基于多普勒频率的机载测距原理

基于数学定义,通过对多普勒频移变化率方程的近似处理即可实现仅基于多普勒频移测量的机载单站测距。在此基础上,进一步研究了在某一时间段内多普勒变化率的均值表达问题,在机载探测平台匀速直线飞行条件下所进行的分析表明,在某一时间段内多普勒变化率的平均值与此时段两端点处的切向速度之积成正比,并与时段终端位置处的径向距离成反比,且模拟计算证实由此表示才能获得更为准确的测距结果。与现有的方法不同,本文提出的测距方法既不需要直接检测多普勒频移变化率,也不需要和其它定位测量方法配合使用。同时,基于文献研究结果,在探测得到被测目标辐射信号中心频率后,即可实现仅基于频率测量的机载单站测距。本文的研究结果为直接利用多普勒原理准确测距奠定了工程应用基础。     

机载频移测距的严格解及误差特性

利用混合坐标系统,在对多普勒频移方程作恰当的变量变换之后,即可以得到仅需二次频移测量的机载无源测距严格解。与基于多普勒变化率所导出的近似解相比较,严格解适用于任意基线长度,且相对计算误差将随着基线长度的增加而降低。一个引人注意的特性是,如两次探测间距接近目标径向距离时,则就能以较差的频移测量精度实现很高的定位测量精度。     

机载多普勒频移的递推及相移检测

在机载站飞行方向前方某一距离处的多普勒频移能够通过递推计算的方法由站点当前位置处的相位测量结果而被直接确定。首先,基于平面几何关系,由机载平台匀速运动时各个几何变量的运动特性导出了仅利用当前时刻的多普勒频移测量值和径向距离获得在虚拟飞行距离处多普勒频移递推值的计算式。然后,进一步直接利用相差测距、测向法求解递推式中所包含的径向距离和方位角,得到了仅基于相差检测的多普勒频移递推公式。且初步的误差分析表明,只要载机的飞行速度较低,虚拟基线的长度较短,所检测的信号波长较长,则递推频移的测量误差可控制在十几赫兹之内。     

由相差定位方程直接导出的双基时差定位公式

和现有的三站时差定位方法相比,双基四站时差定位方法具有更高的测量精度,可避免对高重频信号测量的定位解模糊,同时相距较远的两主基站间的时间基准可以要求不同步, 有利于站址的选择。本文利用相似递推的方法,以更简捷的和更严谨的方式直接从程差定位方程导出了双基四站时差测距公式。     

对瞬时信号波长的相频检测

首先,将短基线相差测向严格解和多普勒频移方程联解,获得基于相差测量的频移表达式;然后,利用中心频率、瞬时测频值和多普勒频移间的关系,将频移表示式化为一个仅包含未知信号波长的一元三次函数方程,从中可导出基于瞬时测频和相差测量的信号波长解析公式。在此基础上,还通过模拟比较,采用合并等值项的方法对解析公式进行了简化。对简化解的误差分析表明,对于分米波信号,且在瞬时测频的测量误差大于数兆赫的情况下,由基于短基线相差测量所得到的波长测量误差可小于 1mm。所提出的新方法可能是至今为止最具有工程应用价值的。     

多站时差和多普勒频差联合定位技术

讨论了多站时差（TDOA）和多普勒频差（FDOA）无源定位技术，并将时差定位与多普勒频差定位结合起来，提出了对运动目标的时差-多普勒频差联合定位思想。仿真结果表明，这一方法是可行的。     

站间基线不等时三站时差定位的误差特性

在按时差方程和平面几何关系得到的三站时差测距和测向解析解的基础上,基于误差理论分析了一维直线阵列在站间基线长度不相等时的测距和测向误差特性。由此发现,对于目标的测距测量,不等距布站具有降低测量误差的作用。     

影响无源定位精度的多种误差原因分析

无源定位精度作为对目标定位最为核心的一个技术指标,其定位技术方法有测向/ 交叉定位法、单站快速定位法、比相定位法、测时差定位法、测向/时差定位法、多普勒频率定位法、方位和频率定位法、相位差变化率和多普勒变化率定位法等。同时,比幅测向误差、定位模糊区、系统随机误差、定位站配置与布站方式、多径传输、时差、多普勒频移等多种因素均会对定位精度产生影响。文中主要探讨无源定位的分类及技术方法,分析多种误差影响无源定位精度的原因,以及减小影响无源定位精度的方法。     

一种对固定宽带辐射源的机载单站无源定位方法

机载单站无源定位通常采用相位差及其变化率作为观测量,但当信号源为宽带信号时,相位差测向精度很难满足实际需求。由于时差测量精度与信号带宽成反比,离心加速度也可以从宽带信号中获得,因此,提出了一种基于时差、时差变化率和离心加速度信息的宽带信号机载单站无源定位方法,并对定位原理和测距误差了进行分析,最后,仿真验证了该方法的可行性。     

仅基于角度测量的双机不同向无源测距公式

按平面几何关系,导出了双机在不同向飞行时,仅基于角度测量的无源测距公式。一旦令两载机飞行方向间的夹角和两载机基线之间的偏转夹角趋于零,则即可得到沿同一直线飞行时的双机无源测距公式。测量误差分析表明,基于本文的测距算法,通过适当调整双机间的基线偏转角度,即可使整个探测区域上的测量误差都满足小于5%R的技术要求。     

机载平台径向加速度的无模糊相差检测

在由短基线相差测向严格解给出了相移与频移之间的函数关系之后,导出了一个基于相差和辐射频率测量的信号波长解析公式。随后,通过模拟比较,采用合并等值项的方法对解析公式进行了简化。对简化解的误差分析表明,对于分米波信号,且在实测频率的测量误差大于数兆赫的情况下,由基于短基线相差测量的新方法所得到的波长测量误差可小于 1mm。这可能是至今为止最具有工程应用价值的方法。     

双站交会角的单站虚拟观测

利用程差的相似递推,并通过和由正弦定理所得到的三角函数式联解,可得到含有未知主站径向距离的双站交会角的单站测算方程。在此基础上,进一步利用短距相差测距法,给出了基于相差测量的双站交会角的单站测算公式。由于仅和主站的参数测量相关,故副站以及双站间的间距实际上可以是虚设的。误差分析表明,由于所得到的交会角测算式与径向距离成反比,所以,基于短基线相差检测所得到的双站交会角可具有较好的测量精度。     

短距双站在远距基准点上观测目标的定位精度

在基于时差一方位测量的短距双基站的数百公里之外,选定一个地图基准位置,并以此地图基准位置作为计算分析远距目标位置的几何坐标起始点。先由双站间的时差方程和几何关系解得目标相对于双站的测距式,然后,利用双站测距式以及双站与远距地图基准点之间的几何关系解得目标相对于地图基准点的径向距离和方位。虽然测向误差很大,但误差分析表明只要双站与地图基准点之间的距离足够远,就能在双站距离小于10km的情况下,使目标与地图基准点之间的测距误差满足小于5％R的精度要求。     

一种利用相位差变化率的机载单站无源定位方法

利用空频域信息的无源定位对角速度测量要求较高,分析相位差变化率模型可知相 位差变化率对角速度具有明显的放大作用,将其应用于机载单站无源定位,建立新的无源测 距模型并进行误差分析。仿真实验表明：该方法减小了参数测量难度,定位误差主要受相位 差变化率和频率变化率影响,并随载机和目标相对速度的增大而减小,与原方法相比具有更 好的定位精度。     

对运动目标的单站无源定位技术研究

实现对运动目标辐射源的单站无源定位是对新体制雷达对抗侦察系统的基本要求.固定单站通过测量角度、角速度和多普勒频率变化率可实现对运动目标的无源定位,该方法对角速度特别敏感,测量精度要求很高.为此,提出了一种利用波达方向、相位差变化率、载波频率及多普勒频率变化率的单站无源定位方法,结合某地面雷达对抗侦察系统,分析了其定位原理、测距误差和可观测性,给出了单次测距的计算机仿真结果和结论.仿真研究表明,通过增加相位差变化率信息降低了对角速度的高精度测量要求.