《多普勒直接测距法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多普勒直接测距法.pdf（12页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102004244 A (43)申请公布日 2011.04.06 CN 102004244 A *CN102004244A* (21)申请号 201010253561.4 (22)申请日 2010.08.12 G01S 11/10(2006.01) G01S 13/08(2006.01) (71)申请人 中国航空无线电电子研究所 地址 200233 上海市桂平路 432 号 (72)发明人 郁涛 (74)专利代理机构 上海金盛协力知识产权代理 有限公司 31242 代理人 杜林雪 (54) 发明名称 多普勒直接测距法 (57) 摘要 本发明一种多普勒直接测距法。 该方。
2、法在 假设被测目标匀速直线移动的条件下，由目标移 动速度矢量在各个测量节点处的恒等式和匀速直 线飞行所确定的几何轨迹，并利用多普勒变化率 和切向速度之间的关系，以及相邻测量节点处多 普勒变化率的比值，可得到与目标移动速度参量 无关的径向距离测算公式。 进一步利用多普勒 变化率的数学式对导出公式进行近似简化之后， 就可得到仅与多普勒频移参量相关的测距公式 ； 如已探测得到被测目标辐射信号中心频率，则即 可实现仅基于实测频率的直接测距。 本发明方 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，且测频计量的 精度高，方法简单，成本低，适合于地 - 空、或 空 - 空定位测。
3、量系统。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 7 页 附图 3 页 CN 102004257 A1/1 页 2 1. 一种多普勒直接测距法， 该方法具体包括以下步骤 ： 1)、 假设目标在被探测的短时间内是沿直线匀速运动的， 且目标自身安置有信标信号， 或被主动辐照源跟踪， 或反射来自第三方的辐射源 ； 2)、 应用一个固定探测站通过连续三次接收来自被测目标的信号频率， 在检测得到多 普勒频移后， 按以下公式计算出测站与目标之间的径向距离 ： 式中 ： 为信号波长 ； fdi分别为各个测量节点处的多普勒频移 ； t 为。
4、连续二次测量 之间的时间差 ；且 ： 3)、 若被测目标信号的中心频率已被探测获得， 则由多普勒频移、 信号的中心频率和实 测值之间的关系 ： ft f0+fd 多普勒频差值可由实测频差值计算 ： fd-fd0 ft-ft0 其中 ： fti为探测平台接收端实测频率值。 于是， 有基于实测频率值的直接距离公式 ： 其中 ： 参量 u 中所包含的比值因子 ： 2. 根据权利要求 1 所述的一种多普勒直接测距法， 其特征在于 ： 所导出的直接测距公 式适用于移动探测平台对固定目标的直接测距。 权 利 要 求 书 CN 102004244 A CN 102004257 A1/7 页 3 多普勒直接测。
5、距法 技术领域 0001 本发明属于无线电测量技术领域， 具体涉及应用单个固定探测站实现对匀速移动 目标距离的直接快速测量的方法， 或移动单站对固定目标的直接测距方法。 背景技术 0002 多普勒定位技术具有不模糊， 精度高等优点。 但按目前的多普勒定位分析方法， 其 方程的求解过程相对还是比较复杂的。 通常必须通过采用直角坐标系的坐标变量来分解表 示极坐标系下前置角， 并用投影的方式分解速度矢量， 由于多普勒频移是目标位置和目标 运动状态的函数， 由此， 在三维平面上， 将存有 6 个未知数， 且所得到的函数方程还是非线 性的。 故若应用单站定位， 则为得到移动目标的速度矢量， 就必须根据相。
6、邻的连续多次测量 周期内所得到的多普勒频率测量值， 建立起 6 个方程 ； 或者为了实现即时检测目标的位置 坐标和各个速度分量， 就必须同时布设六个测量站。 0003 另一方面， 根据现有的定位理论， 基于多普勒变化率方程应能获得在测量平台和 被测目标之间的径向距离， 但事实上， 仅基于多普勒变化率的定位法还不是当前目标定位 中的经典方法， 其中的一个主要原因是相对而言目前对多普勒变化率的测量还是比较困难 的。 同时， 因多普勒变化率还直接与切向速度等参量相关， 故直接使用多普勒变化率方程测 距所需面对的问题还在于， 除了要测量多普勒变化率之外， 还必须测得探测平台移动方向 和目标之间的前置角。
7、， 由此才能直接使用方程求解。因此， 在现有的定位方法中， 多普勒变 化率定位法都是必须和其它 的定位方法配合使用。 发明内容 0004 针对已有技术存在的不足， 本发明的目的在于提供一种多普勒直接测距方法， 该 方法能由固定单站仅通过连续三次定周期的测频测量， 就能直接探测得到在探测平台和被 测目标之间的径向距离。 0005 本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的。 0006 在假设被测目标匀速直线移动的条件下， 由目标移动速度矢量在各个测量节点处 的恒等式和匀速直线飞行所确定的几何轨迹， 并利用多普勒变化率和切向速度之间的关 系， 以及相邻测量节点处多普勒变化率的比值， 就能得到与目标移。
8、动速度参量无关的径向 距离测算公式。进一步利用多普勒变化率的数学表达定义式对导出公式进行近似简化之 后， 即可得到仅与多普勒频移参量相关的直接测距公式。 且模拟计算表明， 利用三次测频可 重复获得两个测距值， 且偏差正好相反的特性， 仅需简单的算术平均就能有效降低直接测 距公式的相对误差。 0007 本发明方法能以更少的探测次数、 及解析的方式直接得到距离测量值。进一步基 于最近的研究结果， 在探测得到被测目标辐射信号中心频率后， 即可实现仅基于实测频率 的直接测距。 同时， 与现有的多普勒变化率定位方法不同， 新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。 。
9、说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A2/7 页 4 0008 所导出的直接测距公式亦适用于移动探测平台对固定目标的直接测距。 0009 本发明方法具体包括以下步骤 ： 0010 步骤 1、 假设目标在被探测的短时间内是沿直线匀速运动的， 且目标自身安置有信 标信号， 或被主动辐照源跟踪， 或反射来自第三方的辐射源 ； 0011 步骤 2、 应用一个固定探测站通过连续三次接收来自被测目标的信号频率， 在检测 得到多普勒频移后， 按以下公式计算出测站与目标之间的径向距离 ： 0012 0013 式中 ： 为信号波长 ； fdi分别为各个测量节点处的多普勒频移 ； 。
10、t 为连续二次 测量之间的时间差 ； 且 ： 0014 步骤 3、 若被测目标信号的中心频率已被探测获得， 则由多普勒频移、 信号的中心 频率和实测值之间的关系 ： 0015 ft f0+fd 0016 多普勒频差值可由实测频差值计算 ： 0017 fd-fd0 ft-ft0 0018 其中 ： fti为探测平台接收端实测频率值。 0019 于是， 有基于实测频率值的直接距离公式 ： 0020 0021 其中 ： 参量 u 中所包含的比值因子 ： 0022 本发明为直接利用多普勒原理直接测距奠定了工程应用基础， 其具有如下两个特 点 ： 0023 1、 与三维坐标系的设置无直接关联， 极适合于。
11、地 - 空、 或空 - 空定位测量系统。例 如， 一个很有性价比的设计是应用于机载多普勒导航雷达， 从而使现有的导航雷达不仅能 测速， 同时还能实现测距和测高。 0024 2、 仅通过频率测量实现测距。一般而言， 测频计量的精度比测角、 测时等其它 方 法为高， 测频技术比扩频测距等其它方式更为简单， 成本则相对较低。 附图说明 0025 图 1 ： 固定单站多普勒直接测距示意图 ； 0026 图 2 ： 在不同探测时间时距离测算值随前置角的相对误差变化曲线图 ； 0027 图 3 ： 在不同径向距离时距离测算值随前置角的相对误差变化曲线图 ； 0028 图 4 ： 水下声纳浮标 - 目标位置。
12、图 ； 0029 图 5 ： 机载短基线三阵元导航测距示意图 ； 图 6 ： 为本发明单站多普勒导航测距实例的示意图。 说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A3/7 页 5 具体实施方式 0030 下面结合附图 1- 图 6 进一步说明本发明是如何实现的。 0031 实施例 0032 一种仅基于频率测量技术的多普勒测距方法。图 1 为固定单站多普勒直接测距示 意图 ； 图 2 给出了对于不同探测时间， 距离测算值随前置角的相对变化误差曲线 ； 图 3 给出 了在不同径向距离时相对误差变化曲线 ； 图4是水下声纳浮标-目标位置图 ； 5图是机载短 基线三阵元导航测。
13、距示意图。 0033 在探测平台匀速移动及定周期探测的情况下， 通过对多普勒变化率的简单分析即 可得到多普勒直接测距公式。 0034 设在某一径向距离上的多普勒变化率方程是 ： 0035 0036 式中 ： vt为切向速度 ； 为信号波长 ； r 为径向距离。 0037 根据多普勒变化率的数学定义， 多普勒变化率可由探测平台在 t 时间段内所经 历路程的两端点间的多普勒频差的测量值近似表示 ： 0038 0039 其中 ： fd0和 fd分别为始点和终点处的多普勒频移值。 0040 利用径向速度 vr与多普勒频移 fd间的关系 ： vr fd， 以及速度矢量与其分量间 的关系 ： 即可得到一个。
14、仅通过两次探测测量的运动单站对固定目标的多普 勒直接测距公式 ： 0041 0042 然而， 因测距表达式直接包含有速度参量， 所以， 这种分析思路并不适用于固定单 站以有源或无源的方式对移动速度还未知的目标进行直接测距。 0043 本发明导出了一个不包含被测目标或探测平台本身移动速度的、 仅和多普勒频移 测量值相关的直接测距公式， 且模拟验证表明本发明利用三个探测节点所得到的测距公式 的相对测算误差比仅利用两个测量节点所得到的测距公式为低。 0044 1、 基本原理 0045 (1) 基本方程 0046 固定单站多普勒直接测距方法的几何关系如图 1 所示。假定被测目标匀速直线运 动， 由测量。
15、节点 1 经过 2 到达 3， 固定单站则相应进行至少连续三次的定周期测量， 此时， 各 测量节点处的多普勒频移变化率的表达式分别是 ： 0047 说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A4/7 页 6 0048 式中 ： ri为径向距离 ； vt为切向速度。 0049 在相邻测量节点处的比值为 ： 0050 0051 又由正弦定理可得到相邻节点位置处径向距离之比为 ： 0052 0053 即在被测目标匀速运动的情况下， 两径向距离之比等于切向速度之比， 将其代回 式 (5)， 得 ： 0054 0055 根据测量节点处的速度分量， 可列出如下的速度恒等式 ： 0。
16、056 0057 变形整理后有 ： 0058 0059 分别将多普勒频移方程和多普勒变化率及比值代入， 可以分别得到 ： 0060 0061 0062 式中 ： 0063 由此可同时得到两个与中间测量节点 2 相对应的径向距离公式。 0064 (2) 公式实用化 0065 因多普勒变化率可由端点间多普勒频差的测量值近似表示， 故相邻节点多普勒变 化率的比值就能被写成 ： 0066 0067 由三个测量节点共可得到二个比值关系式， 并能由多普勒频移的前向差分和后向 差分所近似表示 ： 0068 说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A5/7 页 7 0069 007。
17、0 故所以有 ： ui ui+1 u。最终简化的测距公式分别是 ： 0071 0072 0073 模拟计算表明， 上述两式的测距值与理论值的偏差正好是相反的， 所以， 通过简单 的数学平均即能得到与理论值误差较小的计算公式 ： 0074 0075 如信号波长已知， 则就能实现仅基于频率测量技术的测距计算， 此时， 由多普勒频 移fd、 信号的中心频率f0和实测值ft之间的关系ftf0+fd， 平均测距公式可以被进一步写 为 ： 0076 0077 2、 模拟验证 0078 为验证测距公式的准确性和测算精确度， 采取了用理论值取代测量值的方式进行 了数学模拟计算。 先预先设定波长、 前置角1、 。
18、径向距离r1、 目标的飞行速度v和探测时 间间隔时间 t( 或目标移动距离 L 的值 )， 且使 1在规定的区域内连续变化， 由此就能按 图 1 所示的几何关系依次精确计算得到各个测量节点位置处的前置角 i和径向距离 ri， 并精确计算出对应于各个径向距离的多普勒频移 fdi的理论值。 0079 在此基础上， 就可根据推导所得到的公式 (18) 测算距离， 并将其和原始的理论值 作比较而得到相对计算误差。在不加说明的情况下， 测算所取的参数是 ： 波长 0.5m， 径向距离 r1 100km， 载机速度 v 100m/s， 探测时间间隔 t 3s( 其等同于目标移动 距离 L vt)。 008。
19、0 图 2 给出了对于不同探测时间， 距离测算值随前置角的相对误差变化曲线。从中 可见， 探测时间太长， 误差将会显著增大， 而时间间隔太小， 测算值又将会呈现出不稳定性。 图 3 给出了不同径向距离时的相对误差变化曲线。事实上， 被测距离和探测时间之间是有 说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A6/7 页 8 牵连的， 例如， 当径向距离变小时， 为得到更小的误差， 探测时间也应相应的减少。 0081 模拟计算证明， 测量平台的运动速度及波长与相对误差的变化无关。 0082 3、 应用实例 0083 (1) 水下目标的多普勒直接测距 0084 声呐浮标是反潜飞。
20、机尤其是固定翼反潜巡逻机的主要反潜探测设备。声呐浮标 是无线电声呐浮标 (RadioSonarBuoy) 的简称。这种浮标装有声呐和无线电收发机， 通过 天线与反潜飞机联系。反潜飞机沿搜潜航路投布一定阵式的声呐浮标， 浮标抵达水面后， 其声呐部分自动下沉到预定深度， 对潜艇目标实施探测， 并将 探测到的信息通过水面浮标 天线发送给在该海区上空巡逻的反潜飞机， 由反潜飞机 ( 或通知其他反潜平台 ) 用攻潜 武器对该潜艇实施攻击。声纳浮标按功能可以分为五大类， 其中的 LOFAR(Low-Frequency Acquisition and Ranging， 低频搜索与测距 ) 浮标是一种极为重要。
21、的浮标， 它通过被动 的收听环境噪声获得目标信息。主要采用 ALE( 自适应线谱增强 ) 提高信噪比， 用 ZOOM FFT 方法提高谱分析的分辨率， 通过对线谱信息的记录并处理， 来计算目标的一些运动参 数。目前 LOFAR 浮标的主要定位方法为 Doppler-CPA( 多普勒最接近法 ) 和 LOFIX。其中， Doppler-CPA 方法主要利用当目标与浮标存在相对运动时产生多普勒效应的原理， 测量并 记录目标的多普勒信息来计算目标速度和 CPA(closest point ofapproach， 最接近点 ) 点 的距离。 0085 已有的 Doppler-CPA 定位算法是通过测量。
22、对称于目标航路捷径点的两个频率值， 并用径向速度近似代替真实速度来计算目标的航路捷径距离， 故仅是一种近似的方法。 0086 通过引入任意两个测量点的时间信息导出了目标速度和航路捷径的精确计算公 式， 但其仍需要在测量得到航路捷径点处的频率和时间之后， 才能获得目标的速度和距离， 这就意味着其实质上和已有的老方法一样， 并不是一种实时的探测方法。( 陶林伟， 王英 民， 王成等 . 声纳浮标多普勒最接近法的一种新算法 J. 系统仿真学报， 2008， 20(23) ： 6353-6355)。 0087 作为多普勒直接测距方法的一个应用， 在被测水下目标匀速运动的情况下， 基于 多普勒变化率分析。
23、， 仅通过连续三次的测频测量， 即能实时探测得到水下移动目标的径向 距离。 0088 如图 4 所示， 当水下目标以速度 v 从左向右匀速移动时， 浮标定周期的至少 连续 三次检测目标的多普勒频移 ： 0089 0090 其中 ： f0为水下目标的特征频率， v为水下目标的运动速度， i为目标航向到浮标 连线的夹角， c 为声音传播速度。 0091 根据图 4 的几何关系， 利用本发明所提出的直接测距公式即能实现多普勒导航测 距。 0092 图 5 给出了对于不同探测时间， 距离测算值随前置角的相对误差变化曲线。 0093 测算所取的参数是 ： 0094 目标中心频率 ： f0 1000Hz 。
24、0095 目标运动速度 ： v 5m/s 说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A7/7 页 9 0096 水中音速 ： c 1500m/s 0097 初始径向距离 ： r1 10km 0098 从中可见， 误差和时间长度成正比， 并且， 在前置角接近90度时存有发散的趋势。 0099 (2) 导航测距 0100 多普勒导航系统是一种基于多普勒效应的自主式导航设备， 系统的基本测量部件 是多普勒导航雷达， 通过测量载体在运动过程中发射到地面并反射回来的信号频率偏移或 变化， 计算出地速和偏流角， 并在航姿系统的辅助下完成载体位置的推算功能。 由于可以提 供精确的地。
25、速测量， 多普勒雷达广泛应用于飞机的导航定位， 是许多军用、 民用飞机自主远 程导航的必选设备之一。 0101 现有的多普勒导航雷达仅能实现测速功能。 在机载多普勒雷达设备具有多普勒频 移测量功能的条件下， 利用一个三元等间距直线阵列即可实现导航测距。如 图 6 所示机载 平台上载有一个短基线三单元直线阵列， 且为分析简单， 天线阵列的轴线和运载体的轴向 重合。天线阵列中一个天线阵元具有收发能力， 其余两个阵元仅用于接收。单辐射波束可 指向运载体飞行方向的前后方。 0102 对比图 1 和图 6， 显然两者具有完全相同的几何关系， 故采用本发明所提出的直接 测距公式即能实现多普勒导航测距。 说 明 书 CN 102004244 A CN 102004257 A1/3 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102004244 A CN 102004257 A2/3 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102004244 A CN 102004257 A3/3 页 12 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102004244 A 。