CN108810815A - 基于多普勒特征的飞行动作反演方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星通信监测领域，具体涉及基于多普勒特征的飞行动作反演方法和用途。当接收站收到的返向信号多普勒频移呈现缓慢变化时，判断飞行器处于起飞或降落阶段；当返向信号多普勒频移变化不明显时，判断飞行器处于巡航阶段且未做转向动作；当返向信号多普勒频移剧烈变化时，判断飞行器处于巡航阶段且正在做转向动作；当返向信号多普勒频移呈现类似正弦周期变化时，判断飞行器处于侦照阶段做圆盘周旋运动。本方法开辟了一条可行性很强的飞行器监测新思路，与目前用于探测飞行器的其他技术途径比较，基本发明方法具有预警快速、设备简单、不易暴露自身的优点，还可以直观有效地显示飞行器飞行动作和运动轨迹。

Description

基于多普勒特征的飞行动作反演方法和用途

技术领域

本发明属于卫星通信监测领域，具体涉及基于多普勒特征的飞行动作反演方 法和用途。

背景技术

卫星链路运动目标在高速运动时，其发射频率会包含由飞机等目标运动产生 的多普勒频偏特征。目前已有成熟的技术手段，迅速从海量载波中，发现并捕获 属于运动目标的载波。多普勒频偏的产生与飞机相对接收方位置、飞机瞬时动量 有关。以往技术是通过建立空间坐标进行飞行计算，通过目标速率计算出多普勒 频率结果，无法进行图形显示、无法利用飞行行为构建环境。

当发射机与接收机相对运动而彼此接近时，接收机所接收到的信号频率将高 于发射机信号频率；而当彼此远离时，接受频率将低于发射信号频率。这种由于 相对运动而使接收机接收频率不同于发射频率的现象，称为“多普勒效应”。

利用卫星链路进行测控的中远程飞行器在高速运动时，其发射频率会包含由 飞机等目标运动产生的多普勒频偏特征。因此可以利用这个特征来反演飞行器转 向动作。

发明内容

本发明从载波的多普勒曲线幅度、抖动等特征，可估计平台的速度、转向率 等重要参数，对目标属性识别意义重大。卫基于多普勒特征的飞行动作反演即是 针对这一需求提出的方法，其核心功能是支持研究者通过飞行器的多普勒频偏特 征，反演飞行动作、运动参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于多普勒特征在飞行动作反演中的用途，通过接收站收到的返向信号多普 勒频移变化来反演飞行器转向动作。

优选地，当接收站收到的返向信号多普勒频移呈现缓慢变化时，判断飞行器 处于起飞或降落阶段；当接收站收到的返向信号多普勒频移变化不明显时，判断 飞行器处于巡航阶段且未做转向动作；当接收站收到的返向信号多普勒频移剧烈 变化时，判断飞行器处于巡航阶段且正在做转向动作；当接收站收到的返向信号 多普勒频移呈现类似正弦周期变化时，判断飞行器处于侦照阶段做圆盘周旋运动。

基于多普勒特征的飞行动作反演方法，包括以下步骤：

S1、通过建模分析得到多普勒频移与飞行器飞行方向之间的定量关系；

S2、计算得到飞行器飞行各阶段多普勒频移的变化规律；

S3、计算机得到转弯前位置、转弯前速度、转弯前角度变化与多普勒频移变 化之间的定量关系；

S4、利用OpenStreetMap开放地理信息系统和自行研制的地理信息客户端控 件框架(OpenStreetMap Qt客户端库)来直观有效地显示飞行器飞行动作和运动 轨迹。

优选地，步骤S1所述的飞行器多普勒频移的提取采用固定采样时间测周期 数法。

优选地，所述固定采样时间测周期数法为：

采用两路轮流采样，将(f_b+f_d)首先倍频，然后经过零检测，分别对两 路进行计数，多普勒频移通过以下公式(1)提取：

其中，f_b为偏置频率，f_d为多普勒频移，N为倍频数，M1、M2分别为计数 器1和计数器2在一个周期采样脉冲周期内的计数值，T为采样脉冲周期。

本发明的有益效果在于：

本方法开辟了一条可行性很强的飞行器监测新思路。与目前用于探测飞行器 的其他技术途径如组网雷达、超宽带雷达、预警机等比较，基于多普勒特征的卫 星链路监测这种无源探测方法具有预警快速、设备简单、不易暴露自身的优点。

与以往通过建立空间坐标进行飞行计算，通过目标速率计算出多普勒频率结 果，无法进行图形显示、无法利用飞行行为构建环境的方法相比，本方法利用开 放地理信息系统和自行研制的地理信息客户端控件框架来直观有效地显示飞行 器飞行动作和运动轨迹。

附图说明

图1为固定采样时间测周期数法提取多普勒频移的流程图。

图2为飞行器出发阶段多普勒频移变化曲线图。

图3为飞行器盘旋侦察阶段多普勒频移变化曲线图。

图4为飞行器返航阶段多普勒频移变化曲线图。

图5为飞行器转弯前速度方向变化与多普勒频移跳变量的关系图。

图6为飞行器转弯前速度方向变化与转弯前多普勒频移曲线斜率的关系图。

图7为飞行器转弯前速度方向变化与转弯后多普勒频移曲线斜率的关系图。

图8为飞行器转弯角度变化与多普勒频移变化率的关系图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实 施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。

实施例1多普勒测速

当发射机与接收机相对运动而彼此接近时，接收机所接收到的信号频率f_r将 高于发射机信号频率f_T；而当彼此远离时，接受频率f_r将低于发射信号频率f_T。 这种由于相对运动而使接收机接收频率不同于发射频率的现象，称为“多普勒效 应”。

设发射信号瞬时相位为φ_t＝2πf_Tt,发射机与接收机之间距离为R,接收信号 时延为τ，若忽略电波传播时延τ内的距离变化，则有

τ＝R/c (2)

式中，c为光速。

接收信号顺时相位为

φ_r＝2πf_T(t-τ) (3)

接收频率为

式中，为目标距离变化率，或径向速度。

多普勒频移f_d为接收频率与发射频率之差，即

距离变化率或径向速度的极性约定为：当目标(发射机)与接收机彼此接 近时，的极性为负，而彼此远离时，的极性为正。

当飞行器相对于卫星的飞行方向发生转向时，我方接收站收到的返向信号多 普勒频移变化率达到最大值，因此可以利用这个特征来反演飞行器转向动作。

中远程飞行器的航程分为4个阶段：起飞、巡航、侦照、降落。起飞和降落 阶段返向信号多普勒频移的变化呈现缓慢变化；巡航阶段在未做转向动作时多普 勒频移变化不明显，转向时多普勒频移则剧烈变化；侦照阶段由于飞行器做圆周 盘旋，所以多普勒频移呈现类似正弦周期变化的规律。因此，可以根据多普勒频 移的变化特征反演飞行器飞行动作，重点是提取降落、转向等动作指令。

实施例2多普勒频移的提取及误差分析

多普勒频移的提取采用固定采样时间测周期数法，提取流程如图1所示。

图1中fb为偏置频率，为减小测量误差，须将(f_b+f_d)首先倍频，为 了配合相应数据处理方法，这种终端要求进行连续采样，采样之间满足相位积累 性质，故采用两路轮流工作，不丢失倍频后(f_b+f_d)的过零脉冲。设M1、 M2分别为计数器1和计数器2在一个采样脉冲周期内的计数值，则有

式中，N为倍频数；T为采样脉冲周期。

下面来进行测速误差分析。已知径向速度与多普勒频移有如下关系：

将此式进行全微分，并写作有限增量形式，得到测速误差

式中第一项由电波传播速度c的某些不准确因素而产生，系统误差Δc是由于 大气层中电波的折射系数不为1所造成的，而主要是由于折射系数在传播的途径 中以及在时间上都起伏变化，从而形成起伏误差。式中第二项是由频率测量引起 的误差，这一误差与采取何种测量方法有关。式中最后一项是由飞行器信标机实 际发射信号频率f_T的偏移形成的误差，由于标准频率源的稳定性是一定的，故实 际发射频率是随时间而缓慢变化的，其变化的大小由频率源的频率稳定度来表征。

实施例3建模分析

飞行器从起飞到完成侦察返航其飞行轨迹都有一定规律可循，我们通过 MATLAB仿真可以得到飞行器不同飞行航迹下的多普勒频移的变化规律，以此 为依据，我们通过在军事斗争中通过提取飞行器卫星中继数据链的多普勒频移， 归纳其多普勒频移的变化规律进而反演出飞行器的航向，航程等特征。

以美军“全球鹰”飞行器为对象，在以76.5°E亚太7号地球同步轨道卫星 为中继卫星的条件下进行。假设飞行器从机场(13°N，144°E)起飞到侦察位 置(25.3°N，125°E)盘旋侦察后返航与其在我东部边境巡航，归纳出其多普 勒频移的变化规律。

在使用MATLAB仿真的过程中，根据多普勒频移计算公式要想通过程序得到飞行器多普勒频移的变化最重要的是求出飞行器飞行方向与 卫星连线方向的夹角θ。

在计算θ的过程中，已知同步卫星的经度α_s＝76.5°E，和载体所在的地理位 置的经度α_b、纬度β_b，可以计算出飞行器所在位置对准卫星的理论方位角俯仰 角对于在赤道上空的同步卫星(经度为α_s＝76.5°E)，当载体在地心坐标系中 的位置固定时(经度α_b、纬度β_b)，假设Δα＝α_b-α_s，则在地理坐标系，卫星 相对于接收点点俯仰角和方位角分别如下：

其中，R是地球半径，M是卫星到地心之间的距离。

以此，便能通过运用基本的数学方法比较容易的得到侦察点位置飞行器飞行 方向与卫星连线方向的夹角θ，从而解决多普勒频移计算公式中的角度问题。

实施例4飞行器飞行的多普勒频移变化规律

通过提取飞行器在执行定点侦察任务时其卫星中继数据链信号的多普勒频 移，借助MATLAB软件仿真得到其多普勒频移的变化规律。根据飞行器执行不 同任务时不同的飞行方式，通过搜集有关“全球鹰”飞行器的资料数据以及国际 背景利用简单的数学方法通过仿真得到的多普勒频移变化曲线。

图2-4为飞行器各个飞行阶段其卫星中继数据链信号的多普勒频移的变化曲 线。由图中可见，飞行器出发阶段和返航阶段其多普勒频移缓慢变化，而在飞行 器处于盘旋侦察阶段时，其多普勒频移呈现类似正弦周期变化的规律。

实施例5飞行器转向动作对多普勒频移变化率的效果模拟

当飞行器转弯位置，转弯角度固定，转弯前速度方向不断变化时，多普勒频 移变化率统计如表1和图5-7所示。

表1转弯前速度方向变化时多普勒频移变化率统计

飞行器转弯位置，转弯前速度方向固定，转弯角度不断变化时多普勒频移变 化率统计如表2和图8所示。

表2转弯角度变化时多普勒频移变化率统计

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明 的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本 发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保 护范围内。

Claims (5)

1.基于多普勒特征在飞行动作反演中的用途，其特征在于：通过接收站收到的返向信号多普勒频移变化来反演飞行器转向动作。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒特征在飞行动作反演中的用途，其特征在于：当接收站收到的返向信号多普勒频移呈现缓慢变化时，判断飞行器处于起飞或降落阶段；当接收站收到的返向信号多普勒频移变化不明显时，判断飞行器处于巡航阶段且未做转向动作；当接收站收到的返向信号多普勒频移剧烈变化时，判断飞行器处于巡航阶段且正在做转向动作；当接收站收到的返向信号多普勒频移呈现类似正弦周期变化时，判断飞行器处于侦照阶段做圆盘周旋运动。

3.基于多普勒特征的飞行动作反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过建模分析得到多普勒频移与飞行器飞行方向之间的定量关系；

S2、计算得到飞行器飞行各阶段多普勒频移的变化规律；

S3、计算机得到转弯前位置、转弯前速度、转弯前角度变化与多普勒频移变化之间的定量关系；

S4、利用OpenStreetMap开放地理信息系统和自行研制的地理信息客户端控件框架来直观有效地显示飞行器飞行动作和运动轨迹。

4.根据权利要求3所述的基于多普勒特征的飞行动作反演方法，其特征在于：步骤S1所述的飞行器多普勒频移的提取采用固定采样时间测周期数法。

5.根据权利要求4所述的基于多普勒特征的飞行动作反演方法，其特征在于，所述固定采样时间测周期数法为：

采用两路轮流采样，将(f_b+f_d)首先倍频，然后经过零检测，分别对两路进行计数，多普勒频移通过以下公式(1)提取：

其中，f_b为偏置频率，f_d为多普勒频移，N为倍频数，M1、M2分别为计数器1和计数器2在一个周期采样脉冲周期内的计数值，T为采样脉冲周期。