第3章 经典无线电导航系统(6-7)

3.6多普勒导航系统•3.6.1概述•多普勒导航系统是一种自主式导航系统，它的基本物理学原理是多普勒效应。•系统的基本测量器件是多普勒雷达，依靠雷达测量回波信号频率的变化，从而测量地速和偏流角，在航姿系统的辅助下完成载体位置的推算功能。•在国际上，多普勒导航雷达的研发设计始于1945，可以提供精确的地速测量。•广泛用于飞机的导航定位。直到现在，多普勒雷达仍然是许多军用、民用飞机的自主远程导航的必选设备之一。•早期应用是在军用飞机的探测航行及武器分配。如B-52、F-111、B-lA、E3A、P2V、P3V、S3A、E2A以及直升机等。•90年代，惯性系统开始取代多普勒雷达在这方面的应用。而多普勒导航系统已经用于行星、月球飞船的软着陆时的速度测量。•90年代，多普勒导航最重要的应用是在各种类型的军用飞机上，包括无人驾驶机与固定翼机，特别是武装直升机。例如，用作导航、空中盘旋、搜索、救援等等。目前为止，全世界已经生产有大约40000个多普勒导航仪安装在飞机上。•我国的多普勒雷达的研发工作始于1960年。1960年由北京航空航天大学向原科工委申报立项研制，1964年研制成功后交由国营782厂定型生产，定名为DNS-771（771多普勒导航系统）。•此后，在原有的基础上开发了713、773、777等多种型号。其中，777多普勒导航系统适用于各类直升机和低速固定翼飞机，777A适用于舰载及各种海用型直升机，777B适用于中、高速，大机动的固定翼飞机，另外还有适合于弹载的多普勒雷达。•目前，国内已经装备多普勒导航系统的战机有强五D,强五E,直八A，直九武，米17，米171，轰六，运七，运八，舰载及海用直升机。•另外，直升机的有关新型号，如陆军航空兵的专用武装直升机、雷达型战场侦查直升机、直九武改进型等都无一例外的选用多普勒导航系统。•我国已装备使用的多普勒导航系统的数量接近千台。3.6.2工作原理•多普勒导航系统由多普勒导航雷达、航姿系统和导航计算机、显控装置等组成。系统的组成如下图所示：多普勒雷达航姿系统导航计算机指示器或自动驾驶仪载体坐标系三轴向速度载体姿态角度数据地理坐标系位置数据地速、偏流风速、风向•多普勒雷达发射并接收回波信号。•通过测量多普勒雷达各个波束上收发信号之间的频率偏移就可以解算出载体坐标系中三个轴向的速度分量。•由于运动物体的多普勒效应，载体在运动过程中所发射信号的频率会发生一定的偏移•进行坐标的转换。多普勒雷达本身是不能够提供坐标的转换信息，必须引入其他数据：航姿系统的角度信息。•地球表面的载体导航中常用的是地理坐标或地平坐标系中的位置和速度。•在推航法中，应求的这三个垂直的速度分量都应该以地平坐标为基准。然而多普勒测量的三个速度分量是以天线坐标系为基准。•一个简单的解决办法是将天线在飞机前后纵倾和左右滚动时稳定起来，这种情况下相对地球坐标速度分别等于相对飞机坐标的速度。这种多普勒系统称为“可动天线系统”。•相对于“可动天线系统”，还有一种“固定天线系统”的多普勒导航仪，其天线系统固定在飞机上。•对于这种系统，飞机坐标速度分量与地理坐标速度分量是不相等的，因此必须要利用飞机的纵向俯仰角度和横向滚动角度进行换算。•系统基本上可以全天候工作；•导航设备是飞机自备的，不需要设备地面站；•可以提供全球导航，不受地区及国际协议的限制；•能够连续提供飞机的速度、角度和位置信息；推航位置精度约为航程的2%，测速精度高达0.1%~0.3%，偏流测量精度为1%；多普勒导航系统优点：•需要姿态信息源，如罗盘，航姿系统等，方能完成位置定位；•随着距离增加，定位精度随之下降；•系统测量瞬时速度不如平均速度准确；•由于反射体的运动，对于水面上的应用，精度有所下降。•下面我们首先结合双波束系统对多普勒系统的工作原理进行数学分析，然后具体介绍四波束系统的导航过程。系统也有不足之处：3.6.2.1双波束系统•双波束系统，有“前-后”型和“左-右”型两种配置。在“前-后”型双波束系统中，天线辐射两条波束，一条斜向前，一条斜向后。如图所示：•速度在前向波束平面和后向波束平面的投影为：•若天线的安装平台采用垂向基准进行稳定，则平台与水平面的夹角是很小的。在这种情况下则有：•因此，前-后型双波束系统可以方便的通过测量前后波束的多普勒频率之差准确的测量出地速的大小，并且不受垂向速度的影响。•另外，如果天线平台采用固定安装方式，也就是天线固定在飞机上，则此时的δ角实际上是飞机的俯仰角，此时将不能忽略其影响，但此时实际上得到的是飞机纵轴方向的速度:•这就是为什么说多普勒雷达实际是在载体坐标系中测量原因，也是多普勒导航系统需要航姿系统辅助的原因。•左-右型双波束系统的天线辐射张角约为60。的左右波束。通常波束可以是固联在非载体上，也可以旋转，但旋转时相对张角是固定的，即左右波束是连动的。其波束平面投影图如下所示：•设双波束所在平面与安装平台面的夹角不变，则左右波束所测的多普勒频率•通常的做法并非提取和解算多普勒频率之比，而是提取多普勒频率之差。在动天线安装方式中就采用了这种方法，即：•不难看出，假若转动天线，使左右波束的角平分线与水平速度的方向一致，此时的多普勒频率之差为零，根据此时的张角平分线与机轴的夹角将很容易得到偏流角。•但是，同时联动转动左右波束是比较困难的，特别是高机动作战飞机而言。3.6.2.2多波束系统•一般说来，由于空间是三维的，要完全确定载体速度的三个分量仅靠两个波束是不够的，特别是在左右波束的讲述中，更加深刻的体会到了这一点。•在双波束系统的介绍中，我们主要介绍了前后波束测速，左右波束测偏流角。实际上两种波束的配置都可测地速和偏流角，只是要所作的假设条件和忽略的因素有所不同。•前后波束也可以用来测偏流角，此时的测量精度较低（约为6%，左右波束的测量精度约为1%）。•典型的多普勒系统都是左、右侧、前后指向的三波束、四波束等多波束系统。•波束的配置型式各种各样，主要有五种基本配置（如下图所示）。这种扩展的多波束系统不仅能够有效地引出三个速度分量，而且能对飞机的姿态变化进行补偿。•最常见的三波束多普勒系统波束结构如图，像希腊字母“λ”，所以也常称为三波束“λ”型多普勒雷达；也用“雅露斯”(Janus)来命名。•为了从地面得到足够强度的漫反射，波束应当具有比较大的俯角。•但是俯角越大，多普勒频移越小，因为多普勒频移与俯角的余弦成正比。•波束角度的选取一定要在为获得很好的信号反射以及每单位速度的多普勒频移之间进行折衷考虑。•典型的情况是：俯角为60。～70。，侧角20。，从而可以得到大约36。到28。的入射角。•尽管只需三个波束就能提供速度的三个分量，但大多数现代多普勒导航仪都使用四个波束。这是因为：•首先平面阵列天线通常可以很容易的产生四个相同的波束；•其次，第四个波束可以在其他三个波束的某一个出现问题时保障系统仍然能够连续工作；•再次，第四个波束的多普勒频率与另外三个中的任意两个多普勒频率相结合，就可获得另一套速度估值，两套估值平均可得到更精确的数值，从而提高系统精度。•另外这两个估值之间的差异在系统正常工作条件下是很小的，若差异很大，那么可判定系统是不可靠的，需要采取措施，从而增加了系统的可靠性。这同时也是冗余观测的基本原理。•下面我们结合X型（D91多普勒雷达）配置介绍四波束系统的工作过程。系统的波束配置如下图所示：•每个波束的单位方向矢量•因此每个波束上的多普勒频移为：•在D91雷达的接收机中频率跟踪器滤出上述频率，并在一定时间内计数，则可以得到飞机的三轴向速度（三轴向坐标符合右手螺旋，轴指向机头前方）：•得到上述载体坐标系的速度之后，需要先绕飞机的纵轴旋转一个横滚角，然后绕飞机的横轴旋转一个俯仰角，此时就得到了飞机在水平系（并非东北天地平坐标系）中的速度。•然后，将上述速度分量，在水平面内旋转一个航向角就可转换到当地地平坐标系（L系），最后得到的东北天速度。•进而可以积分得到载体的位置：3.6.3导航精度•多普勒信号特征及频率测量精度•在研究多普勒导航系统测速原理时，都假定反射信号是由地面上一个确定“点”的反射形成的。•但事实上，由于天线的波束不可能窄到一条直线，因此受天线波束所照射的面积中，含有无数个“反射基元”，且它们的分步和反射方向是随机的。•每个基元都将对照射到它上面的入射能量产生反射，从而形成散射。所以，反射信号中包含了所有这些散射基元所反射的能量，因而实际的反射信号能量并非集中在一条谱线上，其频谱结构是相当复杂的。•下面研究多普勒信号的频谱结构。为了便于说明问题，我们仅仅研究原路反射波。•不难看出多普勒频移量的变化范围：•实际上还有其他非原路反射波回到接收机，从而造成频谱的非带截止性，但主要的频谱分量应该是在这一范围内的。•从图中也不难看出，波束中心的原路反射波的强度是最大，偏离中心越远，能量越弱，这种频谱结构可称为类噪声功率谱。•同时，我们亦不难得到多普勒信号的相对频谱宽度：•此式亦可由多普勒频移公式求微分得到。令俯角30，波束宽度3，则多普勒频移单次测量的精度约为9%。多普勒信号的频谱分布图如下所示：•多普勒频率的测量精度主要取决于这种类窄带高斯噪声的信号的特性。•因此多普勒频瞬时值相对其平均值的偏差的均方根值为：。•同时测量精度与测量次数是密切相关的，假若只允许测量一次，则误差是相当大的。•因此，常常是将一定时间间隔T内的测量结果进行平均。设在时间间隔T内可以进行N次统计独立的测量，则可以将测量结果的真实性提高。•此时测量误差的均方根值为：。在一级近似的情况下，可以认为在多普勒信号中各个频率分量的相关时间和信号包络的相关时间是相应的。则不难得到多普勒频率测量的精度约为0.3%多普勒导航系统定位精度•我们知道，多普勒导航雷达测量得到载体坐标系的速度分量之后，需要利用航姿系统的姿态信息转换到当地地平坐标系中，然后进行积分给出地理位置，即：•由上式可以看到，多普勒导航系统最终的定位误差由速度的测量误差和航姿系统的姿态测量误差决定。•速度的测量误差来自于多普勒频移的测量误差，属于一种类高斯噪声，均值特性较好，对积分导航系统影响不大；•航姿系统的姿态测量误差则属于慢变化的随机漂移，这对于积分导航系统是极为不利的。•下面我们将给出具体的推导：•为了分析定位误差，对积分公式进行微分可得：•由上面可以看出，定位误差的确主要由航姿系统引起。•航姿系统的误差分析是比较麻烦的，为了问题的简化，我们假设载体的俯仰角和横滚角都为零（同时也忽略其误差），这也比较符合飞机平飞时的情况，由此可得：•上式表明，多普勒导航系统的定位误差随着位移的增大而增大，与航向角误差成线性关系。•需要注意的有两点：•一，定位误差主要与平面内的位移有关系，与高度方向的位移关系不大；•二，定位误差的大小是随着位移的增大而增大，而不是距离，如果载体作闭合运动，则返回终点时的定位误差可能较小，经历了由小到大，在由大到小的过程。•如果，载体作远程导航，则系统的定位误差随航程积累而积累。3.7罗兰-C系统•3.7.1概述•罗兰-C系统(LongRangeNavigation)是一种中远程精密无线电导航系统，属于陆基、甚低频、脉冲相位导航体制。•最早的罗兰系统是罗兰-A，也称标准罗兰，是美国在二次大战初期研制的海用中程无线电导航系统。•罗兰-A系统的工作频段为1.60～1.95MHz，该频段信号在陆地上传播的衰减很快，仅适用于海上工作，作用距离也仅有500-700nmile，定位精度大约是1～2nmile。•罗兰-C系统是第二次世界大战末期在罗兰-A的基础上研制的。•随着军事技术发展，需要覆盖范围更大，定位精度更高，海、陆两用的新型导航系统。•经过大约十年的研究和试验，美国海岸警卫队(USCG)终于在1957年建成了世界上第一个罗兰-C台链。•工程鉴定表明，该系统在覆盖范围、定位精度、可靠性、应用范围等方面都可以较好的满足军方要求。•此后，美国为了军事目的，在本国和北半球的其他地区陆续建设了十几个罗兰-C台链，包括美国和加拿大的东西海岸、中太平洋、北太平洋、西北太平洋