一种雷达高度表及采用该表对飞行器位置的测量方法

摘要

一种雷达高度表及采用该表对飞行器位置的测量方法，涉及定位导航领域，该表包含一个发射天线和两个接收天线，两接收天线分别位于载机的两侧，且两者构成的基线与飞行路线垂直。两天线分别对应一个信号处理通道，两天线接收的信号经信号处理通道处理后与定位处理模块连接。该表对飞行器的位置测量的方法是采用一个发射天线和两个接收天线，通过两个天线接收信号的相位差精确计算飞行器离目标的距离，利用多普勒频移信息计算目标方位，并利用多普勒波束锐化技术进一步提高了距离和高度的测量精度。利用测得的地形数据与预存于数字基准地图中的地形数据进行相关，来获取飞行器的位置信息，对飞行器进行精确导航。

说明书

技术领域

本发明属于定位和导航领域，它特别涉及高精度雷达测高和地形辅助导航技术。

背景技术

雷达高度表是搭载于飞机、卫星等飞行平台上的测高雷达，可以用来测量雷达至目标面的平均高度、目标起伏特性和目标后向散射特性等参量。作为一种微波遥感器，雷达高度表受气候、天气、昼夜影响较小，具有全天候全天时等特点。可以用在轨道测量、弹道修正、巡航制导、航天着陆、大地测量、海洋测绘等方面。

到目前为止，雷达高度表的发展已经经历了四个阶段。其中法国T.T.R公司研制的AHV型高度表(应用于飞机导航、自动着陆和低空武器制导)、美国研制的GESO-C高度表(采用脉冲压缩与扩展技术，测高精度±0.5米)、SEASAT-A海洋雷达高度表(采用去斜坡(deramp)技术进行脉冲压缩与扩展处理和滤波器组分辨回波的方法，测高精度±10cm)以及欧洲航空局发射的ERS-1、ERS-2、TOPEX/POSEIDON雷达高度表(测高精度±2cm)分别为各个阶段的代表产品。从上世纪九十年代末期开始，国际上开始了第五代雷达高度表的研究工作，第五代雷达高度表能够海陆兼顾，采用Delay/Doppler的信号处理方法，同时还具备成像的功能。

上述传统雷达高度表通过发射天线和接收天线直接对地面回波信号进行跟踪捕获实现飞行器高度测量，见附图1。这类雷达高度表只有一副接收天线，测高精度容易受到外界噪声和干扰的影响。在地形辅助导航中，制导精度和雷达高度表的测高精度有着密切关系。由于地形地貌的影响，雷达高度表回波信号容易发生前沿变缓、波形展宽和分裂等现象。这些现象的存在影响了回波信号的捕获，降低了雷达高度表的测高精度。因此需要研究一种既快速又准确的雷达高度表测距新方法。

发明内容

为了提高测距精度，实现高精度定位，本发明将干涉方法引入雷达高度表进行测距。干涉测量方法是根据一定距离内不同天线接收到的同一目标回波信号之间的相位差关系计算出目标与天线之间的相对距离。

如附图2(a)所示，本发明所设计的系统包含一个发射天线3和两个接收天线(天线1与天线2)。两接收天线分别位于载机的两侧，且两者构成的基线即两天线中心间的连线B与飞行路线垂直，由图3可见每个接收天线对应一个信号处理通道(数据通道)，即数据通道1和数据通道2，两通道分别都包括天线、数字化单元、多普勒滤波、距离门和距离门跟踪，它们的连接关系如下，天线1和天线2分别与数据通道1和数据通道2中的距离门的一个输入接口连接，距离门的输出端与数字化单元的输入接口连接，数字化的输出端与多普勒滤波的输入接口连接，多普勒滤波的输出端一面与距离跟踪输入接口连接，距离跟踪的输出端与距离门的另一输入接口连接，两数据通道的多普勒滤波输出端的另一面同时分别与相位比较器的两输入接口连接，相位比较输出端与定位处理模块中的入射角计算模块输入接口连接，经过定位处理模块信息处理后，进行航迹调整。在所有的组成模块中距离门模块能消除一些与信号抗争的接收机噪声，并可实现目标跟踪和距离测量，其作用与发射脉冲抑制非常相似；通过噪声抑制的信号进入数字化模块，转化为数字信号；对数字信号进行快速傅立叶(FFT)变换得到信号的频率成份，多普勒滤波模块根据信号的多普勒频率偏移选通某种频率偏移的信号；相位比较器对选通的信号进行两信号的相位比较得到两信号间的相位差加之基线反推得到高度值；距离跟踪模块调节距离门的位置，以对不同距离的目标进行捕获。

采用本发明的雷达高度表对飞行器离目标的测试方法，是采用一个发射天线3，和两个接收天线(天线1，天线2)，通过两天线分别进入对应的信号处理通道。在通过采样变为数字信号之后，通过快速傅立叶变换进行多普勒滤波，然后通过跟踪算法将参数反馈回距离门。按照图3流程图进行更精确的跟踪定位。把通过多普勒滤波得出的两组信号进行相位比较，得到相位差，然后根据相位差输入定位处理模块，计算出飞行器离目标的位置信息对飞行器进行精确导航。

更具体地说，该方法将距离跟踪分解为两步来实现，首先天线1应用多普勒滤波器选择接收多普勒条带b的回波并保存，同时利用通道1的粗精度高速度跟踪环求得天线1与区域最高点距离值R₁的粗估计。然后在下一个时间间隔载机的正下方到达多普勒条带b(也就是当前时刻的多普勒条带a)所在区域，此时利用通道2的窄带高精度跟踪器以通道1的粗略估计值为参考进行精确的搜索得到天线2到区域最高点精确的距离值R₂。这样既保证了距离跟踪的速度又提高了处理的速度。系统的工作示意图见附图2(a)。根据附图3所示的信号流程图，信号通过两组天线进入到系统中，在通过采样变为数字信号之后进行多普勒滤波，采取的计算方法是进行快速傅立叶变换(FFT)，然后通过跟踪算法将参数反馈回距离门，进行更精确的跟踪定位。通过将滤波得到的两组信号进行相位比较，得到相位差，然后根据相位差就可以得到载机到目标的精确的距离，用获取的数据，结合附图2(a)所示的雷达基线长度以及几何关系，可以求得目标点的距离Y和载机高度Z。

当得到载机与地面最高点之间的位置关系Y和Z以后，通过与电子地图进行匹配，就可以对载机当前位置进行精确定位。

与电子地图进行位置匹配基本原理是利用地球表面不同地区由于凹凸不平形成了的典型特征来确定飞行器所在的地理位置。地形辅助导航的核心就是地形匹配算法。它通过飞行器飞越特定地形时雷达高度表采集的实时地形剖面数据与预存于数字基准地图中的地形数据进行相关，来获取飞行器的位置信息，并以此为依据对飞行器的航迹进行修正。目前常用地形匹配算法有：交叉相关算法(COR)、平均平方差算法(MSD)、平均绝对差算法(MAD)。已证明MAD算法精度与MSD算法接近，但MAD算法的运算量却比MSD小得多，因此本发明采用MAD算法。

为了进一步提高雷达高度表测量精度，本发明使用了合成孔径技术，也就是多普勒波束锐化技术(DBS)，即利用信号的相干累积来获得更窄的波束。可以达到的波束锐化比为