CN110988858A - 一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法及系统，步骤为：通过天线凸波束和天线凹波束两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；着陆雷达信号处理器对凸波束回波和凹波束回波的包络比进行计算；计算回波包络比凹口的极小值点位置获得波束距离的高精度测量；求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角估计。本发明通过配置凸凹双波束同时获取着陆波束照射区的回波进行测距，消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点引起的回波包络非对称中心估计问题，提高测距精度的同时，可获得波束中心入射角的估计值，作为安全着陆的重要参数，目前该技术已应用于探月四期微波着陆雷达系统设计应用。

Description

一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法及系统

技术领域

本发明涉及一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法及系统，属于深空 微波着陆雷达领域。

背景技术

微波着陆雷达是深空着陆探测器导航制导控制(GNC)分系统的重要载 荷之一，在着陆下降段为GNC分系统提供探测器相对月面的距离、速度和 波束入射角等信息，确保着陆精度和安全。如何设计雷达系统实现高精度波 束中心求取和波束中心入射角估计是系统设计的关键环节。入射角参数是着 陆区域地形倾角估计的重要参数，对着陆安全判定有着重要的意义。

项目来源于探月四期工程中GNC分系统微波着陆雷达的样机研制。我 国的探月四期工程将建成无人月球科研站基本型。着陆探测器负责携带其他 探测器和有效载荷实现软着陆，

传统着陆雷达径向距离测量采用高增益单波束测量，通过对非对称回波 包络进行波束中心求取获得最终的径向距离。非对称回波包络中心求取是测 距精度提升的主要受限因素，引起回波包络非对称因素主要为波束内各分辨 单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点等。

项目组提出采用天线凸凹双波束测距方案，消除月面目标点距离路径衰 减不一致、离散强散射点引起的回波包络求取不对称问题，实现回波包络中 心高精度求取，达到高精度测距的目的，同时获得波束入射角的估计，作为 GNC分系统估计着陆区地形倾角的重要参数。

对已公开的国内外微波着陆雷达相关资料进行调研，高精度测距方法主 要通过改善波束中心求取算法来获得，从根本上无法避免波束内各分辨单元 回波功率距离路径衰减不一致以及离散强散射点引起的回波包络非对称中 心估计问题。还未有公开资料表明可以对波束入射角进行估计的方法。

发明内容

本发明的目的在于：本发明的目的在于克服现有技术不足，微波着陆雷 达双波束高精度测距技术通过配置凸凹双波束同时获取着陆波束照射区的 回波，消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强 散射点引起的回波包络非对称中心估计问题，提高测距精度的同时，可获得 波束中心入射角的估计值，作为安全着陆的重要参数。

本发明技术解决方案：

一种双波束高精度测距技术在着陆雷达系统中采用凸凹双波束系统配 置，通过信号处理计算双波束包络比获得包络比的极小值点位置指示目标回 波包络中心，获得高精度的距离测量；双波束包络比数值为1的两距离点反 演获得波束入射角的估计。从包络比而不是传统的单波束回波包络来求取目 标距离。

具体的，本发明提出的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，步骤 如下：

(1)采用同一天线形成凸波束和凹波束两个波束对目标回波信号进行 接收。通过天线凸波束和天线凹波束两个波束同时获取着陆波束照射区的回 波；

(2)计算凸波束回波和凹波束回波的包络比；

(3)波束距离测量：计算回波包络比凹口的极小值点位置；

(4)求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中 心入射角估计，从而完成微波着陆雷达的测距。

微波着陆雷达凸凹双波束高精度测距系统连接关系如图2所示，采用同 一天线形成凸波束和凹波束两个波束对目标回波信号进行接收。凸波束功率 方向图P_A(θ)为传统着陆雷达采用的升余弦形状的功率方向图，记波束宽度 为θ_b，角度变量为θ。凹波束功率方向图P_D(θ)在P_A(θ)最大值方向，即P_A(θ)的 波束中心指向，形成凹陷用于指示波束中心。

两个波束回波信号经凸波束接收通道、凹波束接收通道组成的双通道进 行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r) 和凹波束回波D(r)两路数字回波，r为雷达距离。

凸波束功率方向图P_A(θ)为着陆雷达采用的升余弦形状的功率方向图，记 波束宽度为θ_b，角度变量为θ，

凹波束功率方向图P_D(θ)在P_A(θ)最大值方向，即P_A(θ)的波束中心指向， 形成凹陷用于指示波束中心，在P_A(θ)主瓣范围内，P_D(θ)可用数学式表示为

两个波束回波信号经凸波束接收通道、凹波束接收通道组成的双通道进 行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r) 和凹波束回波D(r)两路数字回波，r为雷达距离。

高精度的距离测量：

着陆雷达信号处理器对凸波束回波和凹波束回波的包络比R(r)进行计 算，表示为：

回波包络比R(r)处理获得R(r)凹口的极小值点位置即为波束中心距离 r_c，获得波束距离的高精度测量，记最小值求取运算为min[]，波束中心距 离r_c表示为

r_c＝min[R(r)]

波束入射角的估计：

回波包络比R(r)在主波束内呈“V”字形的形状，首先求取回波包络比 R(r)为1对应的两个距离点r_n和r_f(r_n<r_f)。计算r_n和r_f的距离比ρ_nf，表示 为

距离比ρ_nf和波束入射角θ_inc是单调递减函数，且与着陆器飞行高度无关， 该函数为θ_inc＝F(P_A(θ),P_D(θ),ρ_nf)，将上述函数制表，通过距离比ρ_nf查表即可 获得波束入射角θ_inc的估计值。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)通过凸凹双波束系统配置，信号处理计算双波束包络比获得包络 比的极小值点位置指示目标回波包络中心的方法，可以获得高精度的距离测 量，对提升着陆雷达测距精度有着重大意义。

(2)波束中心入射角估计技术弥补了着陆雷达波束中心入射角估计测 量空白，在深空领域探测微波着陆雷达领域，确保着陆安全中具有广阔的应 用前景。

(3)本发明通过配置凸凹双波束同时获取着陆波束照射区的回波进行 测距，消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强 散射点引起的回波包络非对称中心估计问题，提高测距精度的同时，可获得 波束中心入射角的估计值，作为安全着陆的重要参数，目前该技术已应用于 探月四期微波着陆雷达系统设计应用。

附图说明

图1是微波着陆雷达系统组成示意图；

图2是本发明双波束微波着陆雷达高精度测距技术示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的工作原理和工作过程：

如图1所示，微波着陆雷达由信号处理器、发射机、接收机和天线组成。 雷达加电后启动接收外部输入控制信号开始工作，信号处理器产生所需的雷 达发射波形信号，发射信号经发射机上变频至射频频率并放大经收发开关从 天线发射出去。回波信号通过接收天线接收后，经收发开关馈入接收机进行 放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换，距离波束中心求取等 处理获得目标距离测量。

本发明具体技术实施步骤描述如下：

(1)通过天线凸波束和天线凹波束两个波束同时获取着陆波束照射区 的回波；

(2)计算凸波束回波和凹波束回波的包络比；

(3)波束距离测量：计算回波包络比凹口的极小值点位置；

(4)求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中 心入射角估计，从而完成微波着陆雷达的测距。

如图2所示微波着陆雷达凸凹双波束高精度测距系统连接关系，双波束 高精度测距技术在系统中采用凸凹双波束系统配置，采用同一天线形成凸波 束和凹波束两个波束对目标回波信号进行接收，通过信号处理计算双波束包 络比获得包络比的极小值点位置指示目标回波包络中心，获得高精度的距离 测量；双波束包络比数值为1的两距离点反演获得波束入射角的估计。

凸波束功率方向图P_A(θ)为传统着陆雷达采用的升余弦形状的功率方向 图，记波束宽度为θ_b，角度变量为θ，P_A(θ)表示为

凹波束功率方向图P_D(θ)在P_A(θ)最大值方向，即P_A(θ)的波束中心指向， 形成凹陷用于指示波束中心，在P_A(θ)主瓣范围内，P_D(θ)可用数学式表示为

两个波束回波信号经凸波束接收通道、凹波束接收通道组成的双通道进 行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r) 和凹波束回波D(r)两路数字回波，r为雷达距离。

高精度的距离测量：

着陆雷达信号处理器对凸波束回波和凹波束回波的包络比R(r)进行计 算，表示为：

回波包络比R(r)处理获得R(r)凹口的极小值点位置即为波束中心距离 r_c，获得波束距离的高精度测量，记最小值求取运算为min[]，波束中心距 离r_c表示为

r_c＝min[R(r)]

波束入射角的估计：

回波包络比R(r)在主波束内呈“V”字形的形状，首先求取回波包络比 R(r)为1对应的两个距离点r_n和r_f(r_n<r_f)。计算r_n和r_f的距离比ρ_nf，表示 为

距离比ρ_nf和波束入射角θ_inc是单调递减函数，且与着陆器飞行高度无关， 该函数为θ_inc＝F(P_A(θ),P_D(θ),ρ_nf)，将上述函数制表，通过距离比ρ_nf查表即可 获得波束入射角θ_inc的估计值。

本发明通过配置凸凹双波束同时获取着陆波束照射区的回波进行测距， 消除了波束内各分辨单元回波功率距离路径衰减不一致、存在离散强散射点 引起的回波包络非对称中心估计问题，提高测距精度的同时，可获得波束中 心入射角的估计值，作为安全着陆的重要参数，目前该技术已应用于探月四 期微波着陆雷达系统设计应用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。

Claims (10)

1.一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于步骤如下：

(1)通过天线凸波束和天线凹波束两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；

(2)计算凸波束回波和凹波束回波的包络比；

(3)波束距离测量：计算回波包络比凹口的极小值点位置；

(4)求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角估计，从而完成微波着陆雷达的测距。

2.根据权利要求1所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：采用同一天线形成凸波束和凹波束两个波束对目标回波信号进行接收。

3.根据权利要求2所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：凸波束功率方向图P_A(θ)为着陆雷达采用的升余弦形状的功率方向图，记波束宽度为θ_b，角度变量为θ，

P_A(θ)表示为

4.根据权利要求3所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：凹波束功率方向图P_D(θ)在P_A(θ)最大值方向，即P_A(θ)的波束中心指向，形成凹陷用于指示波束中心，在P_A(θ)主瓣范围内，P_D(θ)可用数学式表示为

5.根据权利要求2所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：两个波束回波信号经凸波束接收通道、凹波束接收通道组成的双通道进行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)和凹波束回波D(r)两路数字回波，r为雷达距离。

6.根据权利要求5所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：凸波束回波和凹波束回波的包络比表示为：

7.根据权利要求6所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：回波包络比R(r)处理获得R(r)凹口的极小值点位置即为波束中心距离r_c，获得波束距离的高精度测量，记最小值求取运算为min[]，波束中心距离r_c表示为

r_c＝min[R(r)]。

8.根据权利要求7所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，具体为：

回波包络比R(r)在主波束内呈V字形的形状，首先求取回波包络比R(r)为1对应的两个距离点r_n和r_f，r_n<r_f；计算r_n和r_f的距离比ρ_nf，表示为

9.根据权利要求8所述的一种双波束微波着陆雷达高精度测距方法，其特征在于：查表获得波束中心入射角估计，具体为：

距离比ρ_nf和波束入射角θ_inc是单调递减函数，且与着陆器飞行高度无关，该单调递减函数为θ_inc＝F(P_A(θ),P_D(θ),ρ_nf)，将上述函数F制表，通过距离比ρ_nf查表即可获得波束入射角θ_inc的估计值；其中，凸波束功率方向图P_A(θ)，角度变量为θ，凹波束功率方向图P_D(θ)。

10.一种根据权利要求1所述的双波束微波着陆雷达高精度测距方法实现的微波着陆雷达测距系统，其特征在于包括：

回波获取模块：通过天线凸波束和天线凹波束两个波束同时获取着陆波束照射区的回波；

包络比计算模块：计算凸波束回波和凹波束回波的包络比；

波束距离测量模块：计算回波包络比凹口的极小值点位置；

入射角估计模块：求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，查表获得波束中心入射角估计，从而完成微波着陆雷达的测距；

采用同一天线形成凸波束和凹波束两个波束对目标回波信号进行接收；两个波束回波信号经凸波束接收通道、凹波束接收通道组成的双通道进行放大、滤波、下变频，送给信号处理器进行模数变换产生凸波束回波A(r)和凹波束回波D(r)两路数字回波，r为雷达距离；

凸波束回波和凹波束回波的包络比表示为：

回波包络比R(r)处理获得R(r)凹口的极小值点位置即为波束中心距离r_c，获得波束距离的高精度测量，记最小值求取运算为min[]，波束中心距离r_c表示为

r_c＝min[R(r)]；

求取回波包络比值为1的两个距离点的距离比，具体为：

回波包络比R(r)在主波束内呈V字形的形状，首先求取回波包络比R(r)为1对应的两个距离点r_n和r_f，r_n<r_f；计算r_n和r_f的距离比ρ_nf，表示为

查表获得波束中心入射角估计，具体为：

距离比ρ_nf和波束入射角θ_inc是单调递减函数，且与着陆器飞行高度无关，该单调递减函数为θ_inc＝F(P_A(θ),P_D(θ),ρ_nf)，将上述函数F制表，通过距离比ρ_nf查表即可获得波束入射角θ_inc的估计值；其中，凸波束功率方向图P_A(θ)，角度变量为θ，凹波束功率方向图P_D(θ)。

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