CN101762812A - 一种机载单站无源定位系统对目标辐射波长的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载单站无源定位系统对被测目标辐射波长的测定方法，测定方法包括如下步骤：机载单站无源探测平台沿直线作匀速运动；将所接收的探测信号先经接收前端处理，然后送入数字信号处理单元，在同步时钟的控制下定周期检测所得到信号频率值被送往储存器；数据处理单元在定周期同步时钟的触发下，通过自动或人工指令的方式，从储存器中调用最新的三个频率值测算出被测信号的波长。本发明通过采用简单的频率测量技术即能准确估计得到被测目标辐射信号的波长，可应用于执行远距定位测量任务，但装备简陋、得不到地面测量系统支持的空中测量平台，亦适用于空中无线电信号的监测管理。

Description

一种机载单站无源定位系统对目标辐射波长的测定方法

技术领域

本发明属于无线电测量技术领域，具体涉及机载单站无源定位系统，通过应用频率测量技术，并综合利用速度关系、多普勒频移及变化率方程实现对被测目标辐射信号波长的准确测定。

背景技术

中国正在逐渐成为世界强国，为推进强军战略，就必须建立一支有一定威慑作用的军事力量，而能赢得21世纪战争胜利的关键在于最快捷、最准确的获取情报。这其中就包括发展空基情报侦察系统，尤其是远程空基情报侦察系统。远程空基侦察仍是获取信息资源的主要手段，且不可能被卫星替代。

远程空基侦察系统所涉及的主要技术之一是机载单站无源定位方法，其具有作用距离远、隐蔽接收、不易被对方发现等优点，对于提高探测和侦察系统在电子战环境下的生存和作战能力具有重要作用。因其具有良好的灵活性和机动性，故在机载探测和电子侦察领域中具有广阔的应用前景。机载单站无源定位技术由于获取的信息量相对较少，定位难度相对较大。在现有的定位技术中，尽管测向和测时定位法具有成本低、设备成熟和容易实现等优点，但因其定位时间长、测量精度低等弊端，难以满足日益发展的电子战的战术需求；而相位干涉定位法系统则设备和算法相对较为复杂。

多普勒定位技术具有测向误差小、灵敏度高和稳定性好等特点，但在现有的基于多普勒频移测量技术的机载单站无源定位方程中，通常都包含有被测辐射源信号的波长参数，实际上这是一个未知的参量，且至今只能是通过预先装订、近似估计或借助于另外的测量设备得到。

已有研究已经给出了一种不需估算被测辐射源波长的机载无源定位方法。其通过增加观测次数，以列出更多的定位方程，从而能够消去未知的波长。这种方法仅需机载站保持均速直线飞行，并对频谱进行连续的跟踪测量，且在连续获得三个多普勒频差测量值后，即可通过计算公式求得被测目标的距离和相对方位，但初步的分析亦表明这种方法的测量误差较大。

除非采用附加的测频方法得到目标的中心频率，否则就需要对中心频率预先装订或当前估计。事实上，如能精确测定出辐射源发射端的中心频率，则就能直接从多普勒公式本身求解出径向速度，并进而求得定位所需的各个参量，于是基于双接收通道的频差测量方式就将不再被需要。

显然，对于远距飞行侦察而言，在得不到地面测量系统直接支持的情况下，为提高单站无源定位系统的测量精度，载机自身就必须具有准确测算或估计被测目标辐射信号中心波长的能力。

发明内容

针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种机载单站无源定位系统对目标辐射波长(频率)的测定方法。本发明测定方法通过综合应用速度矢量方程、多普勒频移及变化率关系，仅利用测频技术即能解算得到辐射信号的中心频率。

本发明所提供的测定方法有助于执行远距侦察任务，但装备简陋的载机提高定位测量精确度。亦能应用于无线电管理机构对无线信号的监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

在机载探测站匀速移动的条件下，一方面借助于多普勒式频移变化率方程，并利用三角函数关系，可得到在相邻测量节点之间多普勒变化率之比等于切向速度三次方之比的等式关系，另一方面，根据多普勒频移变化率的数学定义，相邻测量节点间的多普勒变化率之比亦能由相邻节点的实测频率差之比所确定。在此基础上，进一步根据速度矢量关系和多普勒频移方程，将切向速度用已知的载机飞行速度和多普勒频移置换，即能得到一个含有未知波长及待定多普勒频移的方程式，此时，再将实测频率、多普勒频移和中心频率之间的转换关系代入，则即能得到一个仅含有未知辐射信号中心波长(频率)的一元二次方程。

测定方法包括如下步骤：

(1)、机载单站无源探测平台沿直线作匀速运动；

(2)、将所接收的探测信号先经接收前端放大-变频后进入数字信号处理单元，然后在同步时钟的控制下，通过定周期解算得到信号的频率值，并将检测结果送往储存器；

(3)数据处理单元在定周期同步时钟的触发下，通过自动或人工指令的方式，从储存器中调用最新的三个频率值测算出被测信号的波长：先按下式计算相邻测量节点处频差的比值q：

$q=\frac{f_{t3}-f_{t2}}{f_{t2}-f_{t1}}=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_{t32}}{\mathrm{\Δ}{f}_{t21}}---\left(1\right)$

式中：f_ti为测量节点处的实测频率值。

然后按下式计算出被测信号的波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})v_c+\sqrt{v_c^2{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})}^2-(f_{t2}^2-\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2)(1-\sqrt[3]{q^2})(v_c^2-v^2)}}{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2-f_{t2}^2)}---\left(2\right)$

式中：λ为目标信号辐射波长；v_c为光速；v为载机的飞行速度。

在自动测算的情况下，存贮器需以三倍于数字信号处理单元工作周期的时间周期长度，定时将三个存贮值成一组的送入数据处理单元。

本发明的测定方法无需采用复杂的检测方法、或者是算法，仅通过简单的频率测量就能准确估计得到被测辐射信号的波长。此种简易测量方法将有助于那些执行远距定位测量任务、但装备简陋、又得不到地面测量系统直接支持的小型空中测量平台提高定位测量精确度。也能应用于无线电管理机构对未知无线电信号的监测。

附图说明

图1为本发明机载单站无源定位系统对目标辐射波长的测定方法中机载单站多普勒频差定位的示意图。

图2为本发明测定方法的基本框架图。

图3为本发明测定方法在不同飞行速度时波长的相对误差曲线图。

图4为本发明测定方法在不同飞行距离时波长的相对误差曲线图。

具体实施方式

下面结合附图1-图4，并通过对目标与机载单站无源探测系统间的关系进一步说明本发明是如何实现的。

实施例

一种机载单站无源定位系统对目标辐射信号波长的测定方法。图1描述了目标与机载无源观测平台间的几何运动关系；图2给出了测定系统的基本框架；图3给出了不同飞行速度时波长的相对误差曲线；图4给出了不同飞行距离时波长的相对误差曲线。

本发明测定方法改进了现有的多普勒定位法，以简单的方法解决了机载无源定位系统对辐射信号中心频率的测量问题。通过综合利用速度矢量方程、多普勒频移及变化率关系，给出了一种可仅通过实时测量被测目标辐射信号的频率就能实时准确的确定信号波长的检测方法。所提出的新方法将有助于执行远距侦察任务的载机能以简陋的装备实现较高的定位测量精确度，亦可应用于无线电管理监测。

1、基本公式

如图1所示，辐射源位于M，载机从节点1经节点2到节点3作匀速直线运动，且在定周期测量的条件下，节点间的飞行距离相等。

根据多普勒频移变化率的定义，在两相邻测量节点处可列出如下等式：

$f_{d1}^g=\frac{v_{t1}^2}{{\mathrm{\λr}}_1}---\left(1\right)$

$f_{d2}^g=\frac{v_{t2}^2}{{\mathrm{\λr}}_2}---\left(2\right)$

式中：λ为波长；r_i为径向距离；v_ti为切向速度。

两节点间的多普勒频移变化率的比值：

$q=\frac{f_{d1}^g}{f_{d2}^g}=\frac{r_2}{r_1}\frac{v_{t1}^2}{v_{t2}^2}---\left(3\right)$

又由正弦定理可得到两节点径向距离的比值为：

$\frac{r_2}{r_1}=\frac{{\sin \mathrm{\β}}_1}{\sin {\mathrm{\β}}_2}=\frac{v\sin {\mathrm{\β}}_1}{v\sin {\mathrm{\β}}_2}=\frac{v_{t1}}{v_{t2}}---\left(4\right)$

式中：v为载机的飞行速度。

由此可见，在载机匀速运动的条件下，两节点径向距离之比等于切向速度之比，将其代回式(3)，得：

$q=\frac{v_{t1}^3}{v_{t2}^3}---\left(5\right)$

另一方面，利用基本定义： $f_d^g=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_d}{\mathrm{\Δt}},$ 且因定周期检测，相邻时差接近相等，故相邻节点间的多普勒变化率之比可近似由多普勒频差之比所表示：

$\frac{f_{d2}^g}{f_{d1}^g}\≈\frac{\mathrm{\Δ}{f}_{d2}}{\mathrm{\Δ}{f}_{d1}}=\frac{f_{d3}-f_{d2}}{f_{d2}-f_{d1}}---\left(6\right)$

事实上，由实测频率f_ti、中心频率f₀和多普勒频率f_di之间的关系：f_di＝f_ti-f₀，即可得到仅由实测频率值所表示的相邻节点间多普勒频差之比为：

$q=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_{d2}}{\mathrm{\Δ}{f}_{d1}}=\frac{f_{t3}-f_{t2}}{f_{t2}-f_{t1}}=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_{t32}}{\mathrm{\Δ}{f}_{t21}}---\left(7\right)$

进一步根据速度关系： $v^2=v_r^2+v_t^2,$ 和多普勒频移方程：λf_d＝-v_r，由式(5)可得到：

$\sqrt[3]{q^2}[v^2-{\left({\mathrm{\λf}}_{d1}\right)}^2]=v^2-{\left({\mathrm{\λf}}_{d2}\right)}^2---\left(8\right)$

经整理后：

${\mathrm{\λ}}^2(f_{d2}^2-\sqrt[3]{q^2}{f}_{d1}^2)=(1-\sqrt[3]{q^2})v^2---\left(9\right)$

将频率变换式f_di＝f_ti-f₀代入(9)，可得到一个关于波长的一元二次方程：

aλ²+bλ+c＝0              (10)

其中： $a=f_{t2}^2-\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2$

$b=2(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})v_c$

$c=(v_c^2-v^2)(1-\sqrt[3]{q^2})$

最终解得信号波长的测算公式：

$\mathrm{\λ}=\frac{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})v_c+\sqrt{v_c^2{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})}^2-(f_{t2}^2-\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2)(1-\sqrt[3]{q^2})(v_c^2-v^2)}}{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2-f_{t2}^2)}$

$\left(11\right)$

2、基本框架

仅基于频率测量技术的目标辐射信号波长探测方法的基本工作原理框图如图2所示。

接收前端包括了下变频处理功能，在探测信号的频率比较高的情况下，接收信号一般都需要经下变频处理。

数字信号处理单元能实时解算所输入信号的频率值，一般情况下，此频率值将送入贮存器，亦能够直接送往数据处理单元。

数据处理单元可通过自动或人工指令的方式调用最近贮存的三个频率值按测算公式计算出当前被测信号的波长。

数字信号处理单元、贮存器和数据处理单元都将在同步时钟的控制下定周期的执行任务。其中，数字信号处理单元在同步信号的触发下定期的解算信号频率值，其实际上亦确定了载机的历经路程L；在自动测算的情况下，存贮器需以三倍于数字信号处理单元工作周期的时间周期长度，定时将三个存贮值成一组的送入数据处理单元；数据处理单元则在时钟信号的控制下，定周期的执行解算任务。

3、模拟计算

为了进行数学模拟计算，首先就必须获得辐射频率的实际测量值，通过采取利用理论值取代测量值的方法进行了模拟计算。先预先设定波长λ、前置角β₁、径向距离r₁、飞行速度v和飞行距离L的值，且使β₁在规定的区域内连续变化，由此就能按图1所示的几何关系依次精确计算得出所有其余测量节点位置处的前置角和径向距离，并精确计算出对应于各个前置角β_i和径向距离r_i时的多普勒频移f_di，由此就能获得辐射频率f_ti的理论值，进一步根据频率变换式：f_di＝f_ti-f₀，由设定的中心频率f₀得到实测频率值f_ti。

在此基础上，就能根据推导所得到的波长测算公式(11)计算出的波长的测算值，并通过和理论给定值相比较而得到相对误差。模拟分析表明，基于测频技术的波长测算方法具有很好的精确度。图3给出了飞行长度为5000m的条件下，在不同飞行速度时测算波长的相对误差曲线。图4给出了在飞行速度为100m/s的情况下，在不同飞行距离时测算波长的相对误差曲线。

Claims (2)

1.一种机载单站无源定位系统对目标辐射波长的测定方法，机载单站无源定位系统包括机载单站无源探测平台，接收前端，数字信号处理单元，储存器和数据处理单元及同步时钟，测定方法包括如下步骤：

(1)、机载单站无源探测平台沿直线作匀速运动；

(2)、将所接收的探测信号先经接收前端放大-变频后进入数字信号处理单元，然后在同步时钟的控制下，通过定周期检测得到信号的频率值，并将检测结果送往储存器；

(3)数据处理单元在定周期同步时钟的触发下，通过自动或人工指令的方式，从储存器中调用最新的三个频率值测算出被测信号的波长：先按下式计算相邻测量节点处频差的比值：

$q=\frac{f_{t3}-f_{t2}}{f_{t2}-f_{t1}}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{t32}}{{\mathrm{\Δf}}_{t21}}---\left(1\right)$

式中：f_ti为测量节点处的实测频率值，q为两节点间的多普勒频差的比值。然后按下式计算出被测信号的波长：

$\mathrm{\λ}=\frac{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})v_c+\sqrt{v_c^2{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}-f_{t2})}^2-(f_{t2}^2-\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2)(1-\sqrt[3]{q^2})(v_c^2-v^2)}}{(\sqrt[3]{q^2}{f}_{t1}^2-f_{t2}^2)}---\left(2\right)$

式中：λ为目标信号辐射波长；v_c为光速；v为载机的飞行速度。

2.根据权利要求1所述的一种机载单站无源定位系统对目标辐射波长的测定方法，其特征在于：在自动测算时，存贮器需以三倍于数字信号处理单元工作周期的时间周期长度，定时将三个存贮值成一组的送入数据处理单元。

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