CN110940950B - 一种差斜率稳定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种差斜率稳定方法，该方法包括：通过射电敏感器分别采集被测射电目标和被测射电目标周围预定位置的和路信号；将被测射电目标的和路信号与被测射电目标周围预定位置的和路信号相减，得到有效射电目标信号；解算所述有效射电目标信号中的方位误差和俯仰角误差，将方位误差和俯仰角误差分别对所述有效射电目标信号进行归一化，得到归一化角误差。通过该方案解决了现有稳定差斜率方式复杂难施行、易产生误差的问题，可以简化稳定差斜率过程，不需要额外增加硬件，可以减小测量误差，提高导航精度精度可靠的同时降低计算复杂度。

Description

一种差斜率稳定方法
技术领域
本发明涉及天文导航领域领域，尤其涉及一种差斜率稳定方法。
背景技术
在天文导航领域，利用探测自然天体的射电信号进行导航可以克服天气影响，具有全天候特性。在具体的天文导航设备中，通过射电敏感器对自然天体的射电信号探测，可以测量出天体与射电敏感器的角度偏差。而“差斜率”是射电敏感器的非常重要的一项指标，其反映的就是射电目标角偏差与射电敏感器输出数据的对应关系，实际工作中应保持为一固定值。如果该值发生变化，则射电敏感器解算出的射电目标角度偏差也将随之变化，造成测量误差。
天文导航设备中采用的射电敏感器工作在厘米波或毫米波段，不管是哪种波段，“差斜率”容易受天空背景射电辐射、大气衰减以及射电探测器本身增益波动、探测器噪声等因素的影响。这些影响因素都会造成射电探测器接收功率的波动，差斜率的不稳定会增大射电敏感器对射电信标的角度测量误差，进而影响天文导航设备的导航精度。
针对差斜率不稳定的问题，当前有两种方法：一种是像雷达等领域的采用测角归一化方法，但射电探测系统与雷达领域有显著不同，雷达领域的信噪比远大于1，而对于射电探测系统来说，信噪比远小于1。若直接应用传统的和差归一化方法，必然带来较大的测量误差；另一种是通过天文导航伺服机构不断调整射电目标，尽量稳定在射电敏感器零位附近，越接近零位差斜率的不稳定影响就越小，此种方法对天文导航伺服控制要求比较高，尤其在载体大摇摆等高动态范围情况下很难实现稳定。
因此，有必要提出一种误差小、简单易行的稳定差斜率的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种差斜率稳定方法，以解决现有稳定差斜率方式复杂难施行、易产生误差的问题。
在本发明实施例的第一方面，提供了一种差斜率稳定方法，包括：
通过射电敏感器分别采集被测射电目标和被测射电目标周围预定位置的和路信号；
将被测射电目标的和路信号与被测射电目标周围预定位置的和路信号相减，得到有效射电目标信号；
解算所述有效射电目标信号中的方位误差和俯仰角误差，将方位误差和俯仰角误差分别对所述有效射电目标信号进行归一化，得到归一化角误差。
在一个实施例中，所述射电敏感器为圆锥扫描式射电敏感器，包括圆锥扫描射电天线、射电探测器和射电信号处理电路。
在一个实施例中，将所述射电敏感器指向被测射电目标周围预定位置的俯仰角与指向被测射电目标的俯仰角相同，且所述射电敏感器指向被测射电目标周围预定位置一定角度，所述角度为射电天线旁瓣零点位置。
在一个实施例中，对所述有效射电目标信号平滑处理，滤除噪声信号；控制射电天线的和路波束方向图，使和路数据在中心范围附件内保持为恒定增益。
本发明实施例中，通过采集射电目标的接收信号及射电目标周围的接收信号，两个接收信号相减，消除天空背景射电辐射和射电探测器本机噪声，再由相减后的和路信号解算出方位角误差和俯仰角误差，将方位角误差和俯仰角误差对相减后的和路信号进行归一化，得到归一化角误差，消除大气衰减和射电探测器增益波动影响，依据归一化角误差和射电信标的角偏差近似线性相关，具有稳定差斜率特点。可以解决现有稳定差斜率方式复杂难施行、易产生误差的问题，不需要额外增加硬件，可以仅从采集及处理流程上的改进，就能改善精度，降低天文导航伺服控制系统的复杂度。有效消除噪声影响，减小测量误差，保障天文导航的准确可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。
图1为本发明的一个实施例提供的射电敏感器的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例提供的差斜率稳定方法的原理示意图；
图3为本发明的一个实施例提供的差斜率稳定方法的流程示意图；
图4为本发明的一个实施例提供的差斜率稳定方法的另一示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。
图1为本发明一个实施例提供的射电敏感器的结构示意图，如图1所示，包括：圆锥扫描射电天线10、射电天线探测器20和射电信号处理电路30。
所述圆锥扫描射电天线10用于接收电磁波信号，所述射电天线探测器20用于探测射电信号，所述射电信号处理电路30用于对接收射电(或电磁波)信号进行处理。经所述射电信号处理电路30处理可以指示圆锥扫描位置，并对圆锥扫描进行控制，通过射电信号处理电路30对接收信号处理后，可以得到射电目标角偏差。
针对射电探测得到射电信号，由于这类射电信号信噪比低，传统雷达领域的测角归一化方法，容易产生较大测量误差，而借助天文导航伺服控制系统，会大大增加计算复杂度，同时需要额外硬件。
射电天线波束最大辐射方向偏离射电中心轴一个角度，该波束绕中心轴旋转。如果射电目标偏离中心轴一定角度时，接收信号(或称和路信号)幅度产生近似正弦变化的调制信号。理想情况下该调制信号的幅度仅与射电目标偏离角度相关，这里调制信号的幅度与射电目标偏离角度的关系曲线就是所谓的差斜率。
一般角偏差输出信号与射电信标偏离中心角度的关系，在一定探测范围内呈正弦特性，在角度偏差较小时可以近似认为是线性关系。理想情况下的差斜率是一个固定系数，在静态条件连续测量射电目标偏离角度与调制信号幅度的关系就可以标定出来，因此一般是在设备出厂前就将差斜率标定好并存储。天文导航设备实际工作时将当前射电敏感器输出的角偏差数据根据差斜率进行换算即可得到射电目标的偏离中心的角度。
实际射电敏感器工作时受到射电信号的大气衰减、射电探测器增益波动、天空背景的射电辐射、射电探测器本机噪声等等因素影响。受到上述因素影响后的差斜率就不是固定值，而是受内外部因素影响而变化。如果以事先存入的差斜率去计算射电信标偏离角度就会产生误差。
因此，分析射电敏感器工作时的干扰因素，可以根据圆锥扫描的输出信号分为两类：一类是对输出信号叠加了直流分量，如天空背景的射电辐射和射电探测器本机噪声；另一类是改变了输出信号幅度，如大气衰减和射电探测器增益波动。对于这两类信号分开处理：第一类干扰的影响是对输出信号有直流叠加，可以通过校正方式进行消除，消除后的信号仅剩余交流分量；对于第二类干扰，可以在消除了直流分量后就可以通过归一化方式进行消除。
具体的，请查阅图3，本发明实施例提供的一种差斜率稳定方法的流程示意图，包括：
S301、通过射电敏感器分别采集被测射电目标和被测射电目标周围预定位置的和路信号；
所述射电敏感器为圆锥扫描式射电敏感器，包括圆锥扫描射电天线、射电探测器和射电信号处理电路。
射电敏感器对准被测射电目标时，信号接收频率可表述为
P＝PSUN×μ×ε×GA+Psky×μ×ε+PN(1-ε)；
其中，PSUN为射电目标辐射功率，μ为大气衰减系数，ε为射电探测器增益，GA为天线增益，Psky为天空背景射电辐射功率，PN为射电探测器本机噪声功率。
在上式中，第一项为射电敏感器接收到的射电目标信号，第二项为射电敏感器接收的天空背景信号，第三项为射电敏感器噪声功率。
天空背景射电辐射和射电探测器本机噪声功率要强于被测射电信号，但其变化波动非常缓慢(Hz以下)，相对高速圆锥扫描频率(100Hz)，可以视为是固定值。另外天空背景射电辐射的空间分布特点是：基本不随方位空域变化，随俯仰角变低而变高，因此可认为射电目标所在位置的天空辐射和同仰角附近天空的背景辐射基本相同。基于上述分析，采用基于天空背景的单点校正方式，将射电目标所在位置的接收信号与附近位置天空的接收信号相减，即可消除天空背景射电辐射和射电探测器本机噪声影响，仅剩有效的射电目标信号：P＝PSUN×μ×ε×GA。
如图2所示，20为射电敏感器，210表示被测区域，220表示背景区域。所述背景区域220即被测射电目标周围预定位置，可以将射电敏感器对准背景区域采集天空背景射电辐射，所述被测区域210中包含有被测射电目标，可以通过射电敏感器对准射电目标采集被测射电目标的射电信号(或和路信号)。
优选的，采集天空背景的辐射信号及射电目标的辐射信号时，要保持天空辐射一致，将所述射电敏感器指向被测射电目标周围预定位置的俯仰角与指向被测射电目标的俯仰角相同，且所述射电敏感器指向被测射电目标周围预定位置一定角度，所述角度为射电天线旁瓣零点位置。如将方位角偏离设为5度。
需要注意的是，由于天空背景辐射会发生变化，每次处理射电敏感器采集数据时，都要对天空辐射进行校准(如每隔2分钟校准)，以保证和路数据的准确性。
S302、将被测射电目标的和路信号与被测射电目标周围预定位置的和路信号相减，得到有效射电目标信号；
通过被测射电目标的和路信号和天空背景下被测射电目标周围预定位置和路信号相减，可以消除天空背景射电辐射和射电探测器本机噪声，得到的有效射电目标信号，即不含直流量的和路信号Σ。
优选的，对所述有效射电目标信号平滑处理，滤除噪声信号；控制射电天线的和路波束方向图，使和路数据在中心范围附件内保持为恒定增益。
对于保持所述有效射电目标信号(和路信号)的稳定性，包括时间上稳定和空间上稳定，时间上稳定主要是通过数据平滑处理来滤除噪声影响，保持和路数据的平稳；在空间上的稳定主要是控制射电天线的和路波束方向图，使在中心范围附件内保持为恒定增益。
在一个实施例中，对于保持射电天线的和路波束在中心范围内保持增益恒定，本申请中射电天线的具体参数可以具体为：天线主反口径205mm，主反焦距71.8mm，副反直径35mm，天线放大率3.6，副反曲率1.78，副反半张角22.7度，副反偏心距0.95mm，工作中心波长3.2mm。
对于圆锥扫描式的射电天线，改变天线副反射面的偏心即可改变差路方向图的交叉点，差路方向图的合成即为和路方向图。选择合适的副反射面偏心距离，使差方向图的交叉点约在-2.39dB附近，可使和路方向图中心附近增益近似为一恒定值。
实际阴天和晴天的测试效果，如下表。可以看出，受到阴天的大气衰减的影响，射电敏感器原始差斜率恶化一倍以上；而经过本发明后的优化归一化处理方法后的差斜率能稳定到1％以内。
晴天 阴天
原始差斜率(角秒/LSB) 2.50 4.16
归一化差斜率(角秒/LSB) 6.51 6.45
S303、解算所述有效射电目标信号中的方位误差和俯仰角误差，将方位误差和俯仰角误差分别对所述有效射电目标信号进行归一化，得到归一化角误差。
对所述有效射电目标信号，可以解算出方位角误差和俯仰角误差ΔX、ΔY，再将差路信号对和路信号进行归一化，得到归一化的角误差信号：
ΔΣX＝ΔX/Σ、ΔΣY＝ΔY/Σ；
归一化后的角误差信号消除了大气衰减和射电探测器增益波动影响，只与射电信标的角偏差有关，具有差斜率恒定的特点。
如图4所示，由和路信号(即有效射电目标信号)、方位位置信号及俯仰位置信号可以解算得到方位角偏差信号和俯仰角偏差信号。
通过本实施例提供的方法，可以解决传统差斜率稳定方式中，由于不适用低信噪比射电信号，带来测量误差的问题，或由于采用天文导航伺服机构，需要不断动态调整射电敏感器位置，过程复杂的问题，可以简化稳定差斜率的处理流程，不必增加额外硬件，提高导航精度精度的同时降低计算复杂度。
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括步骤S201至S203，所述的存储介质包括如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种差斜率稳定方法，其特征在于，包括：
通过射电敏感器分别采集被测射电目标和被测射电目标周围预定位置的和路信号；
其中，所述通过射电敏感器分别采集被测射电目标和被测射电目标周围预定位置的和路信号包括：
将所述射电敏感器指向被测射电目标周围预定位置的俯仰角与指向被测射电目标的俯仰角相同，且所述射电敏感器指向被测射电目标周围预定位置一定角度，所述角度为射电天线旁瓣零点位置；
所述射电敏感器为圆锥扫描式射电敏感器，包括圆锥扫描射电天线、射电探测器和射电信号处理电路；
将被测射电目标的和路信号与被测射电目标周围预定位置的和路信号相减，得到有效射电目标信号；
解算所述有效射电目标信号中的方位误差和俯仰角误差，将方位误差和俯仰角误差分别对所述有效射电目标信号进行归一化，得到归一化角误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将被测射电目标的和路信号与被测射电目标周围预定位置的和路信号相减，得到有效射电目标信号还包括：
对所述有效射电目标信号平滑处理，滤除噪声信号；
控制射电天线的和路波束方向图，使和路数据在中心范围附件内保持为恒定增益。
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