CN101702266A - 双站进近引导定位***及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双站进近引导定位***，包括机载子***和舰载子***，舰载子***包括信标主站和信标副站，舰载信标站主要由精密时钟、定时同步信标发生器、本机振荡器、双通道基带处理单元、信号调制电路和发射机等组成。机载子***由双通道前端接收单元、载波相差检测单元、相对自时差检测单元、精密测距单元、多普勒频移测量单元和定位数据处理单元所组成。本发明***通过综合应用精密测距、多普勒频移测量、相对自时差和载波相差测量等技术，并通过融合进***行接近导引律，实现了对舰载机的进近跟踪定位，同时还初步给出了在航母速度及下滑视角不变的条件下，通过监测多普勒频差实现对下滑角反馈控制的基本框架。

Description

双站进近引导定位***及应用

技术领域：

本发明属于无线电跟踪定位领域，具体涉及一种综合利用精密测距、多普勒频移测量、相对时差和载波相差测量等技术实现舰载机进近下滑引导的双站定位***。

背景技术：

在新军事革命条件下，各航母国家的新军事战略中仍将航母视为海军的核心力量，并把航母的更新换代列为军事技术发展和转型战略中的重要环节。

根据美军的规划，***航母将装备无人战机。初步研究的结果表明，舰载无人战机在着舰时将有如下战术要求：

1、触舰定位精度要高。由于是无人操控，为保证准确触舰，引导定位精度，特别是触舰阶段的测量精度将有较高的要求，目前，美海军要求舰载机在水平和垂直面上的测量误差小于15厘米。

2、待机管制与进场耦合两阶段的衔接过程要连续。与有人驾驶战机的着舰过程不同，从无人机的运行特性出发，从空管区待机管制阶段的航程跟踪到进入下滑窗口实现进近耦合时的航迹控制的过渡过程必须是连续的，这就需要着舰导引***应既能实施进场耦合控制，又能完成待机航线跟踪引导。

3、进近下滑引导跟踪过程要平滑。现代航母用于着舰的飞行甲板均设计成与航母轴线间有一个向外的夹角，由于航母不断的向前行进，造成待降的甲板跑道随着航母运动而不断向右前方平移。如舰载机在进近追尾着舰时，仅是在垂直面内进行跟踪引导，即直接沿着航母航行的方向下滑运动，将使得自动操作指令的设计复杂化，甚至是及其困难的。

与现有的技术发展水平和***航母的战术需求相比，现有的基于雷达技术的舰载机着舰引导体制存有如下几大缺陷：

一是测控过程复杂。整个着舰引导过程是一个多***的协同测控过程，需先由空管雷达将舰载机引导到下滑窗口，然后由仪表着陆***实施进场耦合，再由精密引导雷达做下滑引导，最终在触舰阶段由激光测量等装置做精密测量。

二是定位精度有限。在着舰引导的触舰阶段不仅要修正因舰体运动所引起的位移，而且还需要克服舰尾气流对下滑轨迹所产生的扰动影响，因此触舰阶段的精确测量能力是极为重要的。而基于波束扫描技术的下滑引导雷达***，不可能在数据终结点之后做任何有意义的测量，因此需配置激光测距仪等精密测量装置。并由于存有天线本身的扫描运动，甲板运动补偿及预估相对复杂。

三是无法实现多机同时测控。现有的舰载雷达引导***是基于舰面导出数据方式工作的，在舰面导出方式下，定位测量数据必须通过可靠的编码数据链传送给机载设备。已有的美军研究报告表明：舰船到飞机的信号的传输延时会造成稳定度降低。

因此，现有的基于雷达技术的舰载机引导***仍是机械化时代的一种技术装备，信息化时代的技术发展迫切需要进一步探索研究能以当代先进的技术理论，相对更为简单的技术方法和更为经济的工作方式实现航母着舰测控引导，以进一步提高航母的作战和生存能力。

现有的微波着陆标准的制定主要是在上世纪70年代完成的，那时多站定位方法及相关技术还未成熟。以目前的技术发展水平，以多站定位技术构造的自动着舰引导***应比现有的时基波束扫描微波着陆等***更为先进和全面，GPS定位***的广泛应用从原理上说明现在已经到了可直接利用多站组合定位***实现舰载机自动着舰的时代。多站定位体制的固有构造使其使用时比雷达***更为灵活，从设计理念上来说，应能实现更多的功能。

显然，和基于波束扫描技术的雷达相比，基于多站定位技术的着舰引导***具有诸多优点，但真正的工程实现还存有一定的困难，例如众多站点的安置问题。如何以最少的站点实现双平面进近定向引导是亟待解决的问题。

发明内容：

针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于给出了一种适用于舰载机进近引导阶段的双站定位***，其通过综合应用精密测距、多普勒频移测量、相对时差和载波相差测量等技术，并通过融合进***行接近导引律，实现了对舰载机的进近跟踪定位，同时还初步给出了在航母速度及下滑视角不变的条件下，通过监测多普勒频差实现对下滑角反馈控制的基本框架。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

整个双站进近引导定位***括机载子***和舰载子***两大部分。

舰载子***主要包括两个同步信标发送站，其中承担精密测距任务的信标站被指定为主站，另一个为副站。舰载信标站主要由精密时钟、信标发生器、本地振荡器、双通道基带处理单元、调制电路和发射器等组成。舰载信标站亦能发送航母的航行速度、甲板运动状态等工作参数信息。所述本机振荡器产生本地参考信号源；定时同步信标发生器在精密时钟的控制下按进近下滑测量所需要的刷新率定周期地向基带处理单元发送触发信号；在生成信标信号的同时，双通道基带单元一方面通过编码将含有航母航行数据的数字脉冲信号送往副站发射机，另一方面在送往主站发射机的基带信号中则包括有精密测距所需的伪随机码等信号；信号调制将数字脉冲信号转换为模拟信号，对发射机载波进行调制；

所述机载子***主要由双通道前端接收单元、载波相差检测单元、自时差检测单元、精密测距单元、多普勒频移测量单元和机载定位数据处理单元所组成；双通道接收前端同时接收来自两个信标站的脉冲信号，并下变频至中频信号后将两路信号同时分别送往载波相差检测单元和自时差检测单元；精密测距单元和多普勒频移测量单元仅需一路输入信号；接收前端同时还将来自副站的包含有工作数据信息的信号解码解调后送至数据处理单元；机载定位数据处理单元将测算得到的水平偏差、径向距离、下滑视角、下滑角和多普勒频差输出至飞行测控***。

为了安全，机载子***获取的各类信息除了来自于舰载子***所发送的信息，还可来自于定周期接收舰面测控***发送信息的数据链。

为实现水平面内的定向控制，舰载机机载着舰引导***是通过对舰载双站所发送的定标信号的相对自时差和载波相差测量，并利用精密测距单元测量得到在舰面主站和舰载机之间的相对径向距离r₀得到对中偏差值。

在垂直面内，机载着舰引导***指控舰载机遵循平行接近导引律进舰下滑，并利用：(1)舰载着舰引导测控***通过数据链发送来的航母航行速度等参量；(2)机载传感器传送来的舰载机飞行速度；(3)机载着舰引导***对机-舰间多普勒频移的实时测量；(4)以及对相对径向距离的精密测量。且由下滑比例关系和多普勒频移关系的融合处理可以直接计算得到：(1)机-舰间的相对下滑视角；(2)舰载机的进近下滑角；(3)同时还能由三角函数关系测算得到下滑时间和下滑距离。

具体包括以下步骤：

步骤1、舰面两信标站在水平面上等高对称布设在航母进舰下滑跑道两侧，且在一般情况下，基线方向和舰载机进近下滑方向垂直。

步骤2、当舰载机开始进入进近下滑阶段时，将按如下的下滑比例关系进近下滑：

$\frac{V_F}{\sin {\mathrm{\φ}}_0}=\frac{V_H}{\sin ({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_k)}---\left(1\right)$

式中：V_H为航母的速度；V_F为飞机的速度；φ₀为下滑视角，是一个恒定值；φ_k是舰载机的瞬时下滑角。

步骤3、水平面对中偏差测算。

机载着舰测控引导***的时差检测单元采用自时差测量的方法测量来自舰面两对称信标站所发送的信标信号之间的时间差Δt。

同时，机载着舰引导测控***通过载波相差检测单元得到来自舰面两对称信标站的信标信号之间的载波相差Δθ。

此外，机载着舰引导测控***还利用精密测距单元测量得到在舰面主站和舰载机之间的相对径向距离r₀。

机载着舰引导***的定位数据处理单元按下式计算输出水平面上的对中偏差：

$\mathrm{\Δx}=\frac{r_0}{2a}\mathrm{\Δr}---\left(2\right)$

式中：2a为两信标站之间的基线长度；Δr为两站径向距离之间的程差，且有：

$\mathrm{\Δr}=r_2-r_1=\mathrm{\λ}[\mathrm{int}\left(\frac{\mathrm{c\Δt}}{\mathrm{\λ}}\right)+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2\mathrm{\π}}]---\left(3\right)$

式中：Δθ＝Δθ₂-Δθ₁，为机载端所测得的载波相差。

步骤4、机载着舰引导***通过舰载子***和数据链定期接收舰面测控***发送的信息，其中包括定位测算所需的航母航行速度V_H等参量，用于进近定位的测算。

机载着舰引导***的多普勒频移测量单元，通过对舰载信标主站的信标信号检测得到舰-机之间的多普勒频移f_d，且按寻的制导原理，计算舰-机之间的多普勒频移的方程式为：

$f_d=\frac{1}{\mathrm{\λ}}[V_F\cos \mathrm{\β}-V_H\cos {\mathrm{\φ}}_0]---\left(4\right)$

式中：β＝φ₀-φ_k为舰载机的前置角。

步骤5、机载着舰引导***的数据处理单元按下式计算下滑视角：

$\cos {\mathrm{\φ}}_0=\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}---\left(5\right)$

步骤6、机载着舰引导***的数据处理单元按下式计算下滑角：

${\mathrm{\φ}}_k={\mathrm{\φ}}_0-\mathrm{\β}$

$={\cos }^{-1}\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}\right]-{\sin }^{-1}\left\{\frac{V_H}{V_F}\sqrt{1-{\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}\right]}^2}\right\}---\left(6\right)$

步骤7、机载着舰引导***的数据处理单元按下式计算当前的下滑距离：

$l=\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_0}{\sin {\mathrm{\φ}}_k}{r}_0---\left(7\right)$

并按下式计算当前的下滑时间：

$t=\frac{l}{V_F}=\frac{r_0\sin {\mathrm{\φ}}_0}{V_F\sin {\mathrm{\φ}}_k}---\left(8\right)$

步骤8：在假定航母的航行速度和下滑视角都不发生变动的情况下，基于多普勒频差变化可以实现对下滑角的反馈控制。

设在载机速度不变时，仅由下滑角变动所产生的多普勒频差Δf_dφk：

λΔf_dφk＝V_F0cos(β₀+Δφ_k)-V_F0cosβ₀    (9)

其中：Δφ_k是下滑角变化量。

按下式算出用于反馈控制的以多普勒频移变化量为自变量的下滑角变化量：

${\mathrm{\Δ\φ}}_k={\cos }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\λ}}{V_{F0}}(f_{d0}+{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{d\φk}})\right]-{\mathrm{\β}}_0---\left(10\right)$

式中：f_d0是舰载机按规定下滑角进近时的多普勒频移值。

本发明带来以下有益效果：

(1)融合多普勒频移测量技术的双站进近导引***既体现了多站组合定位导引***所具有的无需复杂的天馈及伺服控制***、可实现空中导出数据、有利于捕捉最佳触舰时机等一系列优点，又避免了布站数量多的缺陷，由此将使得***体系配置更为简化。

(2)具有单向信息传送能力，提升了整个引导***安全性和可靠性。

(3)相邻两测量节点间的多普勒频差值可为控制***提供自适应校正所需的反馈控制信号，可实现以多普勒频差变化响应为基准的***校正控制方式。

附图说明：

图1：舰载子***的原理框图。

图2：机载子***的基本框架图。

图3：双站对称测量的坐标系和布站构形图。

图4：在横向距离上的对中偏差图。

图5：垂直面内进舰下滑原理图。

图6：某一瞬间的下滑三角形示意图。

图7：基于多普勒频差的反馈控制结构框图。

具体实施方式

下面结合附图1-图7进一步说明本发明是如何实现的。

一种综合时差、相差、频移、距离测量技术的双站进近引导***。图1给出了舰载子***的原理框图；图2给出了机载子***的基本框架；图3给出了双站对称测量的坐标系和布站构形；图4是在横向距离上的对中偏差；图5为垂直面内进舰下滑原理图；图6描述了某一瞬间的下滑三角形；图7是基于多普勒频差的反馈控制结构框图。

1、***框架

整个定位***包括机载子***和舰载子***两大部分。

如图1所示，舰载子***主要包括两个信标发送站，其中承担对舰载机精密测距任务的信标站被称为主站，另一个承担信息发送任务的信标站为副站。舰载信标站主要由精密时钟、信标发生器、本地振荡器、双通道基带处理单元、调制电路和发射器等组成。本机振荡器产生本地参考信号源；定时同步信标发生器在精密时钟的控制下按进近下滑测量所需要的刷新率定周期的向基带处理单元发送触发信号；在生成信标信号的同时，双通道基带单元一方面可以通过编码将含有航母航行速度、甲板运动状态等等数据的数字脉冲信号送往副站发射机，另一方面在送往主站发射机的基带信号中则包括有精密测距所需的伪随机码等信号；信号调制将数字脉冲信号转换为模拟信号，对发射机载波进行调制。

机载子***如图2所示，主要由双通道前端接收单元、载波相差检测单元、相对时差检测单元、精密测距单元、多普勒频移测量单元和定位数据处理单元所组成。双通道接收前端同时接收来自两个信标站的脉冲信号，并下变频至中频信号后将两路信号同时分别送往载波相差检测单元和自时差检测单元；精密测距单元和多普勒频移测量单元仅需一路输入信号；接收前端同时还将来自副站的包含有工作数据信息的信号解码解调后送至数据处理单元；机载定位数据处理单元将测算得到的水平偏差、径向距离、下滑视角、下滑角和多普勒频差输出至飞行测控***。为了确保安全，另外还利用数据链传送各类信息。

进近引导定位***是通过以下技术方案实现定位测量的：

为实现水平面内的定向控制，舰载机机载着舰引导***是通过对舰载双站所发送的定标信号的相对自时差和载波相差测量，并利用精密测距单元测量得到在舰面主站和舰载机之间的相对径向距离r₀得到对中偏差值。

在垂直面内，机载着舰引导***指控舰载机遵循平行接近导引律进舰下滑，并利用：(1)舰载着舰引导测控***通过数据链发送来的航母航行速度等参量；(2)机载传感器传送来的舰载机飞行速度；(3)机载着舰引导***对机-舰间多普勒频移的实时测量；(4)以及对相对径向距离的精密测量。且由下滑比例关系和多普勒频移关系的融合处理可以直接计算得到：(1)机-舰间的相对下滑视角；(2)舰载机的进近下滑角；(3)测算剩余的下滑时间；(4)测算下滑距离。

2、水平面内的对中测量

(1)基本概念

对称测量是一种既简单又有效的测量方式，能实现定向控制。现有的基于时基波速扫描的微波着陆方式的一个工作特点就是在水平面内通过扫描获知飞机是否对准跑道，事实上这就是一种利用对称原理的校正测量过程。

与平面扫描相等价的另一种定向引导方法是双站对称测量。在应用双站对称测量方式实现定向引导时，可将两个测量站对称放置在跑道的两边，通过比较飞机与此两个站间的距离差，即可确定在测量平面内飞机是否偏离了跑道方向，且偏离在哪一侧。

与波束扫描技术相比，双站对称测量的基本优点就是简单。图3给出了双站对称测量的基本布站形式，图中：T是被测目标；跑道位于y轴方向；a是站点与坐标原点间的横向距离，两站间的基线长度为2a；r₁和r₂是两站点与目标之间的径向距离。在基于路程时差对称测量的方式下，基本测量公式即为：

Δr＝cΔt＝r₂-r₁    (1)

式中：Δt为两站间的时差；c为光速。

(2)最短基线长度

对称测量具有许多优点，但对于时差测量来说，趋于对中的进程恰好也就是时差间隔趋于最小的时候，此时，时差测量电路本身的最小分辨率将使测量结果陷于不确定，而对中处的测量精度往往又是明确规定的，为了既能实现精密测量的技术要求，又能避免最小分辨率的影响，就必须合理确定基线的长度。

对中测量的过程就是持续控制调节使Δr趋于零，然而在实际工程设计上，时差测量的精度将受到最小分辨率的影响，设Δr_p为最小时差分辨率Δt_p所对应的路程差，则当|r₂-r₁|≤Δr_p时所给出的测量值将是不确定的。

Δr_p给定了在径向方向上测量不确定性范围的临界值。实际上，双站对称定向引导限定的是目标在基线长度方向的偏差，为保证定向引导的精确性，我们必须考虑由最小时差分辨率所引起的在基线长度方向的不确定性测量误差的界限值。

为清晰起见，将图3所示的三维图形简化为如图4所示的二维平面俯视图，并假定仅存在由最小时差分辨率所引起的测量误差，并仅考虑在中心原点处的情况，事实上，仅在对中状态时由最小时差分辨率所产生的不确定误差才是最大的。

显然，为了避免在测量上出现不确定性，双站间的路程差必须大于对应于最小时差分辨率的界值Δr_p，于是通过简单的几何关系即可列出下式：

$\sqrt{{(a+{\mathrm{\Δx}}_p)}^2+r_y^2}-\sqrt{{(a-{\mathrm{\Δx}}_p)}^2+r_y^2}\≥{\mathrm{\Δr}}_p---\left(2\right)$

其中：Δx_p为在x轴方向上对应于最小时差分辨率Δt_p的不确定性测量误差范围的临界值。

式(2)可被写成如下形式：

$\sqrt{(a^2+r_y^2)+({\mathrm{\Δx}}_p^2+2a{\mathrm{\Δx}}_p)}-\sqrt{(a^2+r_y^2)+({\mathrm{\Δx}}_p^2-2a{\mathrm{\Δx}}_p)}\≥{\mathrm{\Δr}}_p---\left(3\right)$

应用近似公式后有：

$[1+\frac{{\mathrm{\Δx}}_p^2+2a{\mathrm{\Δx}}_p}{2(a^2+r_y^2)}]-[1+\frac{{\mathrm{\Δx}}_p^2-2a{\mathrm{\Δx}}_p}{2(a^2+r_y^2)}]\≥\frac{{\mathrm{\Δr}}_p}{\sqrt{a^2+r_y^2}}---\left(4\right)$

由此可得到为避免因最小时差分辨率测量所出现得不确定性，最短基线长度的估计公式：

$a\≥\frac{r_y}{2}\frac{{\mathrm{\Δr}}_p}{{\mathrm{\Δx}}_p}---\left(5\right)$

式(5)还能被表示成：

${\mathrm{\Δx}}_p=\frac{r_y}{2a}{\mathrm{\Δr}}_p---\left(6\right)$

上式的意义在于：对应于径向路程差的一个不确定测量范围Δr_p，在x轴方向上存有一个相应的不确定范围Δx_p，且两者间存有近似恒定的比例因子

理论上通过调整基线长度即可使x轴方向上的不确定偏差小于规定的设计值。反之，在规定了横向距离上所允许的最小不确定测量误差范围Δx_p之后，即能通过式(6)近似确定时差测量***所应具有的最小分辨率。

事实上，由误差理论可得到和式(6)完全类似的具有普遍意义的比例关系式：

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{r}{2a}{\mathrm{\σ}}_r---\left(7\right)$

式中：σ_x是x轴上的测量误差均方根值；σ_r是关于径向路程上的测量误差均方根值。

(3)对中偏差的时/相差测算

为提高对中测量的精度，工程设计中不仅采用了自时差测量技术，同时还应用了载波相差测量技术。

采用与最小时差分辨率临界值分析相同的数学方法，可得以从载机到舰面主站之间的径向距离r₀为参量的对中偏差计算公式：

$\mathrm{\Δx}=\frac{r_0}{2a}\mathrm{\Δr}---\left(8\right)$

首先，程差Δr可通过机载端测时单元的自时差Δt测量而被粗略的确定：

Δr＝cΔt＝c(Δt₂-Δt₁)    (9)

基于载波相位的测量方式的在舰载机与信标站之间的单向测距公式为：

$r_1=c{\mathrm{\Δt}}_1=\mathrm{\λ}(N_0+\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_1}{2\mathrm{\π}})---\left(10\right)$

$r_2=c{\mathrm{\Δt}}_2=\mathrm{\λ}[N_0+\mathrm{int}\left(\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\λ}}\right)+\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2\mathrm{\π}}]---\left(11\right)$

式中：N₀为整周数；Δθ₁和Δθ₂为载波相位。

基于自时差测量和载波相差测量的程差公式：

$\mathrm{\Δr}=r_2-r_1=\mathrm{\λ}[\mathrm{int}\left(\frac{\mathrm{c\Δt}}{\mathrm{\λ}}\right)+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2\mathrm{\π}}]---\left(12\right)$

式中：Δθ＝θ₂-θ₁，为机载端所测得的载波相差。

3、垂直面内的进近引导

(1)平行接近导引律

舰载机着舰的一般规则是航母逆风行驶，飞机追尾着舰。为实现对沿直线运动航母的机动跟踪，舰载机必须依照一定的导引规律下滑。

已有的研究已经证明：比例导引律在本质上是一种在目标不机动、控制能量不受约束情况下，具有零脱靶量的最优导引律。比例导引律的一个特例就是平行接近法，这种导引方法能使从追踪器上所看到目标的视线方向不变，也即飞行过程中视线是始终相互平行的。由于其既能保证追踪器与目标相交，又能使追踪器的飞行轨迹比较平直，因而是用于航母着舰的首选导引律。

平行接近导引律的工作原理如图5所示，下滑时飞机将按平行接近引导法则，即保持使飞机到航母的视线方向不变的规则，实现下滑着舰。

现有的导引律的分析过程都是从追踪器和目标之间的相对运动方程着手的，所给出的结果比较复杂。相比之下，由于已知条件较多，对于航母着舰来说直接从其相对运动几何关系着手进行分析结果将更为简捷，利用简单的几何关系，即能给出了一个简捷的描述下滑速度与下滑角之间联系的比例关系式。

如图6所示，假设飞机按平行接近法下滑着舰，在下滑的某一瞬间，飞机位于P_k点处，此时航母的速度为V_H，舰载机的飞行速度为V_F。图中φ₀为下滑视角；φ_k是下滑角。

设在经历了极小时间间隔Δt之后，航母行驶了Δd的路程：Δd＝V_HΔt。而舰载机下滑了Δl的路程：Δl＝V_FΔt。由正弦定理，从三角形ΔP_kMG中可得到如下的下滑比例关系式：

$\frac{V_F}{\sin {\mathrm{\φ}}_0}=\frac{V_H}{\sin ({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_k)}---\left(13\right)$

(2)机-舰间的多普勒频移方程

由舰载机-航母之间的运动关系，可列出如下多普勒频移方程：

$f_d=\frac{1}{\mathrm{\λ}}[V_F\cos \mathrm{\β}-V_H\cos {\mathrm{\φ}}_0]---\left(14\right)$

式中：β为前置角，且根据内外角关系有：β＝φ₀-φ_k；λ为波长。

(3)基本测算公式

A、下滑视角

经变换整理，下滑比例导引关系式(和舰载机-航母间的多普勒频移方程可被写为：

V_Fsinβ＝V_Hsinφ₀       (15)

V_Fcosβ＝λf_d+V_Hcosφ₀  (16)

将上述两式两边平方后相加，即可得到：

$V_F^2=V_H^2+{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2+2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H\cos {\mathrm{\φ}}_0---\left(17\right)$

从中即可解得下滑视角的测算公式：

$\cos {\mathrm{\φ}}_0=\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}---\left(18\right)$

B、下滑角

将式(18)代入下滑比例导引关系式，即能得到前置角的计算公式：

$\sin \mathrm{\β}=\frac{V_H}{V_F}\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\φ}}_0}$

$=\frac{V_H}{V_F}\sqrt{1-{\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}\right]}^2}---\left(19\right)$

根据前置角和下滑角之间的关系即可求得下滑角：

${\mathrm{\φ}}_k={\mathrm{\φ}}_0-\mathrm{\β}$

$={\cos }^{-1}\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}\right]-{\sin }^{-1}\left\{\frac{V_H}{V_F}\sqrt{1-{\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}\right]}^2}\right\}---\left(20\right)$

C、下滑距离与时间

在测得角度参量之后，利用径向距离即可求得当前的下滑距离：

$l=\frac{\sin {\mathrm{\φ}}_0}{\sin {\mathrm{\φ}}_k}{r}_0---\left(21\right)$

并按下式得到当前的下滑时间：

$t=\frac{l}{V_F}=\frac{r_0\sin {\mathrm{\φ}}_0}{V_F\sin {\mathrm{\φ}}_k}---\left(22\right)$

4、基于多普勒频差的下滑角反馈控制

(1)概述

对机-舰间多普勒频移方程的分析表明，在舰载机遵循导引律进近下滑的过程中，如舰载机和航母的运动速度，以及下滑视角和下滑角等各种参数不发生变化，则在任意下滑位置上所测得的多普勒频移都将保持相同，即在两相邻测量节点上的多普勒频差将应趋于零。而一旦多普勒频移偏离了稳定状态，则就意味着各种参量可能发生了变动。于是，就能将相邻测量节点间的多普勒频差用作舰载机着舰引导测控***的反馈校正信号，而飞控***就能通过直接监测由机载着舰引导***所提供的多普勒频差变化进行反馈控制。

(2)仅由载机速度变化产生的多普勒变化量

设V_F0是为完成正常进近下滑***指标所规定的舰载机下滑速度，如当前实测的载机速度是：V_F＝V_F0+ΔV_F，则由多普勒频移方程直接解得仅由载机速度变动ΔV_F所产生的多普勒变化量是：

λΔf_dv＝(V_F0+ΔV_F)cosβ₀-V_F0cosβ₀

                                    (23)

＝ΔV_Fcosβ₀

其中：β₀是由***指标所规定的前置角。

(3)仅由下滑角变化产生的多普勒变化量

在下滑视角不变的情况下，当下滑角发生Δφ_k变化时，由内外角的关系：φ₀＝φ_k+β，可得到对应于前置角的变动值：

Δβ＝|Δφ_k|    (24)

在载机速度不变时，仅由下滑角变动所产生的多普勒频差是：

λΔf_dφk＝V_F0cos(β₀+Δφ_k)-V_F0cosβ₀    (25)

亦可解出以多普勒频移变化量为自变量的下滑角变化量的函数表示式：

${\mathrm{\Δ\φ}}_k={\cos }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\λ}}{V_{F0}}(f_{d0}+{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{d\φk}})\right]-{\mathrm{\β}}_0---\left(26\right)$

式中：f_d0是***指标所规定的多普勒频移值。

(4)近似叠加关系

在载机下滑速度和下滑角都存有变动的情况下，由多普勒频差方程：

λΔf_d＝(V_F0+ΔV_F)cos(β₀+Δφ_k)-V_F0cosβ₀    (27)

可导出：

${\mathrm{\Δf}}_d={\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{dv}}+{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{d\φk}}+\frac{{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{dv}}{\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{d\φk}}}{f_{d0}}---\left(28\right)$

如稳定状态下的多普勒频移f_d0足够大，则近似有叠加关系：

Δf_d≈Δf_dv+Δf_dφk    (29)

(5)下滑角反馈控制结构图

图7初步给出了一种在假定航母的航行速度和下滑视角都不发生变动的情况下，基于多普勒频差变化对下滑角进行反馈控制的基本结构框架，此时，机载进近导引***的数据处理单元仅输出下滑角的变化，图中的机载定位数据处理单元是图2所示框图中的同一单元。

Claims (10)

1.一种双站进近引导定位***，包括机载子***和舰载子***，其特征在于：

所述舰载子***由两个发送信标信息和发送数据信息的信标站组成，舰载信标站由精密时钟、定时同步信标发生器、本机振荡器、双通道基带处理单元、信号调制电路和发射机组成；

所述本机振荡器产生本地参考信号源；定时同步信标发生器在精密时钟的控制下按进近下滑测量所需要的刷新率定周期地向基带处理单元发送触发信号；在生成信标信号的同时，双通道基带单元一方面通过编码将含有航母航行数据的数字脉冲信号送往副站发射机，另一方面在送往主站发射机的基带信号中则包括有精密测距所需的伪随机码等信号；信号调制将数字脉冲信号转换为模拟信号，对发射机载波进行调制；

所述机载子***由双通道前端接收单元、载波相差检测单元、自时差检测单元、精密测距单元、多普勒频移测量单元和机载定位数据处理单元所组成；双通道接收前端同时接收来自两个信标站的脉冲信号，并下变频至中频信号后将两路信号同时分别送往载波相差检测单元和自时差检测单元；精密测距单元和多普勒频移测量单元仅需一路输入信号；接收前端同时还将来自副站的包含有工作数据信息的信号解码解调后送至数据处理单元；机载定位数据处理单元将测算得到的水平偏差、径向距离、下滑视角、下滑角和多普勒频差输出至飞行测控***。

2.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：机载子***获取的各类信息来自于定周期接收舰面测控***发送信息的数据链，或者来自于舰载子***所发送的信息。

3.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：所述舰面主、副两信标站在水平面上等高对称布设在航母进舰下滑跑道两侧，且基线方向和舰载机进近下滑方向垂直。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的双站进近引导定位***，其特征在于：舰载机开始进入进近下滑阶段时，将按如下的下滑比例关系进近下滑：

$\frac{V_F}{{\sin \mathrm{\φ}}_0}=\frac{V_H}{\sin ({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_k)}---\left(1\right)$

式中：V_H为航母的速度；V_F为飞机的速度；φ₀为下滑视角，是一个恒定值；φ_k是舰载机的瞬时下滑角。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的双站进近引导定位***，其特征在于：所述机载子***的自时差检测单元采用自时差测量的方法测量来自舰面两对称信标站所发送的信标信号之间的时间差Δt，同时通过载波相差检测单元得到来自舰面两对称信标站的信标信号之间的载波相差Δθ，并利用精密测距单元测量得到在舰面主站和舰载机之间的相对径向距离r₀，机载子***的定位数据处理单元按下式计算输出水平面上的对中偏差：

$\mathrm{\Δx}=\frac{r_0}{2a}\mathrm{\Δr}---\left(2\right)$

式中：2a为两信标站之间的基线长度；Δr为两站径向距离之间的程差，且有：

$\mathrm{\Δr}=r_2-r_1=\mathrm{\λ}[\mathrm{int}\left(\frac{\mathrm{c\Δt}}{\mathrm{\λ}}\right)+\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2\mathrm{\π}}]---\left(3\right)$

式中：Δθ＝Δθ₂-Δθ₁，为机载端所测得的载波相差。

6.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：机载子***的多普勒频移测量单元，通过对舰载信标主站的信标信号检测得到舰-机之间的多普勒频移，并按寻的制导原理，计算舰-机之间的多普勒频移。

7.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：机载子***的数据处理单元按下式计算下滑视角：

${\cos \mathrm{\φ}}_0=\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}.---\left(5\right)$

8.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：机载子***的数据处理单元按下式计算下滑角：

${\mathrm{\φ}}_k={\mathrm{\φ}}_0-\mathrm{\β}$

$={\cos }^{-1}\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_H}\right]-{\sin }^{-1}\left\{\frac{V_H}{V_F}\sqrt{1-{\left[\frac{V_F^2-V_H^2-{\left(\mathrm{\λ}{f}_d\right)}^2}{2\mathrm{\λ}{f}_d{V}_G}\right]}^2}\right\}.---\left(6\right)$

9.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：机载子***的数据处理单元按下式计算当前的下滑距离：

$l=\frac{{\sin \mathrm{\φ}}_0}{{\sin \mathrm{\φ}}_k}{r}_0---\left(7\right)$

及按下式计算当前的下滑时间：

$t=\frac{l}{V_F}=\frac{r_0\sin {\mathrm{\φ}}_0}{V_F{\sin \mathrm{\φ}}_k}.---\left(8\right)$

10.根据权利要求1所述的双站进近引导定位***，其特征在于：在假定航母的航行速度和下滑视角都不发生变动的情况下，基于多普勒频差变化可以实现对下滑角的反馈控制：

设在载机速度不变时，仅由下滑角变动所产生的多普勒频差Δf_dφk：

λΔf_dφk＝V_F0cos(β₀+Δφ_k)-V_F0cosβ₀              (9)

其中：Δφ_k是下滑角变化量；

按下式算出用于反馈控制的以多普勒频移变化量为自变量的下滑角变化量：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_k={\cos }^{-1}\left[\frac{\mathrm{\λ}}{V_{F0}}(f_{d0}+\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{d\φk}})\right]-{\mathrm{\β}}_0---\left(10\right)$

式中：f_d0是舰载机按规定下滑角进近时的多普勒频移值。

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