專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法，尤其涉及到星球著陸器利 用微波雷達(dá)測(cè)量波束中心向速度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
星球著陸器一般安裝于軌道器上，在開(kāi)始著陸前隨軌道器一起以較大的速度繞星 球飛行。著陸器的著陸過(guò)程為首先，著陸器與軌道器分離，此時(shí)著陸器仍具有較大的速度。 由微波著陸雷達(dá)測(cè)量著陸器運(yùn)動(dòng)速度，提供給GNC系統(tǒng)控制著陸器減速。對(duì)于星球著陸，著 陸點(diǎn)一般都是事先選定的，因此，GNC系統(tǒng)需要控制著陸器飛行速度和高度，使其到達(dá)預(yù)定 著陸點(diǎn)上空時(shí)，水平和垂直兩維速度要控制到接近為零。此時(shí)對(duì)星球表面進(jìn)行三維成像，以 選擇較為平坦的區(qū)域使著陸器安全著陸?？梢钥闯?，在整個(gè)著陸器著陸過(guò)程中，GNC系統(tǒng)都 需要利用微波著陸雷達(dá)測(cè)量著陸器相對(duì)星球表面速度，速度測(cè)量的精確度是關(guān)系到著陸器 能否實(shí)現(xiàn)安全著陸的重要參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外能夠應(yīng)用于著陸雷達(dá)速度測(cè)量的方法主要有簡(jiǎn)單連續(xù)波測(cè)量方法，距 離微分法和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)法。簡(jiǎn)單連續(xù)波測(cè)量方法可同時(shí)測(cè)量垂直和水平向速度，但由于天 線(xiàn)隔離度無(wú)法做到足夠高，泄漏信號(hào)會(huì)限制雷達(dá)的最遠(yuǎn)作用距離，同時(shí)該方法無(wú)法進(jìn)行距 離信息測(cè)量，因此對(duì)于著陸系統(tǒng)需增加另外的硬件設(shè)備來(lái)完成距離信息的提??；距離微分 法主要應(yīng)用于測(cè)高儀，通過(guò)高度的微分換算垂直速度分量，該方法最大的問(wèn)題在于無(wú)法測(cè) 量水平速度分量，難以全面的為著陸器提供速度信息；動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)法利用面目標(biāo)回波的多 普勒展寬效應(yīng)，對(duì)電平超過(guò)檢測(cè)門(mén)限的頻譜進(jìn)行幾何中心求取，從而推導(dǎo)出波束中心向的 速度值。該方法可以同時(shí)測(cè)量水平和垂直兩維速度矢量，但其測(cè)量精度受限于檢測(cè)門(mén)限的 選取，尤其當(dāng)信噪比較低時(shí)，由于門(mén)限選取帶來(lái)的速度測(cè)量誤差將較大。由于著陸器速度較大，不可避免的會(huì)產(chǎn)生速度模糊，同時(shí)著陸系統(tǒng)GNC希望雷達(dá) 能夠獨(dú)立于其他傳感器獨(dú)立工作，因此，雷達(dá)只能通過(guò)自身算法對(duì)模糊數(shù)進(jìn)行解算。目前探 測(cè)雷達(dá)解速度模糊的方法有很多，比如多基線(xiàn)解模糊法，最小二乘解模糊法、多重頻查表法 等。其中經(jīng)典的解模糊算法發(fā)射三組參差頻率，利用中國(guó)余數(shù)定理進(jìn)行解算。利用傳統(tǒng)的中國(guó)余數(shù)定理，假設(shè)雷達(dá)發(fā)射的脈沖重復(fù)頻率為PrfpPrfpPrf3,目標(biāo) 真實(shí)頻率為f，則^ = N1Xprf^fdlf2 = N2Xprf2+fd2f 3 = N3 X prf3+fd3其中，fdi為有模糊的多普勒頻率，可以根據(jù)頻率范圍遍歷K、N2, N3，使= f2 = f3 = f，則可以確定出相應(yīng)的模糊次數(shù)。但考慮到著陸系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度的高變化率，其多普勒 頻率是始終在改變的，因此利用傳統(tǒng)余數(shù)定理無(wú)法找到同時(shí)滿(mǎn)足三種頻率的整數(shù)(模糊次 數(shù))。因此如果簡(jiǎn)單的利用余數(shù)定理是無(wú)法完成模糊次數(shù)解算的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微波雷達(dá)波束中心向 速度的測(cè)量方法，本發(fā)明采用改進(jìn)的余數(shù)定理進(jìn)行模糊次數(shù)解算，可以準(zhǔn)確測(cè)量著陸器水 平和垂直速度分量，具有測(cè)量精度高、工程實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠引導(dǎo)著陸器實(shí)現(xiàn)安全著 陸。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法，包括以下 幾個(gè)步驟(1)著陸器上的微波雷達(dá)先向星球表面發(fā) 射至少η組互為質(zhì)數(shù)的重頻脈沖，其中 每組重頻脈沖為N個(gè)，在星球表面產(chǎn)生的至少η組回波信號(hào)由著陸器上的微波雷達(dá)進(jìn)行采 集，每組回波信號(hào)形成按照距離向和方位向存儲(chǔ)的二維矩陣，每組回波信號(hào)分別記做s (t， tm)
權(quán)利要求
一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法，其特征在于包括以下幾個(gè)步驟(1)著陸器上的微波雷達(dá)先向星球表面發(fā)射至少n組互為質(zhì)數(shù)的重頻脈沖，其中每組重頻脈沖為N個(gè)，在星球表面產(chǎn)生的至少n組回波信號(hào)由著陸器上的微波雷達(dá)進(jìn)行采集，每組回波信號(hào)形成按照距離向和方位向存儲(chǔ)的二維矩陣，每組回波信號(hào)分別記做s(t，tm) <mrow><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>f</mi><mi>c</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>c</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中n＝7；N≥128；tm為慢時(shí)間，即方位維時(shí)間；t為快時(shí)間，即距離維時(shí)間；fc為著陸器雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的載波頻率；R(tm)為雷達(dá)波束中心向的距離；c為光速；(2)對(duì)至少n組回波信號(hào)分別求取距離方向幅度最大的波門(mén)，每組回波信號(hào)分別以距離方向幅度最大處的波門(mén)為雷達(dá)波束中心距離，在該距離波門(mén)上利用多普勒相關(guān)法分別求取n組回波信號(hào)有模糊的多普勒中心頻率和對(duì)應(yīng)的有模糊的波束中心向速度，每組回波信號(hào)有模糊的多普勒中心頻率和對(duì)應(yīng)的有模糊的波束中心向速度分別記做 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>dn</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi><mo>&times;</mo><msub> <mi>prf</mi> <mi>n</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>&times;</mo><mi>arg</mi><mo>{</mo><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>n</mi><mo>^</mo> </mover> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>dn</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>&times;</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>dn</mi></msub> </mrow>其中fdn為該組有模糊的多普勒中心頻率；prfn為該組脈沖重復(fù)頻率；為該組回波信號(hào)s(t，tm)的相關(guān)函數(shù)；arg為角度求取函數(shù)；vdn為該組有模糊的波束中心向速度；λ為回波信號(hào)的波長(zhǎng)；(3)利用“改進(jìn)的余數(shù)定理”準(zhǔn)則對(duì)步驟(2)中獲得的有模糊的波束中心向速度進(jìn)行模糊次數(shù)解算得到模糊次數(shù)Ni；其中“改進(jìn)的余數(shù)定理”判斷準(zhǔn)則為存在整數(shù)N1、N2、、、N5，使|fi fj|＜Δf，即只有任意兩個(gè)多普勒頻率差都小于判據(jù)頻率Δf時(shí)，則該整數(shù)組為真實(shí)模糊次數(shù)，其中1≤i≤5，1≤j≤5，fi＝k*prfi+fdi，k為整數(shù)，其取值范圍滿(mǎn)足k∈[ m，m]，m為遍歷次數(shù)，prfi為有效的脈沖重復(fù)頻率，fdi為步驟(2)中求取的其中5個(gè)有模糊的多普勒中心頻率；有效的脈沖重復(fù)頻率prfi的判斷方法為有模糊的多普勒中心頻率fdi滿(mǎn)足“2×Δf≤fdi≤prfni 2×Δf”條件的脈沖重復(fù)頻率為有效的脈沖重復(fù)頻率，其中prfni為步驟(2)求取的其中5個(gè)脈沖重復(fù)頻率；(4)利用步驟(2)獲得的有模糊的波束中心向速度和步驟(3)獲得的模糊次數(shù)測(cè)量出著陸器波束中心向速度vr， <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>prf</mi> <mo>&times;</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>d</mi></msub> </mrow>其中λ為回波信號(hào)的波長(zhǎng)；prf為與步驟(3)中得到5個(gè)有效脈沖重復(fù)頻率中的任意一個(gè)；N為與脈沖重復(fù)頻率prf相對(duì)應(yīng)的解算出的模糊次數(shù)；vd為與脈沖重復(fù)頻率prf相對(duì)應(yīng)的有模糊的波束中心向速度。FSA00000210539300021.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法，其特征在于所 述步驟(3)中Af的確定方法為某個(gè)距離段速度的最大變化率為△ Vmax，λ為回波信號(hào)的O A工作波長(zhǎng)，Sf為雷達(dá)頻率提取隨機(jī)誤差，則=A/= X 7max +Sf aA
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法，其特征在于所 2v述遍歷次數(shù)m大于，其中，Δν_為某個(gè)距離段速度的最大變化率，prfmin為最小的 脈沖重復(fù)頻率，λ為回波信號(hào)的工作波長(zhǎng)。
全文摘要
一種微波雷達(dá)波束中心向速度的測(cè)量方法，包括下列步驟根據(jù)距離不模糊原則選擇互質(zhì)的脈沖重復(fù)頻率(以下簡(jiǎn)稱(chēng)重頻)，根據(jù)作用距離和檢測(cè)信噪比的要求選擇每種重頻的脈沖積累個(gè)數(shù)，發(fā)射脈沖信號(hào)，并接收星球表面回波，檢測(cè)最大功率點(diǎn)地距離門(mén)號(hào)，將該距離門(mén)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行多普勒相關(guān)處理，后求得有模糊的波束中心向速度；將所有重頻的脈沖依次處理后，按照“改進(jìn)的余數(shù)定理”準(zhǔn)則解算速度模糊次數(shù)，再結(jié)合有模糊的速度結(jié)果即可求出真實(shí)的波束中心向速度。本方法僅適用于脈沖雷達(dá)體制，可以同時(shí)測(cè)量水平和垂直兩維速度分量在波束向的投影，并且可以兼顧距離測(cè)量功能，具有測(cè)量精度高，工程實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S13/60GK101943753SQ20101024013
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者孫文鋒, 宋大偉, 尚社 申請(qǐng)人:西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所