專利名稱：機載相控陣天氣雷達高精度測量瞬時航速方法
技術領域：
本方法屬于機載導航領域；直接用于機載相控陣天氣雷達導航參數中航速參數的測量；對于采用慣性導航加多普勒導航組合、且對瞬時航速精度要求比較高的導航系統亦有參考價值。
背景技術：
機載相控陣天氣雷達需要獲取氣象目標的散射強度、移動速度和速度譜寬等信息。只有飛機航速測量準確，才能保證氣象目標運動速度的測量準確。準確測量航速是獲取氣象目標運動信息的前提。而且，在某一波束方向探測時，為了保證飛機位移很小，駐留時間非常短，可以說在某一波束方向上的探測是在瞬間完成的。因此，機載相控陣天氣雷達探測特別對瞬時航速有比較高的精度要求。導航技術有慣性導航、衛星導航和多普勒導航幾大類。每類有各自的技術特點和測量精度。衛星導航提供位置信息、不提供飛機姿態信息。航速信息通過兩個不同時刻的位置來計算，是一段時間內的平均速度。而且，平均速度的精度受定位精度的限制，定位精度又與衛星信號積累時間呈正比。通過較長時間的積累，衛星導航可以獲取較高精度的平均速度。但是，瞬時速度的計算精度往往達不到機載相控陣天氣雷達的探測要求。另外，衛星導航屬于非自主式的導航，深受衛星和衛星信號質量的限制。一般只在安裝條件允許時， 可將其列為輔助導航設備。慣性導航(INS，簡稱慣導)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自
主式導航系統；可以提供速度、位置、偏航角和姿態等完整導航信息。慣導通過測量加速度，
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并將它對時間進行積分，得到速度信息。速度測量方程可以表示為ν( 2) = ν(Ο+^(0&。
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其中，a(t)是被測量的加速度。慣導可以獲取高精度的瞬時航速信息，但前提是“初始對準”要非常精確，而且加速度的測量也要有很高的精度。初始對準是一項非常嚴格的工作。 初始對準誤差將成為慣導的系統誤差。如果沒有來自其他導航數據的修正，單靠慣導設備無法消除這種誤差。最主要的問題是加速度測量誤差的發散性。由其測速方程可以看出 加速度測量的微小誤差，隨著積分時間的加長，會引起較大的速度誤差，積分時間越長、誤差越大。這種測量誤差隨時間發散現象也稱為“漂移”現象。因此，在測速精度要求較高的場合，需要對慣導測量結果進行修正。多普勒導航是利用飛機自身攜帶的(具有多普勒測速功能的)雷達對地進行測量，根據多普勒測速原理獲取航速信息。雖然多普勒導航只提供航速信息，但是多普勒測速具有實時性好、精度高的優點。而且通過脈沖積累次數的增加(相當于增加測量時間)，還可以進一步提高測速精度。但是，多普勒測速一般會遇到測速模糊問題。多普勒測速方程可以表述為
其中，Vd是實際多普勒速度，&是實際多普勒速度的測量值。m是模糊次數 (m = 0時為無模糊測量)。Vn是最大不模糊速度(也稱為Nyquist速度)。在雷達波長λ一定時，Vn的大小取決于脈沖重復頻率(其關系為VN = 士 λ XPRF/4，PRF是脈沖重復頻率)。當Vd大于Vn時，測量值不等于實際速度，即出現模糊現象。
發明內容
要解決的技術問題因為需要探測氣象目標的運動信息，所以機載相控陣天氣雷達對瞬時航速測量有比較高的精度要求。采用何種導航方案以滿足機載相控陣天氣雷達的探測要求是首先需要考慮的技術問題。因為慣導可以提供姿態、航速等完整的導航信息，所以不論采取何種導航方案，慣導系統都是機載相控陣天氣雷達必備的導航系統。但是導航存在誤差發散現象。所以如何修正慣導誤差是機載相控陣天氣雷達必須要解決的關鍵技術問題。多普勒測速具有實時性好、精度高的特點，而且通過脈沖積累次數的增加，還可以進一步提高測速精度。這些技術特別恰好滿足機載相控陣天氣雷達對航速測量的要求。機載相控陣天氣雷達通過對地測量有望獲取高精度的瞬時航速。但是，因為飛機航速較高，所以對地測量時勢必存在多普勒測速模糊現象。能否克服測速模糊問題是機載相控陣天氣雷達能否采用多普勒測速技術的關鍵技術問題，也是本發明的核心內容。為了解決飛機對地測量時的測速模糊問題，根據測量特點，完善了雙脈沖重復頻率測速技術(DPRF)，并給出了通用算法。解決技術問題所采用的技術方案解決上述技術問題所采取的總體技術方案包括以下三個方面的主要內容1.采用慣導加多普勒測速的自主式組合導航系統綜合考慮各種導航技術特點、機載相控陣天氣雷達探測技術條件和氣象探測要求，采用慣性導航加多普勒導航的自主式組合導航方案。其中，慣導系統需要解決的兩個問題一是誤差漂移現象，二是“對準”;“對準”包括初始對準和實時對準。多普勒測速需要解決測速模糊問題。另外，在安裝條件允許時，可考慮將衛星導航列為輔助導航設備。2.用多普勒測速數據對慣導系統進行“對準”，并對慣導數據進行周期性的修正， 使航速測量誤差始終控制在精度要求之內機載相控陣天氣雷達對地測量、獲取準確的航速數據，用于慣導系統的對準和慣導數據的修正。在進行氣象探測前，可以通過雷達對地測量獲取的航速數據對慣導系統進行初始 “對準”。實時“對準”工作在氣象探測過程中進行，視探測時間的長短和探測環境而定。機載雷達對地測量無疑會增加測量時間。為了既有較高的測速精度，又不過分增加機載雷達的負擔，對慣導采取周期性的修正是合理的方案。這樣就可以將測速誤差始終限制在精度要求之內。修正周期需要根據氣象探測對測速的精度要求、氣象探測周期和慣導誤差隨時間的變化規律來確定。3.用DPRF技術克服對地探測時的測速模糊問題3. 1雙脈沖重復頻率測速技術(DPRF)原理與算法DPRF技術是多普勒測速中擴展測速范圍的實用技術。DPRF技術采用滿足一定比例關系的兩個不同脈沖重復頻率先后進行探測，根據兩個測速結果及其差值推算實際速度。兩個脈沖重復頻率由高到低分別記為PRF1和PRF2,它們對應的最大不模糊速度分別記為Vni和VN2、測速范圍分別為士Vni和士VN2，兩個測量結果分別記為已和&2，兩者的差記為AF = I1-^2。采用DPRF測速技術時，PRF1和PRF2需要滿足關系PRF1 PRF2 = q (q_l)(1)其中，q = 3,4,5,…正整數。采用DPRF測速技術后，測速范圍擴展到士qVN2，最大不模糊速度擴展為Vn = qVN2 = (q-l)VN1(2)這樣的測速范圍相當于用單脈沖重復頻率PRF = QPRF2 = (Q-I)PRF1的探測效果。雷達對地測量時，速度方向只有來向。被測速度的方向為雙向時，測速不模糊范圍是士qVN2，最大不模糊速度為qVN2。被測速度的方向為單向時，測速不模糊范圍是0 2qVN2， 最大不模糊速度為2qVN2。所以，將DPRF用于對地測量時，需要做一些修改。下面的分析只考慮速度方向為單向的情況。用雙脈沖重復頻率對地測量時，根據已和&2，及其差值ΔΖ =已的不同，可以將DPRF的不模糊速度范圍0 2qVN2劃分為2q個速度區間。速度區間劃分的標準是在每個區間內，有相同的差值Δν。如此劃分的2q個區間，其寬度不盡相同，但是區間寬度關于qV N2 點對稱。通過對Ffll > VD2m △ V的分析，判斷測量結果(VDim VD2)落到哪個速度區間，然
后用本方法給出的通用計算方法推算實際徑向速度Vr=2Int(J/2)VN1+Vm(3)其中，Int( ·)表示取整運算，i表示速度區間序號，i = 1，2，…，2q。雖然已、^2可能是模糊的，但是通過正確判斷它們落到哪個區間，仍然可以恢復
實際速度。3. 2PRF! PRF2 = 5 4 的 DPRF 實例下面以PRF1 PRF2 = 5 4的DPRF為例進一步說明DPRF擴展測速范圍原理和速度區間劃分。
圖1中，實線表示PRF1的測量結果曲線，虛線表示PRF2的測量結果曲線。 &和&2分別是PRF1和PRF2的測量結果。根據&和Pfl2的差，將0 IOVn2W速度范圍劃分為10個速度區間。表1的數據由圖1分析得到。由表1也可以看出，&、&和Δν與速度區間是一一對應的。因此，即便已和是模糊的，通過正確地判斷速度區間，可以恢復原來的實際速度。以上的例子具有普遍性，對于其它比值的情況有類似分析方法。
權利要求
1.機載相控陣天氣雷達高精度測量瞬時航速方法，其特征是，用雙脈沖重復頻率 (DPRF)技術擴展測速范圍，以實現機載相控陣天氣雷達對地面進行速度測量時的無模糊測量，用DPRF技術獲取的高精度瞬時航速數據對慣性導航系統進行對準和修正。
2.根據權利要求1所述的方法，擴展多普勒測速范圍采用雙脈沖重復頻率 (DPRF)技術，并且采用判斷兩個測量結果對應的速度區間、用 I 二 2/ 小_/2)廠#2+&2計算地面相對于雷達的徑向速度的方法，其中i表示DPRF速度區間序號，AVi是DPRF理論差，么廠是DPRF測量差，&是和脈沖積累次數有關的測速誤差， t是地面相對于雷達的徑向速度，Vn2是兩個脈沖重復頻率中較低的一個對應的最大不模糊速度，是兩個脈沖重復頻率中較低的一個的測量值，Int (.)表示取整運算。
全文摘要
“機載相控陣天氣雷達高精度測量瞬時航速方法”屬于機載導航領域，直接用于機載相控陣天氣雷達導航參數中航速參數的測量。為了獲取氣象目標運動信息，機載相控陣天氣雷達需要高精度的瞬時航速數據。為此，提出了慣性導航加多普勒測速的自主式組合導航方案；并提出了慣性導航“對準”和克服誤差“漂移”的解決方案；解決了機載相控陣天氣雷達“對地測量”時存在的測速模糊問題。發明的核心內容是提出了機載雷達“對地測量”的雙脈沖重復頻率探測(DPRF)技術，并給出了通用計算公式。采用本技術可實現機載天氣雷達對地面的無模糊速度測量，以提高瞬時航速的測量精度。
文檔編號G01S13/86GK102384755SQ20101027042
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者何平, 李柏, 高玉春 申請人:何平, 李柏, 高玉春