专利名称：机载相控阵天气雷达高精度测量瞬时航速方法
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系统亦有参考价值。
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
主式导航系统；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，
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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ν( 2) = ν(Ο+^(0&。
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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系统误差。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，Vd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)。Vn是最大不模糊速度(也称为Nyquist速度)。在雷达波长λ一定时，Vn的大小取决于脉冲重复频率(其关系为VN = 士 λ XPRF/4，PRF是脉冲重复频率)。当Vd大于Vn时，测量值不等于实际速度，即出现模糊现象。
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，惯导系统都是机载相控阵天气雷达必备的导航系统。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系统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，惯导系统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系统进行“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，用于惯导系统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系统进行初始 “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Vni和VN2、测速范围分别为士Vni和士VN2，两个测量结果分别记为已和&2，两者的差记为AF = I1-^2。采用DPRF测速技术时，PRF1和PRF2需要满足关系PRF1 PRF2 = q (q_l)(1)其中，q = 3,4,5,…正整数。采用DPRF测速技术后，测速范围扩展到士qVN2，最大不模糊速度扩展为Vn = qVN2 = (q-l)VN1(2)这样的测速范围相当于用单脉冲重复频率PRF = QPRF2 = (Q-I)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，测速不模糊范围是士qVN2，最大不模糊速度为qVN2。被测速度的方向为单向时，测速不模糊范围是0 2qVN2， 最大不模糊速度为2qVN2。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，根据已和&2，及其差值ΔΖ =已的不同，可以将DPRF的不模糊速度范围0 2qVN2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Δν。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Ffll > VD2m △ V的分析，判断测量结果(VDim VD2)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Vr=2Int(J/2)VN1+Vm(3)其中，Int( ·)表示取整运算，i表示速度区间序号，i = 1，2，…，2q。虽然已、^2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. 2PRF! 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&2分别是PRF1和PRF2的测量结果。根据&和Pfl2的差，将0 IOVn2W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Δν与速度区间是一一对应的。因此，即便已和是模糊的，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。
权利要求
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系统进行对准和修正。
2.根据权利要求1所述的方法，扩展多普勒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 I 二 2/ 小_/2)厂#2+&2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，AVi是DPRF理论差，么厂是DPRF测量差，&是和脉冲积累次数有关的测速误差， t是地面相对于雷达的径向速度，Vn2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。
全文摘要
“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。
文档编号G01S13/86GK102384755SQ20101027042
公开日2012年3月21日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者何平, 李柏, 高玉春 申请人:何平, 李柏, 高玉春