專利名稱：基于移動(dòng)平臺(tái)的多普勒頻差測(cè)向法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線電測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種僅利用多普勒頻差測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)平臺(tái)上的無模糊、高精度測(cè)向的方法。
背景技術(shù)：
隨著無線電頻譜資源的廣泛應(yīng)用和無線電通信的日益普及，為了有序和可靠地利用有限的頻譜資源，以及確保無線電通信的暢通，無線電監(jiān)測(cè)和無線電測(cè)向已經(jīng)必不可少， 其地位和作用還會(huì)與日俱增。事實(shí)上，隨著3G走向商用、Wi-Fi和WiMAX技術(shù)的日益成熟、移動(dòng)數(shù)字電視。寬帶無線接入系統(tǒng)等的廣泛使用，無線電臺(tái)站和各類無線電發(fā)射設(shè)備的數(shù)量將急劇增加，由此也使得傳統(tǒng)的無線電管理面臨著更多的挑戰(zhàn)。同時(shí)日趨復(fù)雜的形勢(shì)也對(duì)無線電管理的各類手段提出了更高的要求，電磁環(huán)境測(cè)試，干擾查處，重大活動(dòng)保障等多項(xiàng)任務(wù)將日趨艱巨。 因而為使無線電監(jiān)測(cè)方式和城市規(guī)劃定位相適應(yīng)，構(gòu)筑適合區(qū)域廣度和功能深度的無線電監(jiān)管手段，已經(jīng)成為區(qū)域無線電管理的基本要求。而保證無線電管理的及時(shí)性和有效性，也是保障政府監(jiān)管導(dǎo)向能適應(yīng)無線電業(yè)務(wù)變革的基本要求。近幾年全國(guó)無線電管理機(jī)構(gòu)陸續(xù)建設(shè)了一些高山監(jiān)測(cè)站，其目的就是為了提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向能力，進(jìn)而提高干擾查處能力。這些高山監(jiān)測(cè)站能夠在較大的覆蓋范圍內(nèi)，進(jìn)行干擾監(jiān)測(cè)和定位任務(wù)。然而，由于中國(guó)國(guó)土面積廣袤，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，相關(guān)的無線電設(shè)備應(yīng)用在不斷增加，干擾可能發(fā)生的地域也越來越廣，所以即便是建設(shè)了很多高山站，也無法滿足覆蓋的要求，對(duì)一些干擾仍然無法監(jiān)測(cè)和定位。例如在一些航空頻段發(fā)生的干擾，往往發(fā)生在3000米以上的空中，地面很難監(jiān)測(cè)到。由于我國(guó)地域廣袤，在一些區(qū)域，雖然有干擾發(fā)生但概率并不大，從費(fèi)效比的角度看，建設(shè)那么多的高山站也不經(jīng)濟(jì)。一般情況下，建設(shè)一個(gè)高山站的費(fèi)用需要500萬 1000萬人民幣，每年還需一定數(shù)量的維護(hù)經(jīng)費(fèi)，除非所監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)臺(tái)站密度大，經(jīng)常發(fā)生干擾，否則在經(jīng)濟(jì)上是不合算的。如何既經(jīng)濟(jì)又有效地完成無線電監(jiān)測(cè)和干擾查處任務(wù)呢？利用加裝了無線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的空中飛行平臺(tái)進(jìn)行巡測(cè)，應(yīng)該是一個(gè)較理想的方案?？罩袩o線電監(jiān)測(cè)作為傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)模式的一種補(bǔ)充，在現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)網(wǎng)上可以形成遠(yuǎn)程控制，聯(lián)合測(cè)向.重點(diǎn)監(jiān)測(cè)等多功能現(xiàn)代化立體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，將可實(shí)現(xiàn)對(duì)所管轄區(qū)內(nèi)全頻段.全業(yè)務(wù)、全時(shí)段，全方位的監(jiān)測(cè)覆蓋.從而全面提升技術(shù)管理水平。利用機(jī)載平臺(tái)上的測(cè)向系統(tǒng)，通過平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，在飛行航線的不同觀測(cè)點(diǎn)上對(duì)地面同一輻射源進(jìn)行探測(cè)，就能獲得一組方向測(cè)量信息，根據(jù)這樣一組方向信息并按照一定的算法，例如三角定位算法，進(jìn)行處理，即可獲得輻射源的位置估值。由于飛機(jī)可以不受限制的飛越各種障礙，故機(jī)載無線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)具有以下優(yōu)占.
^ \\\ ·(1)速度快?？梢匝杆俨檎液痛_定干擾源。(2)對(duì)干擾信號(hào)的無障礙接收。
(3)可以直接飛臨干擾源，及時(shí)查處。只有擁有機(jī)載無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，作為無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)才能做成無縫網(wǎng)絡(luò)。比如美國(guó)民航就專門研發(fā)了 AIMDS (機(jī)載無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng))，其定位方法是對(duì)準(zhǔn)干擾源方向(此時(shí)示向度的顯示為0度)向前飛行，直到相對(duì)方向顯示為180度，此時(shí)的位置就是干擾源。 AIMDS已經(jīng)成為美國(guó)民航無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，配合地面的完善的無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，在查找航空無線電通信干擾工作中，具有很重要的位置。然而，機(jī)載無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用目前還存在一些難題。需要解決一些特殊的技術(shù)問題，比如需要安裝測(cè)向天線陣，電磁兼容考慮及布線等。作為完整的監(jiān)測(cè)體系的一部分，還需要做飛行監(jiān)測(cè)軟件、空中與地面數(shù)據(jù)鏈路的開發(fā)等。最重要的是要有專用的飛機(jī)。這需要有很大的投資和系統(tǒng)的規(guī)劃研發(fā)。根據(jù)測(cè)向原理，其體制可分為比幅式測(cè)向，比相式測(cè)向.多普勒測(cè)向、時(shí)問差測(cè)向和空間譜估計(jì)測(cè)向等。但可用于移動(dòng)平臺(tái)的測(cè)向方法主要分為幅度法和相位法。幅度法測(cè)向的依據(jù)是無線電波的等速直線傳播和天線的方向性引起的接收信號(hào)幅度變化；相位法測(cè)向的物理基礎(chǔ)是無線電波等速直線傳播中在不同距離上產(chǎn)生的相位差。幅度法測(cè)向原理簡(jiǎn)單、設(shè)備建設(shè)成本低等特點(diǎn)，是技術(shù)上使用最早、工程上使用最廣的無線電測(cè)向技術(shù)，該技術(shù)又包括最大信號(hào)法、最小信號(hào)法、等信號(hào)法、信號(hào)比較法等。由于幅度法測(cè)向的物理基礎(chǔ)是接收天線的方向圖特性，測(cè)向精度不可避免地受到天線副瓣、 多徑效應(yīng)的影響；相位法測(cè)向測(cè)量的是輻射源信號(hào)等相位面到達(dá)不同接收天線的時(shí)間差， 對(duì)信號(hào)幅度變化敏感度較低，可有效克服副瓣、多徑等因素影響，保證測(cè)向結(jié)果的真實(shí)性、 有效性。然而由于相位干涉儀只能在[-η，η]范圍內(nèi)單值地測(cè)量相位差，同時(shí)，測(cè)向誤差又是和基線長(zhǎng)度成反比的，因此，單基線相位干涉儀始終存在著相位模糊和測(cè)向精度之間的矛盾問題。為了解決這一矛盾，通常需要采用多基線體制，其中包括長(zhǎng)短基線相結(jié)合的方法和多基線解模糊算法等方法。實(shí)際使用中，長(zhǎng)短基線相結(jié)合的方法存有局限性，對(duì)于多基線解模糊方法，由于需要進(jìn)行多維整數(shù)搜索，存在計(jì)算量比較大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的在于通過引入方向余弦變化率原理所具有的在頻差與角度之間的變換關(guān)系，提供一種僅基于多普勒頻差測(cè)量技術(shù)的、可用于移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)的測(cè)向方法。盡管多普勒頻差無源定位方法本身具有不模糊、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但目前基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以得到多普勒頻移的測(cè)向方法似乎并不適用于移動(dòng)平臺(tái)的探測(cè)應(yīng)用。事實(shí)上，對(duì)于一個(gè)單基線陣列，如利用方向余弦變換率[趙業(yè)福，李進(jìn)華.無線電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)[M].北京 國(guó)防工業(yè)出版社，2001.]，就能將信號(hào)的入射正弦角度變換表示成和多普勒頻差、角速度、 波長(zhǎng)和基線長(zhǎng)度相關(guān)的函數(shù)?；谶@種變換分析，如在飛行平面內(nèi)，使三個(gè)測(cè)量天線單元成直角布設(shè)，則根據(jù)方向余弦變化率的分析原理，就能夠直接得到僅基于多普勒頻差測(cè)量的目標(biāo)方位角的解析計(jì)算式。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
假定目標(biāo)靜止或低速運(yùn)動(dòng)，在測(cè)向平面內(nèi)，利用三個(gè)天線構(gòu)造出一個(gè)兩基線相互垂直的L形陣列，且其中一個(gè)基線和移動(dòng)平臺(tái)的縱軸相平行，另一個(gè)基線與移動(dòng)平臺(tái)的縱軸相垂直。首先，一方面利用兩個(gè)和縱軸平行的天線陣列所接收到的多普勒頻差，按方向余弦變化率得到入射波的正弦角；另一方面利用兩個(gè)和縱軸垂直的天線陣列所接收到的多普勒頻差，按方向余弦變化率得到入射波的余弦角。然后，通過兩者的比值即能消去三角函數(shù)表示式中所包含的未知波長(zhǎng)和角速度， 從而所得到的方向正切角將僅與已知的多普勒頻差和基線長(zhǎng)度相關(guān)。模擬計(jì)算表明公式的相對(duì)誤差和基線長(zhǎng)度成正比，且在載機(jī)的軸線方向存有奇異發(fā)散性。而誤差分析則表明測(cè)量精度是和基線長(zhǎng)度成正比、且改變兩基線長(zhǎng)度的比值將能有效提高方位角度比較小時(shí)的測(cè)量精度。由于本發(fā)明所提出的機(jī)載單站無源測(cè)向方法的探測(cè)過程僅和多普勒頻差相關(guān)，與信號(hào)波長(zhǎng)及其基線長(zhǎng)度的設(shè)置無關(guān)，所以非常適用于寬頻帶工作。同時(shí)，由于利用測(cè)頻信息有利于對(duì)多目標(biāo)的分選識(shí)別，故機(jī)載多普勒無源測(cè)向系統(tǒng)非常適合于多目標(biāo)探測(cè)。具體包括以下步驟1)、執(zhí)行測(cè)向任務(wù)的移動(dòng)平臺(tái)以勻速運(yùn)動(dòng)，且假定待測(cè)目標(biāo)是靜止或低速運(yùn)動(dòng)的；2)、移動(dòng)平臺(tái)上安置有三個(gè)呈L形分布的平面天線陣列，且兩基線相互垂直，其中，一個(gè)基線是和移動(dòng)平臺(tái)的縱軸相平行，另一個(gè)基線是和移動(dòng)平臺(tái)的縱軸相垂直；3)、移動(dòng)平臺(tái)上配置有三通道無線接收設(shè)備，根據(jù)在某一時(shí)刻由三通道無線接收設(shè)備所接收到的信號(hào)實(shí)測(cè)頻率值，即可得到與兩基線相對(duì)應(yīng)的兩組多普勒頻差值A(chǔ)fdl = fdl-fd2 = ftl-ft2(1)Afd2 = fd3-fdl = ft3-ftl(2)式中fdi為多普勒頻移；fti為實(shí)測(cè)頻率值。在被測(cè)目標(biāo)靜止或低速運(yùn)動(dòng)的情況下，在各個(gè)天線陣元上，機(jī)載接收機(jī)所獲得的多普勒頻移是λ fdi = vcos θ i(3)式中λ為信號(hào)波長(zhǎng)；ν是移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；Qi是平臺(tái)移動(dòng)方向與目標(biāo)徑向距離之間的前置角，即相對(duì)方位角；4)、根據(jù)方向余弦變化率概念，在近似假定電波信號(hào)是平行入射的情況下，有
ot ot \ dx J dx Cll式中噸是與移動(dòng)平臺(tái)縱軸平行的基線長(zhǎng)度；Ar1是對(duì)應(yīng)于基線Cl1的兩徑向距離間的程差；&是徑向速度。利用與載機(jī)軸向并行的兩個(gè)天線陣元就能得到相對(duì)方位的正弦角函數(shù) 「 ^ . n 1 Scos^1 1 δ f ΔγΛ AAfdlSin^1 =---L =----1 =--—(5)
ωθ dt ωθ dty dx J ωθ χ
式中角速度
權(quán)利要求
1.基于移動(dòng)平臺(tái)的多普勒頻差測(cè)向法，包括以下步驟1)、執(zhí)行測(cè)向任務(wù)的移動(dòng)平臺(tái)以勻速運(yùn)動(dòng)，且假定待測(cè)目標(biāo)是靜止或低速運(yùn)動(dòng)的；2)、移動(dòng)平臺(tái)上安置有三個(gè)呈L形分布的平面天線陣列，且兩基線相互垂直，其中，一個(gè)基線是和移動(dòng)平臺(tái)的縱軸相平行，另一個(gè)基線是和移動(dòng)平臺(tái)的縱軸相垂直；3)、移動(dòng)平臺(tái)配置有三通道無線接收設(shè)備，根據(jù)在某一時(shí)刻由三通道無線接收設(shè)備所接收到的信號(hào)實(shí)測(cè)頻率值，即可得到對(duì)應(yīng)于兩基線的兩組多普勒頻差值A(chǔ)fdl = fdl-fd2 = ftl_ft2⑴Afd2 = fd3-fdl = ft3_ftl(2)式中fdi為多普勒頻移；fti為實(shí)測(cè)頻率值；且在被測(cè)目標(biāo)靜止或低速運(yùn)動(dòng)的情況下，在各個(gè)天線陣元上，機(jī)載接收機(jī)所獲得的多普勒頻移是入 fdi = vcos θ i(3)式中λ為信號(hào)波長(zhǎng)；V是移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；θ i是平臺(tái)移動(dòng)方向與目標(biāo)徑向距離之間的前置角，即相對(duì)方位角；4)、根據(jù)方向余弦變化率概念，在近似假定電波信號(hào)是平行入射的情況下，有
全文摘要
本發(fā)明基于移動(dòng)平臺(tái)的多普勒頻差測(cè)向法，該方法假定目標(biāo)靜止或低速運(yùn)動(dòng)，在測(cè)向平面內(nèi)，利用三個(gè)天線構(gòu)造出一個(gè)兩基線相互垂直的L形陣列，且其中一個(gè)基線平行于移動(dòng)平臺(tái)的縱軸，另一個(gè)基線垂直于移動(dòng)平臺(tái)的縱軸。一方面利用兩個(gè)和縱軸平行的天線陣列所接收到的多普勒頻差，按方向余弦變化率得到入射波的正弦角；另一方面利用兩個(gè)和縱軸垂直的天線陣列所接收到的多普勒頻差，按方向余弦變化率得到入射波的余弦角。然后，通過兩者的比值即能消去三角函數(shù)表示式中所包含的未知波長(zhǎng)和角速度，從而所得到的方向正切角將僅與已知的多普勒頻差和基線長(zhǎng)度相關(guān)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，適用于寬頻帶工作和多目標(biāo)探測(cè)。
文檔編號(hào)G01S3/52GK102478652SQ20101056690
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者郁濤 申請(qǐng)人:中國(guó)航空無線電電子研究所