CN112347613A - 一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法，技术应用于深空微波测速测距敏感器发射波形带宽快速设计，技术步骤如下：1、输入最远距离处着陆区域地形起伏，最远距离处测距精度要求，距离升采样率，最远作用距离处信噪比，选定最远作用距离处波形带宽。2、计算最远作用距离处信噪比、波形带宽、距离三次方和测量波束切向速度的乘积因子。3、构建1元3次方程组系数。4、求解1元3次方程组得到任意距离处的波形带宽设计值。

Description

一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法
技术领域
本发明涉及一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法，属于深空微波测速测距敏感器领域。
背景技术
项目来源于探月四期工程中导航制导控制(GNC)分系统微波着陆测速测距敏感器的样机研制。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，微波着陆测速测距敏感器是深空着陆探测器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与速度信息，确保着陆精度和安全。测距精度是着陆敏感器距离测量的重要参数，如何设计着陆敏感器发射信号带宽时保障测量精度的关键环节，对着陆安全有着重要的意义。
项目来源于探月四期工程中GNC分系统微波测速测距敏感器的样机研制。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，
微波着陆测速测距敏感器的测距精度设计与敏感器发射波形带宽、回波信号信噪比、着陆区月面地形起伏、测距信号处理采样率等众多参数相关，与波形带宽存在着有着复杂的函数关系，使得敏感器测距发射波形带宽设计非常复杂；经典发射波形带宽设计方法，采用带宽试探法，即依据设计经验设定一种带宽进行测距精度解算，若不满足测距精度要求，则依据解算的精度结果进行调整，直至满足测距精度要求为准，试探法设计周期长，也难以进行带宽设计优化。
项目组提出一种以基于用户测距精度需求、敏感器着陆区月面地形起伏等参数为输入的着陆测速测距敏感器发射波形带宽快速设计方法，设计中考虑影响测距精度的3类主要因素：热噪声测距误差，地形起伏误差，距离量化误差，通过求解一元三次方程组快速进行波形带宽设计，适宜进行计算机辅助自动化设计实现。
对已公开的国内外微波测速测距敏感器相关资料进行调研，国内能够查到的公开资料仅定性描述了测距精度和发射信号带宽选择的关系，难以定量进行分析。国外各篇文献中给出了信号带宽范围，并未给出信号带宽快速设计方法，从根本上无法解决发射信号带宽快速设计问题。
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，无需人为干预迭代，快速实现每个距离处的发射信号带宽最优值设计求解，缩短系统发射信号带宽选择设计周期，对提升着陆测速测距敏感器测距精度、确保关键参数设计最优。
本发明技术解决方案：一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法，包括如下步骤：
(1)确定最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)，利用最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)构建乘积因子
Figure BDA0002731547850000026
(2)构建1元3次方程
Figure BDA0002731547850000021
其中1元3次方程组系数p3、p2、p1、p0构建为：
Figure BDA0002731547850000022
Figure BDA0002731547850000023
Figure BDA0002731547850000024
Figure BDA0002731547850000025
其中，c为光速，Vt(r)为作用距离r处着陆器运动切向速度，σh(r)为作用距离r处月面着陆区域地形起伏，σr(r)为最远距离处测距精度要求，αos为距离升采样率；SNR(rmax)是最远作用距离rmax处信噪比，最远作用距离rmax处着陆器运动切向速度Vt(rmax)；
(3)求解上述1元3次方程，得到任意距离处的带宽最优值。
优选的，所述最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)依据用户对最远距离处月面着陆区域地形起伏σh(rmax)，最远距离处测距精度要求σr(rmax)，距离升采样率αos，最远作用距离处信噪比SNR(rmax)按照如下公式进行确定：
Figure BDA0002731547850000031
其中，π为圆周率。
优选的，用户对最远距离处测距精度要求σr(rmax)为距离的函数，其函数是连续表达式或者是距离的分段函数。
优选的，在步骤(3)之后根据用户的关注将整个距离进行分段，每段中将最小距离处的波形带宽作为该段的设计带宽。
本发明适用于火星、月球等深空探测着陆器着陆微波测速测距敏感器波形带宽设计。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)微波着陆测速测距敏感器是深空着陆探测器GNC分系统的重要载荷之一，发射波形带宽设计是系统设计的关键环节。一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法以用户测距精度需求和系统设计基本参数作为输入，通过求解1元3次方程快速获得每个距离处的发射信号带宽最优值，快速设计，设计中无需人为干预迭代，缩短了系统发射信号带宽选择设计周期。
(2)设计方法能偶提升着陆测速测距敏感器测距精度、确保关键参数设计最优，对着陆安全有着重大意义。在深空领域探测微波着陆测速测距敏感器自动化设计中具有广阔的应用前景。
(3)本发明波形带宽设计过程中已考虑了着陆器运动切向速度，月面着陆区域地形起伏，用户测距精度要求，距离升采样率影响测距精度的主要因素；能够对用户关心的任意距离r处的波形带宽最优值进行求解，具有全距离覆盖性。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是用户输入的着陆器运动切向速度与距离r的函数；
图3是不同距离处的波形带宽设计值输出。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体技术实施步骤和工作过程：
一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法，如图1所示，包括步骤如下：
(1)选定最远作用距离处波形带宽
最远作用距离处的波形带宽可以依据工程经验法或迭代设计法进行确定，优选采用如下给出的方式进行快速确定。
输入最远距离处月面着陆区域地形起伏σh(rmax)，最远距离处测距精度要求σr(rmax)，升采样率αos，最远作用距离处信噪比SNR(rmax)，选定最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)为
Figure BDA0002731547850000041
(2)计算乘积因子
带入SNR(rmax)、步骤1解算出的Br(rmax)、最远作用距离rmax、最远作用距离rmax处着陆器运动切向速度Vt(rmax)，计算得出乘积因子kcof：
Figure BDA0002731547850000042
(3)构建1元3次方程组系数
构建1元3次方程组系数p3、p2、p1、p0；方程系数p3、p2、p1、p0表示为：
Figure BDA0002731547850000051
Figure BDA0002731547850000052
Figure BDA0002731547850000053
Figure BDA0002731547850000054
其中，作用距离r处着陆器运动切向速度Vt(r)，作用距离r处月面着陆区域地形起伏σh(r)，最远距离处测距精度要求σr(r)，升采样率αos。
(4)求解1元3次方程组得到任意距离处的波形带宽设计值
求解1元3次方程组得到任意距离r处的波形带宽设计值Br(r)：
Figure BDA0002731547850000055
其中1元3次方程组系数p3、p2、p1、p0由步骤3得出。
实施例
(1)选定最远作用距离处波形带宽
用户输入的距离r处月面着陆区域地形起伏σh(r)是距离r的函数，在此依据典型输入取值为σh(r)＝0.002r，最远作用距离rmax＝16Km，最远距离处月面着陆区域地形起伏σh(rmax)＝32m；距离r处测距精度要求σr(r)＝0.4％r(r≥100m),σr(r)＝0.4m(r≤100m)，最远距离处测距精度要求σr(rmax)＝64m，距离升采样率αos一般要求为2，最远作用距离处信噪比SNR(rmax)要求为20，依据发明技术解决方案，选定最远作用距离16Km处波形带宽Br(rmax)为
Br(rmax)＝0.58MHz
(2)计算乘积因子
带入SNR(rmax)、步骤1解算出的Br(rmax)＝0.58MHz、最远作用距离rmax＝16Km，从图2中着陆器运动切向速度与距离r的函数查出最远作用距离rmax处着陆器运动切向速度Vt(rmax)＝198m/s，计算得出乘积因子kcof＝3.76×1022。
(3)构建1元3次方程组系数p3、p2、p1、p0；方程系数p3、p2、p1、p0表示为：
Figure BDA0002731547850000061
Figure BDA0002731547850000062
Figure BDA0002731547850000063
Figure BDA0002731547850000064
其中，作用距离r处着陆器运动切向速度Vt(r)从用户输入的着陆器运动切向速度与距离r的函数获取，作用距离r处月面着陆区域地形起伏σh(r)＝0.002r，最远距离处测距精度要求σr(r)＝0.4％r(r≥100m),σr(r)＝0.4m(r≤100m)，升采样率αos＝2。方程系数p3、p2、p1是距离r的函数，取值从最近距离10m取值至最远作用距离16Km处，取值间隔可以任意选取，一般取值为10m即可；
(4)求解1元3次方程组得到任意距离r处的波形带宽设计值Br(r)：
Figure BDA0002731547850000065
其中1元3次方程组系数p3、p2、p1、p0由步骤3得出。通过方程组求解不同距离处的波形带宽设计值见图3所示。
本发明以用户测距精度需求和着陆器运动切向速度，着陆区域地形起伏，距离升采样率等系统基本参数作为输入，通过计算机辅助1元3次方程求解，快速获得任意距离处的带宽最优值，快速设计，无需迭代，缩短了系统发射信号带宽选择设计周期，目前该技术已应用于天问一号、探月四期微波测速测距敏感器系统设计应用。
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 (5)

1.一种微波测速测距敏感器波形带宽快速设计方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)确定最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)，利用最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)构建乘积因子
Figure FDA0002731547840000011
(2)构建1元3次方程
Figure FDA0002731547840000012
其中1元3次方程组系数p3、p2、p1、p0构建为：
Figure FDA0002731547840000013
Figure FDA0002731547840000014
Figure FDA0002731547840000015
Figure FDA0002731547840000016
其中，c为光速，Vt(r)为作用距离r处着陆器运动切向速度，σh(r)为作用距离r处月面着陆区域地形起伏，σr(r)为最远距离处测距精度要求，αos为距离升采样率；SNR(rmax)是最远作用距离rmax处信噪比，最远作用距离rmax处着陆器运动切向速度Vt(rmax)；
(3)求解上述1元3次方程，得到任意距离处的带宽最优值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述最远作用距离rmax处波形带宽Br(rmax)依据用户对最远距离处月面着陆区域地形起伏σh(rmax)，最远距离处测距精度要求σr(rmax)，距离升采样率αos，最远作用距离处信噪比SNR(rmax)按照如下公式进行确定：
Figure FDA0002731547840000021
其中，π为圆周率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：用户对最远距离处测距精度要求σr(rmax)为距离的函数，其函数是连续表达式或者是距离的分段函数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(3)之后根据用户的关注将整个距离进行分段，每段中将最小距离处的波形带宽作为该段的设计带宽。
5.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于：适用于深空探测着陆器着陆微波测速测距敏感器波形带宽设计，所述的深空探测着陆器包括火星探测着陆器、月球探测着陆器。
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