CN101917238A - 一种对移动辐射源中心频率的双站测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对移动辐射源中心频率的双站测量方法，假设被测目标匀速移动，两监测站接收机同步实时测量移动目标辐射信号的频率，各自根据多普勒频移变化率方程得到相邻节点间切向速度比值，根据多普勒变化率的定义将相邻节点间切向速度之比近似用相邻节点间的频差之比所表示。在将切向速度的比值关系代入相邻节点间的速度恒等关系式之后，两测量站各自即可得到一个关于波长-速度的函数方程，联解消去未知的目标速度后，即可得到目标信号中心波长的解析公式。本发明方法仅基于实时频率测量技术，就能实现对未知移动速度的辐射源信号中心频率的测量。而且采用短基线即能实现对移动辐射源的频率探测，适用于车、舰船、飞行器等各种载体应用。

Description

一种对移动辐射源中心频率的双站测量方法

技术领域

本发明属于无线电管理监测领域，具体涉及一种基于实时频率测量技术，利用两个固定接收站确定空中移动辐射源中心频率的方法。

背景技术

对信号中心频率未知的移动辐射源的无线电监测管理一般必须根据多普勒原理先测量得到移动辐射信号的多普勒频移，然后再由实测频率值推算出信号的中心频率。但现有的多普勒频移方程本身亦包含有被测辐射源信号的中心波长(频率)参数。

最新的研究表明，对于平台自身运动速度已知的单站测量系统，通过综合利用速度矢量方程、多普勒频移和多普勒变化率方程，可以采用测频技术直接解算得到辐射信号的中心频率。此研究成果为仅基于测频技术的机载单站无源定位奠定了应用基础。

但对于固定单站定位系统，由于多普勒频移方程中所包含的速度参量也是未知的，以至于难以直接采用和运动检测平台同样的推导思路求出移动目标所辐射信号的中心频率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用固定双站定位系统测算移动辐射源中心频率的方法，且模拟分析表明在双站间基线长度较短的情况下系统仍能获得较好的测量结果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

假设被测目标匀速移动，两站接收机同步实时测量移动目标辐射信号的频率，并各自根据多普勒频移变化率方程计算相邻节点间切向速度的比值，同时又根据多普勒变化率的定义将此切线速度的比值用相邻节点间的频差比值所表示，一旦将这些比值关系代入相邻节点间的速度恒等关系式，则两测量站各自即可得到一个关于波长-速度的函数方程，再将此两个方程联解，即可消去目标的移动速度，从而得到固定双站测算目标信号中心波长的解析公式。

具体包括以下步骤：

步骤1、假设被测移动辐射源沿直线匀速运动，两相距一定距离的固定监测站内的接收测量机同步定周期的实时测量移动目标辐射信号的频率值，且至少需连续检测三次以上。

步骤2、在连续进行三次多普勒频移测量之后，各站先按下式求得相邻测量节点间的频差比值：

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

式中：f_tij为对应节点处的频率实测值，且下标i是节点标号，j是测量站标号。

步骤3、测量数据处理单元按下式计算移动目标辐射信号的中心波长：

$\mathrm{\λ}=-\frac{(Q{b}_2-b_1)}{({\mathrm{Qa}}_2-a_1)}---\left(2\right)$

式中： $a_j=f_{t2j}^2-\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}^2$

$b_j=2(\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}-f_{t2j})v_c$

$Q=\frac{1-\sqrt[3]{q_1^2}}{1-\sqrt[3]{q_2^2}}$

其中：v_c为光速。

本发明带来以下有益效果：

(1)仅基于实时频率测量技术，就能实现对未知移动速度的辐射源信号中心频率的监测。

(2)初步的模拟计算表明，当两站间的距离从3m变化到5000m时，波长的相对误差都小于千分之一以下。因此，采用短基线即能实现对移动辐射源的频率探测，故通过进一步的拓展，此发明还能适用于车、舰船、飞行器等各种载体应用。

附图说明

图1：固定双站对移动辐射源的探测示意图；

图2：不同站间距离时波长的相对误差曲线；

图3：不同飞行距离时波长的相对误差曲线；

图4：不同方位角时波长的相对误差曲线；

图5：不同飞行速度时波长的相对误差曲线。

具体实施方式

下面结合附图1-图5进一步说明本发明是如何实现的。

实施例

图1给出了固定双站对移动辐射源的探测示意图；图2-5给出了在不同站间距离、不同飞行距离、不同初始方位角和不同飞行速度时的波长相对误差曲线。

1、几何运动关系

固定双站定位阵列探测目标的平面几何关系如图1所示。假设移动目标近似沿直线从节点1经节点2移动到节点3，各监测站接收机同步实时测量移动目标辐射信号的频率。

2、公式推导

(1)相邻节点多普勒变化率的比值

根据多普勒频移变化率的定义，在各测量站点处可列出如下方程：

式中：λ为波长；r_ij为径向距离，其中下标i表示节点，j表示站点；v_i为切向速度。

同一测站相邻两节点间多普勒式频移变化率的比值：

又由正弦定理可得到同一测站相邻两节点径向距离之间的比值为：

$\frac{r_{2j}}{r_{1j}}=\frac{\sin {\mathrm{\β}}_{1j}}{\sin {\mathrm{\β}}_{2j}}=\frac{v\sin {\mathrm{\β}}_{1j}}{v\sin {\mathrm{\β}}_{2j}}=\frac{v_{t1j}}{v_{t2j}}---\left(3\right)$

式中：v为载机的飞行速度，β_ij为目标飞行方向与径向距离之间的前置角度。

将其代回式(3)，得：

$q_j=\frac{v_{t2j}^3}{v_{t1j}^3}---\left(4\right)$

另一方面，利用基本定义：

相邻节点间的多普勒变化率之比可近似由多普勒频/时差之比所表示，且因定周期检测，时差接近相等可被近似约除：

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：

$q=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{d2}}{{\mathrm{\Δf}}_{d1}}=\frac{f_{t3}-f_{t2}}{f_{t2}-f_{t1}}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_{t32}}{{\mathrm{\Δf}}_{t21}}---\left(6\right)$

(2)波长解析式

设v_r为径向速度，根据速度与分量间的关系：

和多普勒频移方程：λf_d＝v_r，由式(5)可得到：

$\sqrt[3]{q_j^2}[v^2-{\left({\mathrm{\λf}}_{d1j}\right)}^2]=v^2-{\left({\mathrm{\λf}}_{d2j}\right)}^2---\left(7\right)$

经整理后：

${\mathrm{\λ}}^2(f_{d2j}^2-\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{d1j}^2)=(1-\sqrt[3]{q_j^2})v^2---\left(8\right)$

将频率变换式f_dij＝f_tij-f₀代入上式，可得到一个关于波长的一元二次方程：

a_jλ²+b_jλ+c_j＝0    (9)

其中： $a_j=f_{t2j}^2-\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}^2$

$b_j=2(\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}-f_{t2j})v_c$

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

将两个测量站所得到的波长-速度方程联解，消去目标的移动速度，即可得波长的解析方程：

$\mathrm{\λ}=-\frac{({\mathrm{Qb}}_2-b_1)}{({\mathrm{Qa}}_2-a_1)}---\left(10\right)$

式中： $a_j=f_{t2j}^2-\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}^2$

$b_j=2(\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}-f_{t2j})v_c$

$Q=\frac{1-\sqrt[3]{q_1^2}}{1-\sqrt[3]{q_2^2}}$

其中：v_c为光速。

2、仿真计算

为进行数学模拟计算，首先就必须获得辐射频率的实际测量值，本文采取利用理论值取代测量值的方法进行模拟计算。先预先设定波长λ、站间距离d、方位角(测站1径向与两站基线间的夹角)θ、测站1的前置角β₁₁、径向距离r₁₁、飞行速度v和飞行距离L的值，且β₁₁可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_ij和径向距离r_ij时的多普勒频移f_dij，由此就能获得辐射频率f_tij的理论值。

在此基础上，再根据推导所得到的波长解析方程(10)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计算误差。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。

若无特别说明，则模拟计算所用的参数为：

飞行距离：L＝1500m

飞行速度：v＝100m/s

初始方位角：θ＝60°

波长：λ＝0.3m

站间距离：d＝10m

图2首先给出了在不同站间基线长度的情况下波长的误差曲线，初步的模拟计算表明，当站间的距离从3m变化到5000m时，误差曲线基本都在图2所示误差范围内波动，即站间基线长度的变化对相对误差影响不大。

图3给出了在不同飞行距离时测算波长的相对误差曲线，计算表明，只要飞行距离不过短或过长，约在500-4000m范围内，波长误差可以小于千分之一。

图4给出了在不同方位角时波长的相对误差曲线。

图5给出了在不同飞行速度时波长的相对误差曲线。

Claims (2)

1.一种对移动辐射源中心频率的双站测量方法，其测量步骤如下：

1)、假设被测移动辐射源沿直线匀速运动，两位置不同的固定监测站内的接收测量机同步定周期的实时测量移动目标辐射信号的频率值，且需连续检测三次或三次以上；

2)、在连续进行三次多普勒频移测量之后，各站先按下式求得相邻测量节点间的频差比值：

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

式中：f_tij为对应节点处的频率实测值，且下标i是节点标号，j是测量站标号；

3)、根据速度与分量间的关系

及多普勒频移方程，两监测站各自能得到一个波长-速度方程，通过联解即可得到移动目标辐射信号的中心波长：

$\mathrm{\λ}=-\frac{(Q{b}_2-b_1)}{({\mathrm{Qa}}_2-a_1)}---\left(2\right)$

式中： $a_j=f_{t2j}^2-\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}^2$

$b_j=2(\sqrt[3]{q_j^2}{f}_{t1j}-f_{t2j})v_c$

$Q=\frac{1-\sqrt[3]{q_1^2}}{1-\sqrt[3]{q_2^2}}$

其中：v_c为光速。

2.根据权利要求1所述的一种对移动辐射源中心频率的双站测量方法，其特征在于：所述步骤3)中运用了频率变换式f_dij＝f_tij-f₀。

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