CN102384755B - 机载相控阵天气雷达高精度测量瞬时航速方法 - Google Patents

Abstract

“机载相控阵天气雷达高精度测量瞬时航速方法”属于机载导航领域，直接用于机载相控阵天气雷达导航参数中航速参数的测量。为了获取气象目标运动信息，机载相控阵天气雷达需要高精度的瞬时航速数据。为此，提出了惯性导航加多普勒测速的自主式组合导航方案；并提出了惯性导航“对准”和克服误差“漂移”的解决方案；解决了机载相控阵天气雷达“对地测量”时存在的测速模糊问题。发明的核心内容是：提出了机载雷达“对地测量”的双脉冲重复频率探测(DPRF)技术，并给出了通用计算公式。采用本技术可实现机载天气雷达对地面的无模糊速度测量，以提高瞬时航速的测量精度。

Description

机载相控阵天气雷达高精度测量瞬时航速方法

一、技术领域

本方法属于机载导航领域；直接用于机载相控阵天气雷达导航参数中航速参数的测量；对于采用惯性导航加多普勒导航组合、且对瞬时航速精度要求比较高的导航***亦有参考价值。

二、背景技术

机载相控阵天气雷达需要获取气象目标的散射强度、移动速度和速度谱宽等信息。只有飞机航速测量准确，才能保证气象目标运动速度的测量准确。准确测量航速是获取气象目标运动信息的前提。而且，在某一波束方向探测时，为了保证飞机位移很小，驻留时间非常短，可以说在某一波束方向上的探测是在瞬间完成的。因此，机载相控阵天气雷达探测特别对瞬时航速有比较高的精度要求。

导航技术有惯性导航、卫星导航和多普勒导航几大类。每类有各自的技术特点和测量精度。卫星导航提供位置信息、不提供飞机姿态信息。航速信息通过两个不同时刻的位置来计算，是一段时间内的平均速度。而且，平均速度的精度受定位精度的限制，定位精度又与卫星信号积累时间呈正比。通过较长时间的积累，卫星导航可以获取较高精度的平均速度。但是，瞬时速度的计算精度往往达不到机载相控阵天气雷达的探测要求。另外，卫星导航属于非自主式的导航，深受卫星和卫星信号质量的限制。一般只在安装条件允许时，可将其列为辅助导航设备。

惯性导航(INS，简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航***；可以提供速度、位置、偏航角和姿态等完整导航信息。惯导通过测量加速度，并将它对时间进行积分，得到速度信息。速度测量方程可以表示为：其中，a(t)是被测量的加速度。惯导可以获取高精度的瞬时航速信息，但前提是：“初始对准”要非常精确，而且加速度的测量也要有很高的精度。初始对准是一项非常严格的工作。初始对准误差将成为惯导的***误差。如果没有来自其他导航数据的修正，单靠惯导设备无法消除这种误差。最主要的问题是加速度测量误差的发散性。由其测速方程可以看出：加速度测量的微小误差，随着积分时间的加长，会引起较大的速度误差，积分时间越长、误差越大。这种测量误差随时间发散现象也称为“漂移”现象。因此，在测速精度要求较高的场合，需要对惯导测量结果进行修正。

多普勒导航是利用飞机自身携带的(具有多普勒测速功能的)雷达对地进行测量，根据多普勒测速原理获取航速信息。虽然多普勒导航只提供航速信息，但是多普勒测速具有实时性好、精度高的优点。而且通过脉冲积累次数的增加(相当于增加测量时间)，还可以进一步提高测速精度。

但是，多普勒测速一般会遇到测速模糊问题。多普勒测速方程可以表述为：其中，V_D是实际多普勒速度，是实际多普勒速度的测量值。m是模糊次数(m＝0时为无模糊测量)。V_N是最大不模糊速度(也称为Nyquist速度)。在雷达波长λ一定时，V_N的大小取决于脉冲重复频率(其关系为：V_N＝±λ×PRF/4，PRF是脉冲重复频率)。当V_D大于V_N时，测量值不等于实际速度，即出现模糊现象。

三、发明内容

要解决的技术问题：

因为需要探测气象目标的运动信息，所以机载相控阵天气雷达对瞬时航速测量有比较高的精度要求。采用何种导航方案以满足机载相控阵天气雷达的探测要求是首先需要考虑的技术问题。

因为惯导可以提供姿态、航速等完整的导航信息，所以不论采取何种导航方案，惯导***都是机载相控阵天气雷达必备的导航***。但是导航存在误差发散现象。所以如何修正惯导误差是机载相控阵天气雷达必须要解决的关键技术问题。

多普勒测速具有实时性好、精度高的特点，而且通过脉冲积累次数的增加，还可以进一步提高测速精度。这些技术特别恰好满足机载相控阵天气雷达对航速测量的要求。机载相控阵天气雷达通过对地测量有望获取高精度的瞬时航速。但是，因为飞机航速较高，所以对地测量时势必存在多普勒测速模糊现象。能否克服测速模糊问题是机载相控阵天气雷达能否采用多普勒测速技术的关键技术问题，也是本发明的核心内容。

为了解决飞机对地测量时的测速模糊问题，根据测量特点，完善了双脉冲重复频率测速技术(DPRF)，并给出了通用算法。

解决技术问题所采用的技术方案：

解决上述技术问题所采取的总体技术方案包括以下三个方面的主要内容：

1.采用惯导加多普勒测速的自主式组合导航***

综合考虑各种导航技术特点、机载相控阵天气雷达探测技术条件和气象探测要求，采用惯性导航加多普勒导航的自主式组合导航方案。其中，惯导***需要解决的两个问题：一是误差漂移现象，二是“对准”；“对准”包括初始对准和实时对准。多普勒测速需要解决测速模糊问题。另外，在安装条件允许时，可考虑将卫星导航列为辅助导航设备。

2.用多普勒测速数据对惯导***进行“对准”，并对惯导数据进行周期性的修正，使航速测量误差始终控制在精度要求之内

机载相控阵天气雷达对地测量、获取准确的航速数据，用于惯导***的对准和惯导数据的修正。

在进行气象探测前，可以通过雷达对地测量获取的航速数据对惯导***进行初始“对准”。实时“对准”工作在气象探测过程中进行，视探测时间的长短和探测环境而定。

机载雷达对地测量无疑会增加测量时间。为了既有较高的测速精度，又不过分增加机载雷达的负担，对惯导采取周期性的修正是合理的方案。这样就可以将测速误差始终限制在精度要求之内。修正周期需要根据气象探测对测速的精度要求、气象探测周期和惯导误差随时间的变化规律来确定。

3.用DPRF技术克服对地探测时的测速模糊问题

3.1双脉冲重复频率测速技术(DPRF)原理与算法

DPRF技术是多普勒测速中扩展测速范围的实用技术。DPRF技术采用满足一定比例关系的两个不同脉冲重复频率先后进行探测，根据两个测速结果及其差值推算实际速度。

两个脉冲重复频率由高到低分别记为PRF₁和PRF₂，它们对应的最大不模糊速度分别记为V_N1和V_N2、测速范围分别为±V_N1和±V_N2，两个测量结果分别记为和两者的差记为采用DPRF测速技术时，PRF₁和PRF₂需要满足关系：

PRF₁∶PRF₂＝q∶(q-1)(1)

其中，q＝3，4，5，…正整数。采用DPRF测速技术后，测速范围扩展到±qV_N2，最大不模糊速度扩展为：

V_N＝qV_N2＝(q-1)V_N1(2)

这样的测速范围相当于用单脉冲重复频率PRF＝qPRF₂＝(q-1)PRF₁的探测效果。

雷达对地测量时，速度方向只有来向。被测速度的方向为双向时，测速不模糊范围是±qV_N2，最大不模糊速度为qV_N2。被测速度的方向为单向时，测速不模糊范围是0～2qV_N2，最大不模糊速度为2qV_N2。所以，将DPRF用于对地测量时，需要做一些修改。下面的分析只考虑速度方向为单向的情况。

用双脉冲重复频率对地测量时，根据和及其差值的不同，可以将DPRF的不模糊速度范围0～2qV_N2划分为2q个速度区间。速度区间划分的标准是：在每个区间内，有相同的差值ΔV。如此划分的2q个区间，其宽度不尽相同，但是区间宽度关于qV_N2点对称。

通过对和ΔV的分析，判断测量结果(和)落到哪个速度区间，然后用本方法给出的通用计算方法推算实际径向速度：

$V_r=2\mathrm{Int}(i/2)V_{N2}+{\tilde{V}}_{D2}---\left(3\right)$

其中，Int(·)表示取整运算，i表示速度区间序号，i＝1，2，…，2q。

虽然可能是模糊的，但是通过正确判断它们落到哪个区间，仍然可以恢复实际速度。

3.2PRF₁∶PRF₂＝5∶4的DPRF实例

下面以PRF₁∶PRF₂＝5∶4的DPRF为例进一步说明DPRF扩展测速范围原理和速度区间划分。图1中，实线表示PRF₁的测量结果曲线，虚线表示PRF₂的测量结果曲线。和分别是PRF₁和PRF₂的测量结果。根据和的差，将0～10V_N2的速度范围划分为10个速度区间。表1的数据由图1分析得到。由表1也可以看出，和ΔV与速度区间是一一对应的。因此，即便和是模糊的，通过正确地判断速度区间，可以恢复原来的实际速度。以上的例子具有普遍性，对于其它比值的情况有类似分析方法。

表1：DPRF的速度区间及对应速度(PRF₁∶PRF₂＝5∶4)

3.3保证DPRF有效的两个问题

波束角问题

对地测量时，地面相对于飞机的径向速度和航速及波束角有关。波束角是指波束方向和天线法向之间的夹角。为了保证DPRF处于无模糊测量，应采用尽可能大的波束角。

PRF₁和PRF₂的选择问题

因为用DPRF对地测量时，最大不模糊速度为2qV_N2＝2(q-1)V_N1。DPRF对测速范围的扩展能力和PRF₁与PRF₂的相对值以及绝对值都有关系。两个脉冲重复频率的差越小，扩展测速范围的效果越好。PRF₁与PRF₂选择得越高、对应的V_N1和V_N2越大，扩展的测速范围越大。

但是在实际应用DPRF技术时，脉冲重复频率的大小以及两脉冲重复频率的比值都是受限制的。脉冲重复频率受发射机的限制，不能无限制增加。因为测量误差的存在，两脉冲重复频率也不能无限制接近。因为测量误差的存在，两个脉冲重复频率越接近，用ΔV判断和的对应速度区间时容易误判，造成DPRF技术失效。其实，随着两个脉冲重复频率越来越接近，DPRF探测将蜕变成单脉冲重复频率探测。

用多普勒原理对地测量时，测速误差与下垫面的平坦特性有关。下垫面越平坦，测速误差越小。另外，测速误差与脉冲积累次数有关。积累时间越长，这部分误差越小。这部分误差可以表示为：

$\mathrm{\δ}{\tilde{V}}_D=\±\frac{\mathrm{\λ}\×\mathrm{PRF}}{2N_p}---\left(4\right)$

其中，N_p是脉冲积累次数，λ是雷达波长。下垫面的平坦程度是对地测量误差的主要来源。和脉冲积累次数有关的测速误差是可分析、可控制的，通常很小。

所以，PRF₁与PRF₂的选择要从扩展测速范围和保证DPRF有效两方面折中考虑。一方面，PRF₁与PRF₂的比要使DPRF是无模糊测量。另一方面，PRF₁与PRF₂的差对应的速度要大于2倍的才能保证DPRF有效。

例如：用X波段雷达(取雷达波长λ＝3cm)以45°波束角对地测量。两个脉冲重复频率PRF₁与PRF₂分别取1500Hz和1200Hz。1200Hz对应的最大不模糊速度为9m/s，用PRF₁∶PRF₂＝5∶4的DPRF技术后，最大不模糊速度可以扩展到90m/s，对应的航速可高达127m/s，可以满足探测要求。另外，两个脉冲重复频率差对应的速度为δV＝λδF/2＝0.03×(1500-1200)/2＝4.5(m/s)。

如果采用N_p＝64的脉冲积累，则 可以保证DPRF的有效。

有益效果

本技术方案是一种自主式的导航方案，无需增加其它导航设备，比如卫星导航设备，可简化机载气象雷达的导航***。

采用本技术方案可以实现机载雷达对地的无模糊测量，并可以最大限度的提高瞬时航速的测量精度。航速精度主要与姿态角测量误差、多普勒测速误差等因素有关。采用技术方案后，航速误差将主要取决于姿态角的测量精度。如果配合高精度的惯导***，获取高精度的姿态角数据，可大大提高航速精度，以满足机载气象雷达对速度测量的要求。

这里以实例说明采用DPRF技术的效果。两个脉冲重复频率PRF₁和PRF₂分别取1500Hz和1200Hz，两个脉冲重复频率构成PRF₁∶PRF₂＝5∶4的DPRF探测。两个脉冲重复频率对应的最大不模糊速度分别为V_N1＝11.25m/s和V_N2＝9m/s。

对于X波段雷达(取雷达波长λ＝3cm)，900Hz对应的最大不模糊速度为9m/s，采用PRF₁∶PRF₂＝5∶4的DPRF技术后，最大不模糊速度扩展为90m/s。这样的测速范围完全可以满足机载气象雷达对地测量的要求。

假设，飞机平飞时，以波束角45°对地测量，两个测量结果分别为和 所以，区间号i＝8，由算出，地面相对于飞机的波束径向的速度为70.71m/s，折合实际航速为100m/s。

四、附图说明

图1：DPRF测速原理图(PRF₁∶PRF₂＝5∶4)

图是对DPRF技术扩展测速范围原理的说明。DPRF技术先后采用两个脉冲重复频率进行测速，通过对两个测速结果的分析与计算达到扩展测速范围的目的。其中，PRF₁和PRF₂分别表示两个脉冲重复频率，V_N1和V_N2分别是它们对应的最大不模糊速度，±V_N1和±V_N2分别是它们对应的测速不模糊范围。图中实线表示PRF₁对应的测量曲线，虚线表示PRF₂对应的测量曲线。两个测量结果分别记为和两者的差记为

PRF₁和PRF₂分别表示两个脉冲重复频率，V_N1和V_N2分别是它们对应的最大不模糊速度，±V_N1和±V_N2分别是它们对应的测速不模糊范围。图中实线表示PRF₁对应的测量曲线，虚线表示PRF₂对应的测量曲线。两个测量结果分别记为或两者的差记为根据ΔV可以将10V_N2划分为10个速度区间，ΔV和速度区间一一对应。根据速度区间和测量结果(和)就可以恢复实际速度。

五、具体实施方式

1.确定DPRF的两个脉冲重复频率比

根据大致航速V_a、波束角θ可以变化的范围、发射机脉冲重复频率PRF可以变化的范围、测速误差等技术指标，确定DPRF的两个脉冲重复频率比：PRF₁∶PRF₂＝q∶(q-1)。在两个脉冲重复频率比中，q值得确定需要满足一下两个条件：

qV_N2＞V_acosθ(5)

$\mathrm{\δV}>2\mathrm{\δ}{\tilde{V}}_D---\left(6\right)$

其中，V_N2是PRF₂对应的最大不模糊速度，δV是两个脉冲重复频率差PRF₁-PRF₂对应的多普勒速度。是与脉冲积累次数对应的多普勒测速误差(由公式确定)。

2.确定DPRF的速度区间个数及速度差

根据上述确定的q值，确定速度区间个数，区间个数为2q。然后，类似于表1，确定各速度区间对应的速度差，ΔV_i，i＝1，2，…，2q。

3.进行DPRF测量得到和

4.判别和所在的速度区间

求和的差，并记为 计算 是与脉冲积累次数对应的多普勒测速误差。将和根据2确定的速度差ΔV_i逐一进行比较，和ΔV_i最接近的速度区间i为和所在速度区间。

5.实际速度的计算

根据上面确定的速度区间i，用下面公式计算地面相对于雷达的实际径向速度。

$V_r=2\mathrm{Int}(i/2)V_{N2}+{\tilde{V}}_{D2}---\left(7\right)$

其中V_r是地面相对于雷达的径向速度，其它各符号的意义与上面相同。

6.实际航速的计算

根据波束角θ、地面相对于雷达的径向速度V_r，计算瞬时航速。

7.惯导对准与修正

根据上述方法得到的瞬时航速数据，对惯导数据进行对准和修正处理。

Claims (1)

1.机载相控阵天气雷达高精度测量瞬时航速方法，其特征是，用双脉冲重复频率DPRF技术扩展测速范围，以实现机载相控阵天气雷达对地面进行速度测量时的无模糊测量，用DPRF技术获取的高精度瞬时航速数据对惯性导航***进行对准和修正；

其中，扩展测速范围采用双脉冲重复频率DPRF技术，并且采用判断两个测量结果对应的速度区间、用计算地面相对于雷达的径向速度的方法，其中i表示DPRF速度区间序号，△V_i是DPRF理论差，是DPRF测量差，是和脉冲积累次数有关的测速误差，V_r是地面相对于雷达的径向速度，V_N2是两个脉冲重复频率中较低的一个对应的最大不模糊速度，是两个脉冲重复频率中较低的一个的测量值，Int(·)表示取整运算。