专利名称：一种微波雷达波束中心向速度的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，尤其涉及到星球着陆器利 用微波雷达测量波束中心向速度测量方法。
背景技术：
星球着陆器一般安装于轨道器上，在开始着陆前随轨道器一起以较大的速度绕星 球飞行。着陆器的着陆过程为首先，着陆器与轨道器分离，此时着陆器仍具有较大的速度。 由微波着陆雷达测量着陆器运动速度，提供给GNC系统控制着陆器减速。对于星球着陆，着 陆点一般都是事先选定的，因此，GNC系统需要控制着陆器飞行速度和高度，使其到达预定 着陆点上空时，水平和垂直两维速度要控制到接近为零。此时对星球表面进行三维成像，以 选择较为平坦的区域使着陆器安全着陆。可以看出，在整个着陆器着陆过程中，GNC系统都 需要利用微波着陆雷达测量着陆器相对星球表面速度，速度测量的精确度是关系到着陆器 能否实现安全着陆的重要参数。目前国内外能够应用于着陆雷达速度测量的方法主要有简单连续波测量方法，距 离微分法和动目标检测法。简单连续波测量方法可同时测量垂直和水平向速度，但由于天 线隔离度无法做到足够高，泄漏信号会限制雷达的最远作用距离，同时该方法无法进行距 离信息测量，因此对于着陆系统需增加另外的硬件设备来完成距离信息的提取；距离微分 法主要应用于测高仪，通过高度的微分换算垂直速度分量，该方法最大的问题在于无法测 量水平速度分量，难以全面的为着陆器提供速度信息；动目标检测法利用面目标回波的多 普勒展宽效应，对电平超过检测门限的频谱进行几何中心求取，从而推导出波束中心向的 速度值。该方法可以同时测量水平和垂直两维速度矢量，但其测量精度受限于检测门限的 选取，尤其当信噪比较低时，由于门限选取带来的速度测量误差将较大。由于着陆器速度较大，不可避免的会产生速度模糊，同时着陆系统GNC希望雷达 能够独立于其他传感器独立工作，因此，雷达只能通过自身算法对模糊数进行解算。目前探 测雷达解速度模糊的方法有很多，比如多基线解模糊法，最小二乘解模糊法、多重频查表法 等。其中经典的解模糊算法发射三组参差频率，利用中国余数定理进行解算。利用传统的中国余数定理，假设雷达发射的脉冲重复频率为PrfpPrfpPrf3,目标 真实频率为f，则^ = N1Xprf^fdlf2 = N2Xprf2+fd2f 3 = N3 X prf3+fd3其中，fdi为有模糊的多普勒频率，可以根据频率范围遍历K、N2, N3，使= f2 = f3 = f，则可以确定出相应的模糊次数。但考虑到着陆系统运动速度的高变化率，其多普勒 频率是始终在改变的，因此利用传统余数定理无法找到同时满足三种频率的整数(模糊次 数)。因此如果简单的利用余数定理是无法完成模糊次数解算的。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种微波雷达波束中心向 速度的测量方法，本发明采用改进的余数定理进行模糊次数解算，可以准确测量着陆器水 平和垂直速度分量，具有测量精度高、工程实现较简单的特点，能够引导着陆器实现安全着 陆。本发明的技术解决方案是一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括以下 几个步骤(1)着陆器上的微波雷达先向星球表面发 射至少η组互为质数的重频脉冲，其中 每组重频脉冲为N个，在星球表面产生的至少η组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采 集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做s (t， tm)
权利要求
一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于包括以下几个步骤(1)着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少n组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为N个，在星球表面产生的至少n组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做s(t，tm) <mrow><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <msub><mi>f</mi><mi>c</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>t</mi><mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>c</mi></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中n＝7；N≥128；tm为慢时间，即方位维时间；t为快时间，即距离维时间；fc为着陆器雷达发射信号的载波频率；R(tm)为雷达波束中心向的距离；c为光速；(2)对至少n组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取n组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>dn</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi><mo>&times;</mo><msub> <mi>prf</mi> <mi>n</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>&times;</mo><mi>arg</mi><mo>{</mo><mi>R</mi><mrow> <mo>(</mo> <mover><mi>n</mi><mo>^</mo> </mover> <mo>,</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo> </mrow> <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>dn</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>&times;</mo><msub> <mi>f</mi> <mi>dn</mi></msub> </mrow>其中fdn为该组有模糊的多普勒中心频率；prfn为该组脉冲重复频率；为该组回波信号s(t，tm)的相关函数；arg为角度求取函数；vdn为该组有模糊的波束中心向速度；λ为回波信号的波长；(3)利用“改进的余数定理”准则对步骤(2)中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数Ni；其中“改进的余数定理”判断准则为存在整数N1、N2、、、N5，使|fi fj|＜Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率Δf时，则该整数组为真实模糊次数，其中1≤i≤5，1≤j≤5，fi＝k*prfi+fdi，k为整数，其取值范围满足k∈[ m，m]，m为遍历次数，prfi为有效的脉冲重复频率，fdi为步骤(2)中求取的其中5个有模糊的多普勒中心频率；有效的脉冲重复频率prfi的判断方法为有模糊的多普勒中心频率fdi满足“2×Δf≤fdi≤prfni 2×Δf”条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中prfni为步骤(2)求取的其中5个脉冲重复频率；(4)利用步骤(2)获得的有模糊的波束中心向速度和步骤(3)获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度vr， <mrow><msub> <mi>v</mi> <mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>prf</mi> <mo>&times;</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>v</mi> <mi>d</mi></msub> </mrow>其中λ为回波信号的波长；prf为与步骤(3)中得到5个有效脉冲重复频率中的任意一个；N为与脉冲重复频率prf相对应的解算出的模糊次数；vd为与脉冲重复频率prf相对应的有模糊的波束中心向速度。FSA00000210539300021.tif
2.根据权利要求1所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于所 述步骤(3)中Af的确定方法为某个距离段速度的最大变化率为△ Vmax，λ为回波信号的O A工作波长，Sf为雷达频率提取随机误差，则=A/= X 7max +Sf aA
3.根据权利要求2所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于所 2v述遍历次数m大于，其中，Δν_为某个距离段速度的最大变化率，prfmin为最小的 脉冲重复频率，λ为回波信号的工作波长。
全文摘要
一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括下列步骤根据距离不模糊原则选择互质的脉冲重复频率(以下简称重频)，根据作用距离和检测信噪比的要求选择每种重频的脉冲积累个数，发射脉冲信号，并接收星球表面回波，检测最大功率点地距离门号，将该距离门的回波数据进行多普勒相关处理，后求得有模糊的波束中心向速度；将所有重频的脉冲依次处理后，按照“改进的余数定理”准则解算速度模糊次数，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度。本方法仅适用于脉冲雷达体制，可以同时测量水平和垂直两维速度分量在波束向的投影，并且可以兼顾距离测量功能，具有测量精度高，工程实现较简单的特点。
文档编号G01S13/60GK101943753SQ20101024013
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者孙文锋, 宋大伟, 尚社 申请人:西安空间无线电技术研究所