專利名稱：一種機載單站無源定位系統(tǒng)對目標輻射波長的測定方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線電測量技術領域，具體涉及機載單站無源定位系統(tǒng)，通過應用頻率測量技術，并綜合利用速度關系、多普勒頻移及變化率方程實現(xiàn)對被測目標輻射信號波長的準確測定。
背景技術：
中國正在逐漸成為世界強國，為推進強軍戰(zhàn)略，就必須建立一支有一定威懾作用的軍事力量，而能贏得21世紀戰(zhàn)爭勝利的關鍵在于最快捷、最準確的獲取情報。這其中就包括發(fā)展空基情報偵察系統(tǒng)，尤其是遠程空基情報偵察系統(tǒng)。遠程空基偵察仍是獲取信息資源的主要手段，且不可能被衛(wèi)星替代。
遠程空基偵察系統(tǒng)所涉及的主要技術之一是機載單站無源定位方法，其具有作用距離遠、隱蔽接收、不易被對方發(fā)現(xiàn)等優(yōu)點，對于提高探測和偵察系統(tǒng)在電子戰(zhàn)環(huán)境下的生存和作戰(zhàn)能力具有重要作用。因其具有良好的靈活性和機動性，故在機載探測和電子偵察領域中具有廣闊的應用前景。機載單站無源定位技術由于獲取的信息量相對較少，定位難度相對較大。在現(xiàn)有的定位技術中，盡管測向和測時定位法具有成本低、設備成熟和容易實現(xiàn)等優(yōu)點，但因其定位時間長、測量精度低等弊端，難以滿足日益發(fā)展的電子戰(zhàn)的戰(zhàn)術需求；而相位干涉定位法系統(tǒng)則設備和算法相對較為復雜。
多普勒定位技術具有測向誤差小、靈敏度高和穩(wěn)定性好等特點，但在現(xiàn)有的基于多普勒頻移測量技術的機載單站無源定位方程中，通常都包含有被測輻射源信號的波長參數(shù)，實際上這是一個未知的參量，且至今只能是通過預先裝訂、近似估計或借助于另外的測量設備得到。
已有研究已經(jīng)給出了一種不需估算被測輻射源波長的機載無源定位方法。其通過增加觀測次數(shù)，以列出更多的定位方程，從而能夠消去未知的波長。這種方法僅需機載站保持均速直線飛行，并對頻譜進行連續(xù)的跟蹤測量，且在連續(xù)獲得三個多普勒頻差測量值后，即可通過計算公式求得被測目標的距離和相對方位，但初步的分析亦表明這種方法的測量誤差較大。
除非采用附加的測頻方法得到目標的中心頻率，否則就需要對中心頻率預先裝訂或當前估計。事實上，如能精確測定出輻射源發(fā)射端的中心頻率，則就能直接從多普勒公式本身求解出徑向速度，并進而求得定位所需的各個參量，于是基于雙接收通道的頻差測量方式就將不再被需要。
顯然，對于遠距飛行偵察而言，在得不到地面測量系統(tǒng)直接支持的情況下，為提高單站無源定位系統(tǒng)的測量精度，載機自身就必須具有準確測算或估計被測目標輻射信號中心波長的能力。
發(fā)明內(nèi)容
針對已有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種機載單站無源定位系統(tǒng)對目標輻射波長(頻率)的測定方法。本發(fā)明測定方法通過綜合應用速度矢量方程、多普勒頻移及變化率關系，僅利用測頻技術即能解算得到輻射信號的中心頻率。
本發(fā)明所提供的測定方法有助于執(zhí)行遠距偵察任務，但裝備簡陋的載機提高定位測量精確度。亦能應用于無線電管理機構對無線信號的監(jiān)測。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的 在機載探測站勻速移動的條件下，一方面借助于多普勒式頻移變化率方程，并利用三角函數(shù)關系，可得到在相鄰測量節(jié)點之間多普勒變化率之比等于切向速度三次方之比的等式關系，另一方面，根據(jù)多普勒頻移變化率的數(shù)學定義，相鄰測量節(jié)點間的多普勒變化率之比亦能由相鄰節(jié)點的實測頻率差之比所確定。在此基礎上，進一步根據(jù)速度矢量關系和多普勒頻移方程，將切向速度用已知的載機飛行速度和多普勒頻移置換，即能得到一個含有未知波長及待定多普勒頻移的方程式，此時，再將實測頻率、多普勒頻移和中心頻率之間的轉換關系代入，則即能得到一個僅含有未知輻射信號中心波長(頻率)的一元二次方程。
測定方法包括如下步驟 (1)、機載單站無源探測平臺沿直線作勻速運動； (2)、將所接收的探測信號先經(jīng)接收前端放大-變頻后進入數(shù)字信號處理單元，然后在同步時鐘的控制下，通過定周期解算得到信號的頻率值，并將檢測結果送往儲存器； (3)數(shù)據(jù)處理單元在定周期同步時鐘的觸發(fā)下，通過自動或人工指令的方式，從儲存器中調(diào)用最新的三個頻率值測算出被測信號的波長先按下式計算相鄰測量節(jié)點處頻差的比值q 式中fti為測量節(jié)點處的實測頻率值。
然后按下式計算出被測信號的波長 式中λ為目標信號輻射波長；vc為光速；v為載機的飛行速度。
在自動測算的情況下，存貯器需以三倍于數(shù)字信號處理單元工作周期的時間周期長度，定時將三個存貯值成一組的送入數(shù)據(jù)處理單元。
本發(fā)明的測定方法無需采用復雜的檢測方法、或者是算法，僅通過簡單的頻率測量就能準確估計得到被測輻射信號的波長。此種簡易測量方法將有助于那些執(zhí)行遠距定位測量任務、但裝備簡陋、又得不到地面測量系統(tǒng)直接支持的小型空中測量平臺提高定位測量精確度。也能應用于無線電管理機構對未知無線電信號的監(jiān)測。
圖1為本發(fā)明機載單站無源定位系統(tǒng)對目標輻射波長的測定方法中機載單站多普勒頻差定位的示意圖。
圖2為本發(fā)明測定方法的基本框架圖。
圖3為本發(fā)明測定方法在不同飛行速度時波長的相對誤差曲線圖。
圖4為本發(fā)明測定方法在不同飛行距離時波長的相對誤差曲線圖。
具體實施例方式 下面結合附圖1-圖4，并通過對目標與機載單站無源探測系統(tǒng)間的關系進一步說明本發(fā)明是如何實現(xiàn)的。
實施例 一種機載單站無源定位系統(tǒng)對目標輻射信號波長的測定方法。圖1描述了目標與機載無源觀測平臺間的幾何運動關系；圖2給出了測定系統(tǒng)的基本框架；圖3給出了不同飛行速度時波長的相對誤差曲線；圖4給出了不同飛行距離時波長的相對誤差曲線。
本發(fā)明測定方法改進了現(xiàn)有的多普勒定位法，以簡單的方法解決了機載無源定位系統(tǒng)對輻射信號中心頻率的測量問題。通過綜合利用速度矢量方程、多普勒頻移及變化率關系，給出了一種可僅通過實時測量被測目標輻射信號的頻率就能實時準確的確定信號波長的檢測方法。所提出的新方法將有助于執(zhí)行遠距偵察任務的載機能以簡陋的裝備實現(xiàn)較高的定位測量精確度，亦可應用于無線電管理監(jiān)測。
1、基本公式 如圖1所示，輻射源位于M，載機從節(jié)點1經(jīng)節(jié)點2到節(jié)點3作勻速直線運動，且在定周期測量的條件下，節(jié)點間的飛行距離相等。
根據(jù)多普勒頻移變化率的定義，在兩相鄰測量節(jié)點處可列出如下等式 式中λ為波長；ri為徑向距離；vti為切向速度。
兩節(jié)點間的多普勒頻移變化率的比值 又由正弦定理可得到兩節(jié)點徑向距離的比值為 式中v為載機的飛行速度。
由此可見，在載機勻速運動的條件下，兩節(jié)點徑向距離之比等于切向速度之比，將其代回式(3)，得 另一方面，利用基本定義且因定周期檢測，相鄰時差接近相等，故相鄰節(jié)點間的多普勒變化率之比可近似由多普勒頻差之比所表示 事實上，由實測頻率fti、中心頻率f0和多普勒頻率fdi之間的關系fdi＝fti-f0，即可得到僅由實測頻率值所表示的相鄰節(jié)點間多普勒頻差之比為 進一步根據(jù)速度關系和多普勒頻移方程λfd＝-vr，由式(5)可得到 經(jīng)整理后 將頻率變換式fdi＝fti-f0代入(9)，可得到一個關于波長的一元二次方程 aλ2+bλ+c＝0 (10) 其中 最終解得信號波長的測算公式 2、基本框架 僅基于頻率測量技術的目標輻射信號波長探測方法的基本工作原理框圖如圖2所示。
接收前端包括了下變頻處理功能，在探測信號的頻率比較高的情況下，接收信號一般都需要經(jīng)下變頻處理。
數(shù)字信號處理單元能實時解算所輸入信號的頻率值，一般情況下，此頻率值將送入貯存器，亦能夠直接送往數(shù)據(jù)處理單元。
數(shù)據(jù)處理單元可通過自動或人工指令的方式調(diào)用最近貯存的三個頻率值按測算公式計算出當前被測信號的波長。
數(shù)字信號處理單元、貯存器和數(shù)據(jù)處理單元都將在同步時鐘的控制下定周期的執(zhí)行任務。其中，數(shù)字信號處理單元在同步信號的觸發(fā)下定期的解算信號頻率值，其實際上亦確定了載機的歷經(jīng)路程L；在自動測算的情況下，存貯器需以三倍于數(shù)字信號處理單元工作周期的時間周期長度，定時將三個存貯值成一組的送入數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元則在時鐘信號的控制下，定周期的執(zhí)行解算任務。
3、模擬計算 為了進行數(shù)學模擬計算，首先就必須獲得輻射頻率的實際測量值，通過采取利用理論值取代測量值的方法進行了模擬計算。先預先設定波長λ、前置角β1、徑向距離r1、飛行速度v和飛行距離L的值，且使β1在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)連續(xù)變化，由此就能按圖1所示的幾何關系依次精確計算得出所有其余測量節(jié)點位置處的前置角和徑向距離，并精確計算出對應于各個前置角βi和徑向距離ri時的多普勒頻移fdi，由此就能獲得輻射頻率fti的理論值，進一步根據(jù)頻率變換式fdi＝fti-f0，由設定的中心頻率f0得到實測頻率值fti。
在此基礎上，就能根據(jù)推導所得到的波長測算公式(11)計算出的波長的測算值，并通過和理論給定值相比較而得到相對誤差。模擬分析表明，基于測頻技術的波長測算方法具有很好的精確度。圖3給出了飛行長度為5000m的條件下，在不同飛行速度時測算波長的相對誤差曲線。圖4給出了在飛行速度為100m/s的情況下，在不同飛行距離時測算波長的相對誤差曲線。
權利要求
1.一種機載單站無源定位系統(tǒng)對目標輻射波長的測定方法，機載單站無源定位系統(tǒng)包括機載單站無源探測平臺，接收前端，數(shù)字信號處理單元，儲存器和數(shù)據(jù)處理單元及同步時鐘，測定方法包括如下步驟
(1)、機載單站無源探測平臺沿直線作勻速運動；
(2)、將所接收的探測信號先經(jīng)接收前端放大-變頻后進入數(shù)字信號處理單元，然后在同步時鐘的控制下，通過定周期檢測得到信號的頻率值，并將檢測結果送往儲存器；
(3)數(shù)據(jù)處理單元在定周期同步時鐘的觸發(fā)下，通過自動或人工指令的方式，從儲存器中調(diào)用最新的三個頻率值測算出被測信號的波長先按下式計算相鄰測量節(jié)點處頻差的比值
式中fti為測量節(jié)點處的實測頻率值，q為兩節(jié)點間的多普勒頻差的比值。然后按下式計算出被測信號的波長
式中λ為目標信號輻射波長；vc為光速；v為載機的飛行速度。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種機載單站無源定位系統(tǒng)對目標輻射波長的測定方法，其特征在于在自動測算時，存貯器需以三倍于數(shù)字信號處理單元工作周期的時間周期長度，定時將三個存貯值成一組的送入數(shù)據(jù)處理單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機載單站無源定位系統(tǒng)對被測目標輻射波長的測定方法，測定方法包括如下步驟機載單站無源探測平臺沿直線作勻速運動；將所接收的探測信號先經(jīng)接收前端處理，然后送入數(shù)字信號處理單元，在同步時鐘的控制下定周期檢測所得到信號頻率值被送往儲存器；數(shù)據(jù)處理單元在定周期同步時鐘的觸發(fā)下，通過自動或人工指令的方式，從儲存器中調(diào)用最新的三個頻率值測算出被測信號的波長。本發(fā)明通過采用簡單的頻率測量技術即能準確估計得到被測目標輻射信號的波長，可應用于執(zhí)行遠距定位測量任務，但裝備簡陋、得不到地面測量系統(tǒng)支持的空中測量平臺，亦適用于空中無線電信號的監(jiān)測管理。
文檔編號G01S11/10GK101762812SQ20091020100
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權日2009年12月11日
發(fā)明者郁濤 申請人:中國航空無線電電子研究所