---

نظام رادار سلبي متعدد المحطات يعتمد على تقنية LTE للكشف عن المركبات الجوية غير المأهولة (UAV)

LTE-based multistatic passive radar system for UAV detection

الباحثون: Zhe Geng, Renhui Xu, Hai Deng

الجهات: كلية هندسة الإلكترونيات والمعلومات، جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية، الصين؛ وقسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات، جامعة فلوريدا الدولية، الولايات المتحدة الأمريكية.

---

الملخص (Abstract)

يتناول هذا البحث دراسة استخدام نظام رادار سلبي متعدد المحطات (Multistatic Passive Radar) يعتمد على نظام التطور طويل الأمد (LTE) بنظام الإرسال مزدوج التقسيم الترددي (Frequency-Division Duplex - FDD) للكشف عن الطائرات بدون طيار (UAV). يتم استخدام محطات القاعدة الأرضية التقليدية (LTE eNodeBs) لتغطية الطائرات بدون طيار على الارتفاعات المنخفضة، بينما تُستخدم شبكة اتصالات النطاق العريض المباشرة (Air-to-Ground) لتغطية الارتفاعات المتوسطة والعالية. يتم الحصول على قياسات المدى ثنائي المحطة (Bistatic Range) من محطات eNodeB متعددة، وتُستخدم تقنية تحديد الموقع الزائدي (Hyperbolic Positioning) لتوطين الهدف. نظرًا لأن إشارات الرابط الهابط (Downlink) الحالية في LTE مصممة لنقل البيانات أكثر من كشف الأهداف، فقد تم تصميم ميزة إشارة جديدة تسمى "إشارات مرجع توطين الهدف" (Target Localisation Reference Signals - TLRS) حصرياً لتطبيقات الرادار السلبي باستخدام ترميز تردد "كوستاس" (Costas) وترميز الطور "P4". وبالمقارنة مع ميزات إشارة LTE الحالية، تمتلك إشارات TLRS خصائص موجية أفضل ودقة كشف أعلى، مع استهلاك 0.266% فقط من موارد الوقت والتردد في إطار زمني مدته ثانية واحدة، ودون أي تأثير سلبي على نقل بيانات LTE الطبيعي.

---

1. المقدمة (Introduction)

شهدت أنظمة الرادار السلبي التي تستخدم أنظمة الاتصالات الإذاعية كمصدر للفرص (Transmitter of Opportunity) بحثاً مكثفاً في السنوات الأخيرة. تشمل المرشحات المحتملة لهذه التطبيقات أجهزة إرسال Wi-Fi، والبث الفيديو الرقمي، والبث الصوتي الرقمي، ومحطات الهواتف المحمولة الأساسية.

على الرغم من الدراسات السابقة حول استخدام إشارات LTE كإضاءة (Illuminators) للرادار السلبي، إلا أنها اقتصرت على التكوينات ثنائية المحطة (Bistatic) التقليدية. في العقد الماضي، جذب رادار MIMO الموزع الانتباه؛ حيث يوفر دقة توطين أعلى عند تحقيق التزامن الطوري الكامل. وفي هذا العمل، يتم النظر في نظام رادار سلبي متعدد المحطات باستخدام محطات eNodeB لخلايا LTE الكبيرة. ونظراً لأن تغطية شبكات LTE الحالية تكون قريبة من الأرض (حتى 3 كم)، فقد تم اقتراح هوائيات مائلة للأعلى (Up-tilt) للكشف عن الطائرات بدون طيار في الارتفاعات المتوسطة والعالية (3-10 كم).

---

2. تحديد موقع الهدف باستخدام محطات LTE eNodeB متعددة

نعتبر نظام رادار سلبي يتكون من $N$ من محطات LTE eNodeB ومستقبل راداري واحد. تقع محطة eNodeB رقم $i$ عند الإحداثيات $t_{i}=[t_{x,i}t_{y;i}t_{z,i}]$، بينما يقع المستقبل عند $[0 0 0]$، والهدف البعيد عند $p_{t}=[p_{x}p_{y}p_{z}]$.

يوضح الشكل 1 مثالاً لتحديد الموقع باستخدام $N=3$ محطات:

الشكل 1: تحديد موقع الهدف باستخدام $N=3$ محطات LTE eNodeB ومستقبل رادار واحد.

يتم التعبير عن المدى ثنائي المحطة (Bistatic Range) للمحطة رقم $i$ بالمعادلة:

$R_{i}=\sqrt{(t_{x,i}-p_{x})^{2}+(t_{y,i}-p_{y})^{2}+(t_{z,i}-p_{z})^{2}} + \sqrt{p_{x}^{2}+p_{y}^{2}+p_{z}^{2}}$

باستخدام طريقة التقاطع الكروي (Spherical-intersection)، يتم تقدير المسافة بين الهدف ومستقبل الرادار $\hat{R}_{r}$ كما يلي:

$\hat{R}_{r}=\frac{-a^{T}b\mp\sqrt{{(a^{T}b)}^{2}-(b^{T}b-1)a^{T}a}}{b^{T}b-1}$

حيث يتم الحصول على موقع الهدف $\hat{p}_{t}$ من خلال:

$\hat{p}_{t}=(T^{T}T)^{-1}T^{T}z+(T^{T}T)^{-1}T^{T}r\hat{R}_{r}$

---

3. هيكل إشارة LTE للرابط الهابط وتحليل دالة الغموض (AF Analysis)

تستخدم محطات LTE eNodeB تقنية التعدد بالتقسيم الترددي المتعامد (OFDM). يتكون عرض نطاق القناة من عدة حوامل فرعية (Subcarriers) متباعدة بمسافة 15 كيلوهرتز.

تُعطى إشارة LTE المنقولة في فترة رمز OFDM رقم $n$ بالمعادلة:

$u_{i,n}(t)=\sum_{k=0}^{k-1}c_{i,n}[k]\Psi_{k}(t)$

حيث يمثل $c_{i,n}[k]$ رمز الكوكبة الحامل للمعلومات (QPSK أو 16-QAM أو 64-QAM). يُعد نظام QPSK هو التنسيق الأمثل عند استخدام eNodeBs كمضيئات للرادار السلبي لأن أشكال موجات الإشارة لها طاقة متساوية.

الجدول 1: معلمات إشارة الرابط الهابط LTE-FDD.

يوضح الشكل 2 هيكل شبكة موارد LTE-FDD في مجال الوقت والتردد:

الشكل 2: هيكل إشارة الرابط الهابط LTE-FDD في مجال الوقت والتردد.

---

4. تصميم وتخطيط إشارات TLRS

لتحسين أداء الكشف دون التأثير على الاتصالات، تم تصميم "إشارات مرجع توطين الهدف" (TLRS) باستخدام ترميز الطور P4 وترميز التردد "كوستاس" (Costas). يتم جدولة هذه الإشارات في شبكات الموارد غير المستخدمة في LTE.

يتم تعريف النبضة الأساسية رقم $m$ كما يلي:

$i_{m}(t)=A_{m}\sum_{k=0}^{K_{i}-1}\omega_{k}|\sum_{l=0}^{L_{i}-1}a_{m,k,l}\mu_{l}(t-lT_{d})|e^{j2\pi k\Delta ft}$

تم اختيار ترميز كوستاس لضمان خصائص موجية أفضل وتقليل مستويات الفص الجانبي (Sidelobe levels) في دالة الارتباط الذاتي (ACF).

---

5. الخاتمة (Conclusion)

قدمت هذه الدراسة نظام رادار سلبي متعدد المحطات يعتمد على LTE للكشف عن الطائرات بدون طيار. من خلال تصميم إشارات TLRS الجديدة، أمكن التغلب على قيود إشارات LTE الحالية (مثل إشارات CRS)، مما وفر دقة أعلى ومدى غير غامض (MUR) أكبر، مع الحفاظ على كفاءة استخدام موارد الشبكة.

---

قاموس المصطلحات (Glossary)

• Multistatic Passive Radar: رادار سلبي متعدد المحطات.

• Unmanned Aerial Vehicle (UAV): مركبة جوية غير مأهولة (طائرة بدون طيار).

• eNodeB: محطة القاعدة في نظام LTE.

• Bistatic Range: المدى ثنائي المحطة.

• Ambiguity Function (AF): دالة الغموض.

• Quadrature Phase Shift Keying (QPSK): إزاحة الطور المتعامد.

• Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): التعدد بالتقسيم الترددي المتعامد.

• Target Localisation Reference Signals (TLRS): إشارات مرجع توطين الهدف.