一种卫星单节点探通侦多功能同时工作系统及方

本发明属于天基信息获取领域，主要涉及一种卫星单节点探通侦多功能同时工作系统及方法，其基于综合射频传感器和多域多层级的射频及信号处理，完成卫星单节点同时实现电子侦察、雷达探测和通信等功能任务。背景技术：1、现代信息化战争中，为实现体系化对抗联合作战能力，天基装备呈现出多功能一体化、软件可定义、智能化、网络化等新特点。近年来，国内外针对具备电子对抗、导航增强、遥感和通信能力于一体的“变色龙”卫星开展了一系列研究，该种卫星采用开放式体系架构，硬件平台实现通用化设计，基于软件分层体系架构理念，彻底隔离软硬件相互影响，实现载荷任务功能软件定义。该种卫星实现雷达探测、电子侦察、通信、电子干扰、导航增强等多种功能的有机融合和资源共享，克服了传统卫星载荷业务功能垂直“烟囱式”发展导致的体积、重量和功耗庞大、平台拥挤、电磁兼容性差等难题，相较于传统骨干卫星先平台后载荷或先载荷后平台“精大贵稀”研产模式具有跨越式提升。该种卫星的特点是通过软件定义在特定的时间段可变身为电子对抗卫星，或导航增强卫星，或遥感卫星，或通信卫星。卫星在实施战术应用时，更强调实时性，因此卫星单节点同时多功能工作模式有极大的应用需求，例如电子侦察与雷达探测或通信同时工作模式，卫星在战场上连续开启电子信号侦收与目标定位功能，雷达成像功能开展目标成像与确认，这期间电子侦察不关机，可以实现连续不受干扰的目标信息获取，同时通信功能持续将电子侦察和雷达成像获取到的目标电磁特征信息、位置信息和成像信息传输给指挥情报中心，从而实现作战效能的大幅提升。2、传统软件定义多功能卫星单节点共孔径分子阵同时实现雷达探测、通信和电子侦察功能几乎不可能，因为电子侦察功能在极宽工作频段内以超高灵敏度被动接收目标辐射源信号，雷达通常以极大的功率向外完成探测信号的发射和回波接收，通信功能需要以适当的功率完成信号的收发。当采用共孔径分子阵实现模式时，雷达探测和通信辐射功率耦合泄漏到电子侦察接收阵列的干扰功率较大，电子侦察的接收信号一般都比较微弱，直接导致电子侦察接收的信噪比恶化，处理损失极大，严重时甚至导致侦察接收机饱和或烧毁。因此，天基综合多功能软件定义卫星载荷系统，缺乏一种支持卫星单节点、同时实现电子侦察、雷达探测和通信能力的手段和方法。技术实现思路1、针对天基综合多功能软件定义卫星载荷系统无法支持卫星单节点、同时现电子侦察、雷达探测和通信等多功能要求的问题，本发明提供了一种卫星单节点探通侦多功能同时工作系统及方法。2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：3、一方面，本发明提供了一种卫星单节点探通侦多功能同时工作系统，如图1所示，包括电子侦察接收阵列、电磁带隙结构、探通一体化发射接收阵列、收发波束联合优化模块、射频多抽头滤波对消模块、adc模块、adc/dac模块、自适应数字滤波对消模块、电侦参数测量与定位模块及探通一体化信号波形生成与处理模块，其中：4、所述电子侦察接收阵列，是由m个工作频段为s～ku的模块化超宽带宽角扫描子阵构成的均匀圆形或l形阵列，其中m为正奇数且m≥4。其中，模块化超宽带宽角扫描子阵称之为电子侦察接收子阵，用于超宽频段(即工作频段为s～ku)电子侦察信号的接收。5、所述探通一体化发射接收阵列，采用工作频段为x的宽带有源收发阵列，用于雷达通信一体化共用波形的发射及其回波信号的接收。6、探通一体化发射接收阵列和电子侦察接收阵列之间极化方式相互正交，用于实现对自干扰耦合功率的极化抑制，其中，自干扰耦合功率为探通一体化发射接收阵列耦合泄漏至电子侦察接收阵列的信号功率。7、所述电磁带隙结构(简称ebg结构)，填充于电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列之间，用于对自干扰耦合功率进行传播域抑制。8、所述收发波束联合优化模块，连接电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列，用于调整这两者的幅相加权系数，在传播域实现对自干扰耦合功率的对消抑制。9、综上，在传播域，电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列通过极化方式相互正交+电磁带隙结构+收发波束联合优化多手段联合，实现对自干扰耦合功率的对消抑制。10、所述射频多抽头滤波对消模块，为模拟k抽头滤波器，k为正整数且k≥4。连接电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列，用于通过调整滤波器各抽头的衰减系数、移相量和延迟时间，对自干扰耦合功率经传播域对消抑制后的残留信号，在模拟域进行对消抑制。11、所述adc模块，用于对电子侦察接收阵列接收到的经传播域和模拟域对消抑制后的信号进行模拟到数字信号的转换。12、所述adc/dac模块，连接探通一体化发射接收阵列，用于对探通一体化发射接收阵列发射的雷达通信一体化共用波形或接收到的回波信号进行模拟到数字信号的相互转换。13、所述自适应数字滤波对消模块，为数字滤波器，连接电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列，用于在数字域对自干扰耦合功率经传播域+模拟域联合对消抑制后的残留信号，在数字域进行对消抑制。14、所述电侦参数测量与定位模块，用于对电子侦察接收阵列接收到的经传播域+模拟域+数字域联合对消抑制后的信号进行参数测量，并采用干涉仪方法进行非合作目标定位。15、所述探通一体化信号波形生成与处理模块，用于生成雷达通信一体化共用波形，并对其回波信号进行处理得到被探测目标距离及速度信息，解调解码得到通信信息。16、另一方面，本发明提供了一种基于上述卫星单节点探通侦多功能同时工作方法，该方法基于本发明上述的卫星单节点探通侦多功能同时工作系统，如图2所示，具体包括如下步骤：17、步骤1，根据探通一体化发射接收阵列发射信号的频率范围，设置ebg结构的禁带范围，根据ebg结构的禁带范围调整ebg结构的物理尺寸和材料属性，从而实现在满足使用要求的禁带范围内对自干扰耦合功率进行抑制。18、其中，物理尺寸和材料属性包括矩形贴片尺寸a、介电常数ε、介质厚度b、接地导电柱半径c，其中a、b、c和ε均为正实数。19、具体地，设置好禁带范围后，调整方式为：通过在hfss仿真软件中采用本征模求解方式，配合周期边界条件，得到散射模式图，然后调用hfss仿真软件的优化模块，根据禁带范围进对ebg结构的物理尺寸和材料属性调整优化。20、步骤2，构建收发波束形成自干扰耦合功率抑制方法的数学优化模型，采用该模型计算探通一体化发射接收阵列幅相加权和电子侦察接收阵列幅相加权系数，进而计算自干扰耦合功率经传播域对消抑制后的残留信号ρ。具体包括如下操作：21、步骤21，构建收发波束形成自干扰耦合功率抑制方法的数学优化模型。22、采用收发波束形成方法，能够最大化探通一体化发射接收阵列及电子侦察接收阵列增益的同时，约束电子侦察接收阵列接收的自干扰耦合功率、电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列峰值副瓣电平，实现自干扰耦合功率的有效抑制。该收发波束形成自干扰耦合功率抑制方法的数学优化模型为：23、24、25、其中，fi(fi∈[fl,fh])表示探通一体化发射接收阵列最低工作频率fl和最高工作频率fh，θ1,和θ0,分别表示探通一体化发射接收阵列和电子侦察接收阵列的波束指向在球坐标系下的空间角度，(·)h表示取共轭算子；表示探通一体化发射接收阵列在工作频段fi处有源单元增益方向图构成的矩阵，αtx(fi)表示探通一体化发射接收阵列在工作频段fi处复加权构成的向量，即探通一体化发射接收阵列幅相加权；表示电子侦察接收阵列在工作频段fi处由有源单元增益方向图构成的矩阵；αrx(fi)表示电子侦察接收阵列在工作频段fi处复加权构成的向量，即电子侦察接收阵列幅相加权；表示哈达码积，γrx表示电子侦察接收阵列峰值副瓣电平，γtx表示探通一体化发射接收阵列峰值副瓣电平，ρ表示自干扰耦合功率经传播域对消抑制后的残留信号，c表示复数集合；s12,chnl(fi)表示工作频段fi处探通一体化发射接收阵列与电子侦察接收阵列之间的传递函数，可根据端口散射参数得到；表示工作频段fi处电子侦察接收阵列方向图副瓣区域构成的矩阵；表示工作频段fi处探通一体化发射接收阵列方向图副瓣区域构成的矩阵，θsidelobe表示副瓣区域。26、步骤22，采用步骤21构建的模型计算探通一体化发射接收阵列幅相加权和电子侦察接收阵列幅相加权。27、具体是：设置约束条件：使得探通一体化发射接收阵列和电子侦察接收阵列满足期望副瓣电平γtx和γrx，同时使得探通一体化发射接收阵列和电子侦察接收阵列增益损失最小，以及自干扰耦合功率经传播域对消抑制后的残留信号ρ最小。28、在上述约束条件下，采用交替迭代凸优化方法对步骤21构建的模型进行求解，得到探通一体化发射接收阵列幅相加权αtx(fi)和电子侦察接收阵列幅相加权αrx(fi)。29、步骤23，计算自干扰耦合功率经传播域对消抑制后的残留信号ρ。30、步骤3，为了进一步抑制经传播域对消抑制后自干扰耦合功率的残留信号，在探通一体化发射接收阵列的发射通道和电子侦察接收阵列的接收通道之间引入模拟k抽头滤波器，将探通一体化发射接收阵列输出的信号通过一个定向耦合器耦合到k抽头滤波器的输入端，通过调整滤波器各抽头衰减系数、移相量和延迟时间，并将进行了幅相调控的信号通过另一个定向耦合器耦合到电子侦察接收阵列的接收通道，实现模拟域自干扰耦合功率对消抑制。具体包括如下步骤：31、步骤31，构建模拟域多抽头滤波自干扰耦合功率抑制方法的数学优化模型。32、经过步骤2的传播域对消抑制后，电子侦察接收阵列的信道传递函数可表示为：33、s21,chnl(fi)＝[αrx(fi)ts12,chnl(fi)αtx(fi)]34、其中，(·)t表示取转置算子。35、对于工作频段fi范围内模拟域对消，需满足：36、37、其中，s21,fil(fi)表示k抽头滤波器的传输函数，bk表示k抽头滤波器第k个抽头在工作频段fi内的衰减系数，αk表示k抽头滤波器第k个抽头在工作频段fi内的移相量，τk表示k抽头滤波器第k个抽头的延迟时间，w表示在对消工作频段fi内衰减系数和移相量构成的待优化向量，aτ(fi)表示由给定各抽头延迟时间确定的延迟矩阵。38、步骤32，采用该模型计算对消频段fi内衰减系数和移相量构成的待优化向量w。39、w的求解可归纳为下列凸优化问题：40、41、42、其中，t1表示松弛变量，c表示复数集合，可使用凸优化算法高效求解出向量w。43、步骤33，计算经传播域+模拟域联合对消抑制后自干扰耦合功率的残留信号t1。44、步骤4，在步骤2、3实现了传播域+模拟域联合对消抑制的基础上，利用自适应滤波算法(rls算法)，在数字域进一步对经传播域+模拟域联合对消抑制残留的自干扰耦合功率t1对消抑制，实现数百兆带宽130db以上的同时同频高隔离收发，为共孔径分子阵同时实现电子侦察和雷达探测功能提供了解决途径。45、步骤5，经过步骤2、3、4实现了传播域+模拟域+数字域多域多层级的联合对消抑制，探通一体化发射接收阵列泄漏至电子侦察接收阵列的经传播域+模拟域+数字域联合对消抑制自干扰耦合功率ε被滤除至电侦参数测量与定位模块的灵敏度以下，使得电子侦察接收阵列接收到的目标辐射源信噪比大于10db以上。基于相位干涉仪测向定位算法，可实现对地面或海面目标辐射源电磁参数的测量和定位。46、步骤6，探通一体化发射接收阵列向外辐射bpsk-ofdm雷达通信一体化共用波形，该信号经过目标反射后被探通一体化发射接收阵列接收，经过信号分析和数据处理，分析出雷达所探测目标的距离和速度参数。同时被通信用户接收，经解调解码后，获得通信信息，从而实现通信功能。47、本发明与现有技术相比的优点在于：48、本发明针对天基多功能一体化载荷系统在实施战术应用时对单节点同时多功能工作模式的需求，提出了一种卫星单节点探通侦多功能同时工作系统及方法。49、由数个模块化超宽带宽角扫描子阵构成的电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列，实现雷达探测、通信和电子侦察功能任务空间电磁信号统一收发。50、在电子侦察接收阵列和探通一体化发射接收阵列之前，采用传播域+模拟域+数字域多域多层级的联合对消抑制，实现了数百兆带宽130db以上的同时同频高隔离收发，为共孔径分子阵同时实现电子侦察和雷达探测功能提供了技术基础。51、结合雷达通信一体化共用波形设计，用单一波形在完成雷达探测功能的同时实现通信信息的传递，从而同时实现雷达和通信功能，进而实现了卫星单节点、共孔径分子阵同时实现雷达探测、通信和电子侦察功能。52、相较于目前报道的移动通信同时同频全双工收发系统，本发明在保证一百db以上同时同频收发隔离的基础上，对消带宽从数mhz数十mhz提升至数百mhz，阵列规模从数个提升至数十甚至数百。卫星单节点探通侦多功能同时工作模式将显著提升战场信息获取和传输的时效性，有效解决天基装备在轨应用不灵活、高成本、复用性差等现实瓶颈问题，满足天基战术信息支援与指控系统的能力需求。53、本发明系统及方法明显优于传统的天基信息获取及信息传输分发载荷，具有很强的创新性和实用性，有效提升了天基多功能共孔径载荷系统对地侦察监视的能力和水平。