FPGA内进行两路数字信道化预处理、数字下变频并输出基带IQ数据。关联处理模块利用数字下变频后的IQ数据信号和变频信息，对信号在时刻T₀,T₁,…,T_N-1进行N个时刻信号到达频率精测频，得到一组测频结果为接收到信号的变化规律曲线，并以F＝{f_m ⁱ}表示，其中i＝0,1,2,…,N-1表示第i次观测，共进行了N次观测。同时，关联处理模块在K个可能的空间目标轨迹中，选择第k个空间目标在上述N个时刻的三维位置、三维速度数据，根据上述公式(2)、公式(3)建立多普勒频移计算矩阵H，结合多次信号到达频率值，探测平台与可能目标k的三维位置、三维速度数据，利用上述公式(4)计算预报空间目标k辐射信号原始频率估计值f_ce(k)；利用上述公式(5)计算预报空间目标k辐射信号理论频率变化规律曲线，并以载频值序列F_e(k)表示目标k的理论时间- 频率变化规律曲线。

第二步，探测平台在获得了接收到信号的频率变化规律曲线和预报空间目标k辐射信号频率理论变化规律曲线后，根据上述两个变化规律曲线的相似性，利用上述公式(6)计算预报空间目标k与辐射信号的匹配度J_k，并对所有目标用相同的方法进行匹配度计算，统计所有可能K个目标的匹配度，获得K个目标的匹配度集合{J_k}，k＝0,1,…,K-1。

第三步，探测平台利用所有K个预报空间目标的信号匹配度集合{J_k}，k＝0,1,2,…K-1；搜索集合{J_k}中最大值对应的目标序号，并找到对应的目标轨迹，完成目标轨迹与信号关联。

参阅图4。在第二步实施例中，探测平台利用侦收信号IQ数据和变频信息，以典型值至少1s的时间间隔提取IQ数据，并进行多次信号到达频率测频，获得了接收信号变化规律曲线F；结合目标的空间三维位置、三维速度预报值和探测平台的三维位置和三维速度值建立多普勒频移计算矩阵H，获得可能目标k的信号频率理论变化规律曲线F_e(k)。两种变化规律曲线以时间-频率关系曲线为，两条曲线的差异程度表征了可能空间目标k与接收电磁信号的匹配程度，曲线变化趋势越接近，为匹配程度越高。

参阅图5。在第三步实施例中，探测平台通过无线电探测载荷截获到1个空间目标辐射电磁信号，在无线电探测载荷视场内有2个空间目标，需要将该电磁信号与其中1个目标关联。处理时，探测平台利用获得的在T₀,T₁,…,T_N-1时刻接收信号变化规律曲线F和可能目标0、可能目标1信号理论变化规律曲线F_e(0)、F_e(1)，并通过对比计算变化规律曲线的相关性，发现目标1的接收变化规律曲线与理论变化规律曲线相似度大于目标0的变化规律曲线相似度，目标1轨道预报参数获得的目标辐射信号理论变化规律与接收信号的变化规律相近时，判定该信号与空间目标1轨迹关联，将该截获电磁信号与空间目标1编目在一起。

以上结合附图对本发明进行了详细描述，但需要指出的是，上述实例所描述的是仅为本发明的优选实例而已，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，比如可以结合具体的工程项目选用中频采样数据进行频率计算、选用信号到达幅度变化规律曲线进行匹配度计算。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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，具有如下技术特征：在无线电探测载荷的探测平台中，探测平台采用单探测天线单通道捕获关注空间目标的辐射信号，单探测天线接收空间目标辐射的电磁信号，通过射频信道对电磁信号进行模拟变频、滤波、放大输出到采集模块；采集模块将接收信道输出的单路模拟信号进行模数AD采样和数字变频，输出基带IQ数据至关联处理模；关联处理模块结合已知的探测平台自身的空间位置和速度数据，确定关注的空间目标辐射信号与探测平台的相对运动关系，结合光学探测器获取预报的目标运动轨迹，对比空间目标辐射信号与探测平台、光学探测器获取预报的目标运动轨迹相对运动关系的相似性，区分出其它非关注目标；探测平台基于对目标辐射信号的多次测频，自动形成目标接收信号的频率变化规律曲线，结合预报的空间目标运动轨迹，利用目标辐射信号原始频率f_c生成目标电磁辐射信号频率的理论变化规律曲线，然后基于上述两种规律曲线的相似度，计算出侦收信号与预报空间目标k的匹配度J_k；再依次计算辐射信号与所有K个可能空间目标的匹配度，形成匹配度集合{J_k}，k＝0,1….,K-1，并在所述集合中寻找匹配度最大的对应关系，将接收到的辐射信号与关注空间目标进行匹配，利用运动目标辐射电磁信号的特征对低地球轨道空间目标识别，完成空间目标运动轨迹与辐射信号的关联。

2.如权利要求1所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块根据目标运动的连续性和轨迹一致性的原则，利用目标辐射的电磁信号IQ数据和模拟变频参数，以典型值至少1s的时间间隔提取IQ数据，并进行连续多次信号到达频率测量，对有多普勒频移变化的信号进行多次测频，分析接收信号的时间-频率变化规律曲线。

3.如权利要求2所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块结合目标的空间三维位置、三维速度预报值和探测平台的三维位置和三维速度值建立多普勒频移计算矩阵H，并对目标辐射信号原始频率f_c进行估计，再利用目标辐射信号原始频率f_c推算在多个观测时刻，目标k在该电磁辐射信号原始发射频率为f_c条件下的理论频率变化值序列F_e(k)，获得目标k的理论时间-频率变化规律曲线。

4.如权利要求3所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块将生成的目标k的理论变化规律曲线与测量变化规律曲线进行比较，对比上述两种变化规律曲线的差别，通过比较的差别，形成探测平台侦收信号和预报的空间目标匹配性或相关性的度量，即空间目标k匹配度J_k。

5.如权利要求4所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块完成探测视场内所有空间可能目标匹配度计算后，寻找匹配度最大的对应空间目标，通过寻找匹配度最大的对应关系完成运动轨迹与辐射信号的关联。

6.如权利要求1所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块利用数字下变频后的IQ数据信号和变频信息，对信号在时刻T₀,T₁,…,T_N-1进行N个时刻信号到达频率进行N次观测和精测频，得到一组测频结果为接收到信号的变化规律曲线，并以F＝{f_m ⁱ}表示，其中，N-1表示第i次观测，i＝0,1,2,…。

7.如权利要求1所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块在K个可能的空间目标轨迹中，选择第k个空间目标在N个时刻的三维位置、三维速度数据，根据多次观测写成的矩阵、每次测量频率时的多普勒频移计算矩阵Hⁱ建立多普勒频移计算矩阵H。

8.如权利要求7所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块结合多次信号到达频率值，探测平台与可能目标k的三维位置、三维速度数据，计算预报空间目标k辐射信号原始频率估计值

9.如权利要求8所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：关联处理模块利用频率变化规律曲线的频率变化序列F_e计算预报空间目标k辐射信号理论频率变化规律曲线，并以载频值序列F_e(k)表示目标k的理论时间-频率变化规律曲线。

10.如权利要求1所述的空间目标运动轨迹与辐射信号关联方法，其特征在于：探测平台利用获得的在T₀,T₁,…,T_N-1时刻接收信号变化规律曲线F和可能目标0、可能目标1信号理论变化规律曲线F_e(0)、F_e(1)，并通过对比计算变化规律曲线的相关性，发现目标1的接收变化规律曲线与理论变化规律曲线相似度大于目标0的变化规律曲线相似度，目标1轨道预报参数获得的目标辐射信号理论变化规律与接收信号的变化规律相近时，判定该信号与空间目标1轨迹关联，将该截获电磁信号与空间目标1编目在一起。