CN101017202B

CN101017202B - 一种雷达高度表及采用该表对飞行器位置的测量方法

Info

Publication number: CN101017202B
Application number: CN200610022520A
Authority: CN
Inventors: 皮亦鸣; 付毓生; 曹宗杰; 闵锐; 范录宏; 王海江; 王金峰; 周鹏; 杨永红
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-12-18
Also published as: CN101017202A

Abstract

一种雷达高度表及采用该表对飞行器位置的测量方法，涉及定位导航领域，该表包含一个发射天线和两个接收天线，两接收天线分别位于载机的两侧，且两者构成的基线与飞行路线垂直。两天线分别对应一个信号处理通道，两天线接收的信号经信号处理通道处理后与定位处理模块连接。该表对飞行器的位置测量的方法是采用一个发射天线和两个接收天线，通过两个天线接收信号的相位差精确计算飞行器离目标的距离，利用多普勒频移信息计算目标方位，并利用多普勒波束锐化技术进一步提高了距离和高度的测量精度。利用测得的地形数据与预存于数字基准地图中的地形数据进行相关，来获取飞行器的位置信息，对飞行器进行精确导航。

Description

一种雷达高度表及采用该表对飞行器位置的测量方法

技术领域

本发明属于定位和导航领域，它特别涉及高精度雷达测高和地形辅助导航技术。

背景技术

雷达高度表是搭载于飞机、卫星等飞行平台上的测高雷达，可以用来测量雷达至目标面的平均高度、目标起伏特性和目标后向散射特性等参量。作为一种微波遥感器，雷达高度表受气候、天气、昼夜影响较小，具有全天候全天时等特点。可以用在轨道测量、弹道修正、巡航制导、航天着陆、大地测量、海洋测绘等方面。

到目前为止，雷达高度表的发展已经经历了四个阶段。其中法国T.T.R公司研制的AHV型高度表(应用于飞机导航、自动着陆和低空武器制导)、美国研制的GESO-C高度表(采用脉冲压缩与扩展技术，测高精度±0.5米)、SEASAT-A海洋雷达高度表(采用去斜坡(deramp)技术进行脉冲压缩与扩展处理和滤波器组分辨回波的方法，测高精度±10cm)以及欧洲航空局发射的ERS-1、ERS-2、TOPEX/POSEIDON雷达高度表(测高精度±2cm)分别为各个阶段的代表产品。从上世纪九十年代末期开始，国际上开始了第五代雷达高度表的研究工作，第五代雷达高度表能够海陆兼顾，采用Delay/Doppler的信号处理方法，同时还具备成像的功能。

上述传统雷达高度表通过发射天线和接收天线直接对地面回波信号进行跟踪捕获实现飞行器高度测量，见附图1。这类雷达高度表只有一副接收天线，测高精度容易受到外界噪声和干扰的影响。在地形辅助导航中，制导精度和雷达高度表的测高精度有着密切关系。由于地形地貌的影响，雷达高度表回波信号容易发生前沿变缓、波形展宽和分裂等现象。这些现象的存在影响了回波信号的捕获，降低了雷达高度表的测高精度。因此需要研究一种既快速又准确的雷达高度表测距新方法。

发明内容

为了提高测距精度，实现高精度定位，本发明将干涉方法引入雷达高度表进行测距。干涉测量方法是根据一定距离内不同天线接收到的同一目标回波信号之间的相位差关系计算出目标与天线之间的相对距离。

如附图2(a)所示，本发明所设计的系统包含一个发射天线3和两个接收天线(天线1与天线2).两接收天线分别位于载机的两侧，且两者构成的基线即两天线中心间的连线B与飞行路线垂直，由图3可见每个接收天线对应一个信号处理通道(数据通道)，即数据通道1和数据通道2，两通道分别都包括天线、数字化单元、多普勒滤波、距离门和距离门跟踪，它们的连接关系如下：接收天线1和接收天线2分别与数据通道I和数据通道2中的距离门的一个输入接口连接，天线接收的回波信号经过距离门截取以后由距离门输出端到数字化单元的输入接口，在数字化单元模块中转化为数字信号并进入多普勒滤波模块的输入口，在多普勒滤波模块中进行快速傅里叶变换，并选通具有一定多普勒偏移的信号，多普勒滤波后的信号分为两路，一路进入相位比较模块进行相位比较，相位比较模块的输出口与定位处理模块中的计算入射角的输入口连接，经过定位处理模块后的信息用于航迹调整；另一路进入距离门跟踪的输入口，在距离跟踪模块中经过跟踪算法处理后的回波位置信息反馈到距离门的另一个输入口对距离门进行控制.

采用本发明的雷达高度表对飞行器离目标的测试方法，是采用一个发射天线3，和两个接收天线(天线1，天线2)，通过两天线分别进入对应的信号处理通道。在通过采样变为数字信号之后，通过快速傅立叶变换进行多普勒滤波，然后通过跟踪算法将参数反馈回距离门。按照图3流程图进行更精确的跟踪定位。把通过多普勒滤波得出的两组信号进行相位比较，得到相位差，然后根据相位差输入定位处理模块，计算出飞行器离目标的位置信息对飞行器进行精确导航。

更具体地说，该方法按照以下步骤实现：

由天线1和天线2接收的信号分别进入对应的数据通道，通过A/D采样变为数字信号之后，经快速傅立叶变换进行多谱勒滤波，在某一时刻，天线1接收沿载机飞行方向与多普勒中心条带相邻的下一多普勒条带内的回波信号，并通过通道1的距离跟踪环估计该条带内最高点与天线1的距离值R′₁，在下一时间间隔，当天线1在上一时刻接收回波所对应的多普勒条带位于载机正下方时，此时载机正下方为更新后的多普勒中心条带，通道2以通道1的距离估计值R′₁为参考对通道1的距离门进行控制，通过缩小跟踪范围精确搜索得到天线2到区域最高点的精确距离值R₂，计算天线1与天线2接收到的区域最高点回波的相位差，并结合R₂即可得到天线1与区域最高点的精确距离值R₁和区域最高点的高度值，将不同时刻获取的地面目标高度值输入定位处理模块，结合附图2(a)所示的雷达基线长度以及几何关系，可以求得目标点的距离Y和载机高度Z。

当得到载机与地面最高点之间的位置关系Y和Z以后，通过与电子地图进行匹配，就可以对载机当前位置进行精确定位。

与电子地图进行位置匹配基本原理是利用地球表面不同地区由于凹凸不平形成了的典型特征来确定飞行器所在的地理位置。地形辅助导航的核心就是地形匹配算法。它通过飞行器飞越特定地形时雷达高度表采集的实时地形剖面数据与预存于数字基准地图中的地形数据进行相关，来获取飞行器的位置信息，并以此为依据对飞行器的航迹进行修正。目前常用地形匹配算法有：交叉相关算法(COR)、平均平方差算法(MSD)、平均绝对差算法(MAD)。已证明MAD算法精度与MSD算法接近，但MAD算法的运算量却比MSD小得多，因此本发明采用MAD算法。

为了进一步提高雷达高度表测量精度，本发明使用了合成孔径技术，也就是多普勒波束锐化技术(DBS)，即利用信号的相干累积来获得更窄的波束。可以达到的波束锐化比为

其中θ_aa为实际雷达波束宽度。在进行多普勒波束锐化时利用快速傅立叶变换，进行非聚焦处理，信号的相干累积时间

其中R为积累开始时刻雷达到目标点的斜距，λ为信号的波长，V_a为载机速度、φ雷达斜视角。

该发明的有益效果是：通过使用干涉法测高技术，使得雷达高度表的测量精度大大提高；通过数字地形匹配辅助导航，使导航信息更加丰富和完备，尤其是能够获得载机当前的具体地理位置；通过DBS技术进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为传统雷达高度表原理示意图。

图2为本发明雷达高度表系统工作示意图。其中：

(a)为雷达天线位置关系，以及载机飞行过程中与地面的几何关系。

其中，1、2分别为接收天线1、接收天线2，3为发射天线。H为天线到地面参考点的垂直距离，Z为天线到待测目标的垂直距离，R1和R2分别是天线1和天线2到待测点的距离。Y为待测点到发射天线中轴线的垂直距离。B为两接收天线轴线间的距离，称为基线。

(b)为载机雷达回波多普勒条带示意图。其中，圆圈表示雷达波束照射范围，a、b分别为多普勒条带a、多普勒条带b，同一个多普勒条带上的多普勒频率是相同的。

图3为雷达高度表信号处理流程图。其中天线1和天线2为接收天线，各对应一个数据处理通道，每个数据通道由距离门、数字化单元、多普勒滤波器、距离跟踪单元等模块组成。两个数据通道的多普勒滤波结果经过相位比较后输入到定位处理模块，从而完成载机位置的精确计算。

图4为雷达视角与多普勒条带的关系。V_a为载机飞行的速度，箭头所指方向为飞机飞行方向。

为雷达视线与地面垂线的夹角，不同的雷达视线夹角对应不同的多普勒条带。X为地面坐标。H_a为载机的飞行高度。

实施例

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

假设载机的飞行高度H_a＝5000m，工作频率是Ku波段时，选用基线长度0.5836m，根据测距精度与频率以及基线间的关系，可得此时的距离-相位精度比

按照附图3中的信号处理流程，首先将天线1应用多普勒滤波器选择接收多普勒条带B的回波并进行保存，同时利用通道1的粗精度高速度跟踪环求得天线1与区域最高点距离值的粗估计。在下一个时间间隔载机的正下方到达多普勒条带a所在区域同时转变为多普勒条带b，此时利用通道2的窄带高精度跟踪器根据通道1的粗略估计值为参考进行精确的搜索得到距天线2到区域最高点精确的距离值R₂。再将天线2与天线1接收到的载机正下方多普勒条带内地面最高点的回波信号进行相位差计算，并通过相位差就可以得到精确的距离值R₁：

其中λ为波长，

为当前的相位差。此时结合两天线的基线长度由三角形的边角关系得：

\cos θ = \frac{B^{2} - 2 R_{2} ΔR - Δ R^{2}}{2 R_{2} B}

其中θ为R₂与基线的夹角。要进行定位首先要得到垂直航迹方向的坐标值

Y：

Y = R_{2} \cos θ - \frac{1}{2} B = \frac{B^{2} - ΔR - 2 R_{2} ΔR}{2 B} - \frac{1}{2} B

还要得到相对于最高点的高度值Z：

Z = R_{2} \sin θ = R_{2} \sqrt{1 - \cos^{2} θ}

由附图4，散射单元的多普勒频移为：

其中V_a：载机速度；φ：速度矢量和视线(LOS)间的夹角；λ：发射波长。对于载机下方的地面目标，回波多普勒频移值和夹角φ一一对应。通过对回波进行频域分析，得到多普勒频移，进一步得到夹角φ。地面上等多普勒的空间位置X可以由公式X＝H_atg(φ)确定。

雷达高度表采集到实时地形剖面数据后，与预存于数字基准地图中的地形数据进行相关，来获取飞行器的位置信息，并以此为依据对飞行器的航迹进行修正。采用的相关算法为平均绝对差算法(MAD)，MAD相关运算的公式如下：

MAD (I_{0}, J_{0}) = \frac{1}{N} Σ_{0}^{N - 1} | (H_{i} - {\hat{H}}_{i}) - ({\overset{&OverBar;}{H}}_{i} - {\overset{&OverBar;}{\hat{H}}}_{i}) |

式中H_i为基准数据高程序列，

为雷达高度表测量的高度数据，一般要先经过平滑滤波，H_i为基准数据高程序列的均值，

为测量高程数据，(I₀，J₀)为任意搜索位置，N为匹配航线数据个数。通过相关算法在数字地图中找出一组高程序列H_i，使其等于或者近似于实测高程序列

从而确定飞行器的航向。

结合附图3的流程，这种雷达高度表系统可具体实现如下：天线可以用阵列天线；数据通道和相位比较单元可以用FPGA(现场可编程门阵列)器件编程实现；定位处理模块可用DSP(数字信号处理器)器件编程实现。

Claims

1.一种雷达高度表包含有发射天线和接收天线，两个接收天线分别位于载机的两侧，两者构成的基线与飞行路线垂直，其特征是每个接收天线对应一个信号处理通道，两通道分别都包含有天线、数字化单元、多普勒滤波、距离门和距离门跟踪模块，它们的连接关系是：接收天线1和接收天线2分别与数据通道I和数据通道2中的距离门的一个输入接口连接，天线接收的回波信号经过距离门截取以后由距离门输出端到数字化单元的输入接口，在数字化单元模块中转化为数字信号并进入多普勒滤波模块的输入口，在多普勒滤波模块中进行快速傅里叶变换，并选通具有一定多普勒偏移的信号，多普勒滤波后的信号分为两路，一路进入相位比较模块进行相位比较，相位比较模块的输出口与定位处理模块中的计算入射角的输入口连接，经过定位处理模块后的信息用于航迹调整；另一路进入距离门跟踪的输入口，在距离跟踪模块中经过跟踪算法处理后的回波位置信息反馈到距离门的另一个输入口对距离门进行控制。

2.采用本发明的雷达高度表对飞行器离目标距离的测量方法，其特征是采用一个发射天线和两个接收天线，由天线1和天线2接收的信号分别进入对应的数据通道，通过A/D采样变为数字信号之后，经快速傅立叶变换进行多谱勒滤波，在某一时刻，天线1接收沿载机飞行方向与多普勒中心条带相邻的下一多普勒条带内的回波信号，并通过通道1的距离跟踪环估计该条带内最高点与天线1的距离值R′₁，在下一时间间隔，当天线1在上一时刻接收回波所对应的多普勒条带位于载机正下方时，此时载机正下方为更新后的多普勒中心条带，通道2以通道1的距离估计值R′₁为参考对通道1的距离门进行控制，通过缩小跟踪范围精确搜索得到天线2到区域最高点的精确距离值R₂，计算天线1与天线2接收到的区域最高点回波的相位差，并结合R₂即可得到天线1与区域最高点的精确距离值R₁和区域最高点的高度值，将不同时刻获取的地面目标高度值输入定位处理模块，计算出飞行器相对于目标的位置信息，对飞行器进行精确导航。

3.根据权利要求2所述的对飞行器离目标距离的测量方法，其特征是通过多普勒滤波进行多普勒波束锐化，实现地面回波的非聚焦处理，从而实现方位分辨率的提高，信号的相干积累时间

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征是利用雷达高度表测量的不同时刻地面高度值形成航迹线，利用平均绝对差算法与数字地形图进行地形轮廓匹配，以获得载机实时地理位置参数，实现载机的精确地形辅助导航。