行星探测着陆器FMCW雷达测速测距方法研究

摘要

随着科技和经济的发展，深空探测已成为世界各个大国航天计划的焦点，近年来，行星探测更变成各国注目的热点。在行星探测过程中，为了获取具有科研价值的数据，探测器需要着陆于行星表面，借助辅助设备实现数据采样与分析，所以探测器安全并准确地着陆到预定的行星表面区域是顺利完成探测的关键步骤。在着陆过程中，为了提高着陆精度，着陆系统通过测速测距敏感器获得其与行星表面之间的实时相对距离及相对运动速度，进而修正着陆器的运动状态。同时，为了降低行星探测着陆器的发射成本，对于其体积及质量的控制要求十分严格，所以具备同时测速测距能力的雷达系统具有极大的研究意义与应用前景。 本文使用FMCW雷达测量着陆器的速度和相对行星表面的距离，主要对行星探测着陆器FMCW雷达的测速测距方法进行了深入的研究。首先，结合直角坐标系之间的转换原理对着陆器的着陆轨迹进行建模，在此基础上研究了行星表面的回波计算模型，给出行星表面回波建模流程，为回波处理提供数据支持。然后，针对在面目标下差频信号的频谱会发生展宽，难以估计波束中心的距离和速度，本文重点研究并解决了行星探测着陆器FMCW雷达回波处理流程中的几项关键技术难点，包括：1、使用重心估计法获取FMCW雷达面目标回波的波束中心，提高在面目标下的速度和距离估计精度；2、提出通过FMCW雷达差频信号的频谱宽度与波束中心距离对应频率的比值，估计波束在行星表面的入射角；3、提出利用入射角估计值得到用于回波包络重心校正的校正系数，从而获得校正后更加精确的距离和速度估计值。在此基础上，分别给出了FMCW雷达在三角波调制和锯齿波调制下包含重心校正的测速测距处理流程。最后，针对着陆器加速度所带来的影响，提出将离散多项相位变换与重心估计法相结合，得到着陆器在面目标下的加速度，通过补偿加速度带来的误差，使着陆器速度的测量精度得以提高。 通过回波处理仿真实验结果，验证了本文所提的行星探测着陆器FMCW雷达测速测距方法的可行性，并且证明了使用本文所提出的雷达回波处理流程和FMCW雷达调制方式选择方案，能够在着陆各阶段都实现较高的测速测距精度。使着陆系统借助一套雷达系统同时得到着陆器的速度和相对行星表面距离的测量值，为精确地完成行星探测着陆任务提供重要的技术支持。

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