一种微波雷达波束中心向速度的测量方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201010240136.1	申请日：	2010.07.29
公开号：	CN101943753A	公开日：	2011.01.12
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G01S 13/60申请日:20100729\|\|\|公开
IPC分类号：	G01S13/60	主分类号：	G01S13/60
申请人：	西安空间无线电技术研究所
发明人：	宋大伟; 尚社; 孙文锋
地址：	710100 陕西省西安市长安区西街150号
优先权：
专利代理机构：	中国航天科技专利中心 11009	代理人：	安丽
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内容摘要

一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括下列步骤：根据距离不模糊原则选择互质的脉冲重复频率(以下简称重频)，根据作用距离和检测信噪比的要求选择每种重频的脉冲积累个数，发射脉冲信号，并接收星球表面回波，检测最大功率点地距离门号，将该距离门的回波数据进行多普勒相关处理，后求得有模糊的波束中心向速度；将所有重频的脉冲依次处理后，按照“改进的余数定理”准则解算速度模糊次数，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度。本方法仅适用于脉冲雷达体制，可以同时测量水平和垂直两维速度分量在波束向的投影，并且可以兼顾距离测量功能，具有测量精度高，工程实现较简单的特点。

权利要求书

1：一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于包括以下几个步骤： (1) 着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少 n 组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为 N 个，在星球表面产生的至少 n 组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做 s(t， t m) ：其中： n＝7； N ≥ 128 ； tm 为慢时间，即方位维时间； t 为快时间，即距离维时间； fc 为着陆器雷达发射信号的载波频率； R(tm) 为雷达波束中心向的距离； c 为光速； (2) 对至少 n 组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取 n 组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做：其中： fdn 为该组有模糊的多普勒中心频率； prfn 为该组脉冲重复频率；为该组回波信号 s(t， tm) 的相关函数； arg 为角度求取函数； vdn 为该组有模糊的波束中心向速度； λ 为回波信号的波长； (3) 利用 “改进的余数定理” 准则对步骤 (2) 中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数 Ni ；其中 “改进的余数定理” 判断准则为：存在整数 N1、 N2、、、 N5，使 |fi-fj| ＜ Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率 Δf 时，则该整数组为真实模糊次数，其中 1 ≤ i ≤ 5， 1 ≤ j ≤ 5， fi ＝ k*prfi+fdi， k 为整数，其取值范围满足： k ∈ [-m， m]， m 为遍历次数， prfi 为有效的脉冲重复频率， fdi 为步骤 (2) 中求取的其中 5 个有模糊的多普勒中心频率；有效的脉冲重复频率 prfi 的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率 fdi 满足 “2×Δf ≤ fdi ≤ prfni-2×Δf” 条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中 prfni 为步骤 (2) 求取的其中 5 个脉冲重复频率； (4) 利用步骤 (2) 获得的有模糊的波束中心向速度和步骤 (3) 获得的模糊次数测量出 2 着陆器波束中心向速度 vr，其中： λ 为回波信号的波长； prf 为与步骤 (3) 中得到 5 个有效脉冲重复频率中的任意一个； N 为与脉冲重复频率 prf 相对应的解算出的模糊次数； vd 为与脉冲重复频率 prf 相对应的有模糊的波束中心向速度。
2：根据权利要求 1 所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于：所述步骤 (3) 中 Δf 的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为 Δvmax， λ 为回波信号的工作波长， δf 为雷达频率提取随机误差，则：
3：根据权利要求 2 所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于：所述遍历次数 m 大于其中， Δvmax 为某个距离段速度的最大变化率， prfmin 为最小的脉冲重复频率， λ 为回波信号的工作波长。

说明书

一种微波雷达波束中心向速度的测量方法
    技术领域本发明涉及一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，尤其涉及到星球着陆器利用微波雷达测量波束中心向速度测量方法。
     背景技术星球着陆器一般安装于轨道器上，在开始着陆前随轨道器一起以较大的速度绕星球飞行。着陆器的着陆过程为：首先，着陆器与轨道器分离，此时着陆器仍具有较大的速度。由微波着陆雷达测量着陆器运动速度，提供给 GNC 系统控制着陆器减速。对于星球着陆，着陆点一般都是事先选定的，因此， GNC 系统需要控制着陆器飞行速度和高度，使其到达预定着陆点上空时，水平和垂直两维速度要控制到接近为零。此时对星球表面进行三维成像，以选择较为平坦的区域使着陆器安全着陆。可以看出，在整个着陆器着陆过程中， GNC 系统都需要利用微波着陆雷达测量着陆器相对星球表面速度，速度测量的精确度是关系到着陆器能否实现安全着陆的重要参数。
     目前国内外能够应用于着陆雷达速度测量的方法主要有简单连续波测量方法，距离微分法和动目标检测法。简单连续波测量方法可同时测量垂直和水平向速度，但由于天线隔离度无法做到足够高，泄漏信号会限制雷达的最远作用距离，同时该方法无法进行距离信息测量，因此对于着陆系统需增加另外的硬件设备来完成距离信息的提取；距离微分法主要应用于测高仪，通过高度的微分换算垂直速度分量，该方法最大的问题在于无法测量水平速度分量，难以全面的为着陆器提供速度信息；动目标检测法利用面目标回波的多普勒展宽效应，对电平超过检测门限的频谱进行几何中心求取，从而推导出波束中心向的速度值。该方法可以同时测量水平和垂直两维速度矢量，但其测量精度受限于检测门限的选取，尤其当信噪比较低时，由于门限选取带来的速度测量误差将较大。
     由于着陆器速度较大，不可避免的会产生速度模糊，同时着陆系统 GNC 希望雷达能够独立于其他传感器独立工作，因此，雷达只能通过自身算法对模糊数进行解算。目前探测雷达解速度模糊的方法有很多，比如多基线解模糊法，最小二乘解模糊法、多重频查表法等。其中经典的解模糊算法发射三组参差频率，利用中国余数定理进行解算。
     利用传统的中国余数定理，假设雷达发射的脉冲重复频率为 prf1、 prf2、 prf3，目标真实频率为 f，则：
     f1 ＝ N1×prf1+fd1
     f2 ＝ N2×prf2+fd2
     f3 ＝ N3×prf3+fd3
     其中， fdi 为有模糊的多普勒频率，可以根据频率范围遍历 N1、 N2、 N3，使 f1 ＝ f2 ＝ f3 ＝ f，则可以确定出相应的模糊次数。但考虑到着陆系统运动速度的高变化率，其多普勒频率是始终在改变的，因此利用传统余数定理无法找到同时满足三种频率的整数 ( 模糊次数 )。因此如果简单的利用余数定理是无法完成模糊次数解算的。
     发明内容本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，本发明采用改进的余数定理进行模糊次数解算，可以准确测量着陆器水平和垂直速度分量，具有测量精度高、工程实现较简单的特点，能够引导着陆器实现安全着陆。
     本发明的技术解决方案是：一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括以下几个步骤：
     (1) 着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少 n 组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为 N 个，在星球表面产生的至少 n 组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做 s(t， tm) ：
     其中：
     n＝7；
     N ≥ 128 ；
     tm 为慢时间，即方位维时间；
     t 为快时间，即距离维时间；
     fc 为着陆器雷达发射信号的载波频率；
     R(tm) 为雷达波束中心向的距离；
     c 为光速；
     (2) 对至少 n 组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取 n 组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做：
     其中： fdn 为该组有模糊的多普勒中心频率； prfn 为该组脉冲重复频率；为该组回波信号 s(t， tm) 的相关函数；arg 为角度求取函数；
     vdn 为该组有模糊的波束中心向速度；
     λ 为回波信号的波长；
     (3) 利用 “改进的余数定理” 准则对步骤 (2) 中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数 Ni ；
     其中 “改进的余数定理”判断准则为：存在整数 N1、 N2、、、 N5，使 |fi-fj| ＜ Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率 Δf 时，则该整数组为真实模糊次数，其中 1 ≤ i ≤ 5， 1 ≤ j ≤ 5， fi ＝ k*prfi+fdi， k 为整数，其取值范围满足： k ∈ [-m， m]， m 为遍历次数， prfi 为有效的脉冲重复频率， fdi 为步骤 (2) 中求取的其中 5 个有模糊的多普勒中心频率；
     有效的脉冲重复频率 prfi 的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率 fdi 满足 “2×Δf ≤ fdi ≤ prfni-2×Δf” 条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中 prfni 为步骤 (2) 求取的其中 5 个脉冲重复频率；
     (4) 利用步骤 (2) 获得的有模糊的波束中心向速度和步骤 (3) 获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度 vr，
     其中： λ 为回波信号的波长； prf 为与步骤 (3) 中得到 5 个有效脉冲重复频率中的任意一个； N 为与脉冲重复频率 prf 相对应的解算出的模糊次数； vd 为与脉冲重复频率 prf 相对应的有模糊的波束中心向速度。所述步骤 (3) 中 Δf 的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为 Δvmax， λ为回波信号的工作波长， δf 为雷达频率提取随机误差，则：
     所述遍历次数 m 大于其中， Δvmax 为某个距离段速度的最大变化率，prfmin 为最小的脉冲重复频率， λ 为回波信号的工作波长。微波雷达将测量出来的波束中心向速度值提供给着陆器 GNC 系统， GNC 系统根据天线波束与着陆器本体坐标系关系计算出着陆器本体的速度，以引导着陆器实现安全着陆。
     本发明与现有技术相比的有益效果是：本方法适用于脉冲雷达体制，特别适合大动态回波的测量 ( 速度 \ 距离 )，兼具脉冲体制和简单连续波体制的优点，通过采用改进的余数定理进行模糊次数解算，速度模糊问题得到很好的解决，算法简单，利用本发明可以同时测量水平和垂直两维速度分量在雷达波束向的投影，速度测量精度高，并且可以兼顾距离测量功能，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度，本发明工程实现简单，能够引导着陆器实现安全着陆。附图说明
     图 1 为着陆雷达波束指向的几何示意图；
     图 2 本发明波束中心向速度测量处理流程图；
     图 3 为距离向和方位向示意图；
     图 4 为本发明在机载试验中雷达测量速度结果和由惯导计算出的速度的比较图。具体实施方式
     如图 1 所示，卫星平台从 A 点运动到 B 点， A、 B 在面 yox 上， A、 B 为着陆器在着陆过程中的任意两点。xoz 为星球表面， AB 与 x 轴 ( 水平线 ) 夹角为 β，波束方位角为 θ，俯仰角为波束与星球表面之间的夹角始终保持不变，星球表面上有一个点 E，在平台从 A运动到 B 的过程中， E 点始终能被波束照射到，则平台在 B 点时 E 点到雷达的距离 R(tm) 可以表示成：
     其中， tm 为慢时间，也就是方位维时间， v 为着陆器运动速度。
     本发明完整的处理流程如图 2 所示，步骤如下：
     (1) 着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少 n 组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为 N 个，在星球表面产生的至少 n 组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做 s(t， tm) ：
     其中： n＝7； N ≥ 128 ；tm 为慢时间，即方位维时间；
     t 为快时间，即距离维时间；
     fc 为着陆器雷达发射信号的载波频率；
     R(tm) 为雷达波束中心向的距离；
     c 为光速；
     (2) 对至少 n 组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取 n 组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做：
     其中： fdn 为该组有模糊的多普勒中心频率； prfn 为该组脉冲重复频率；为该组回波信号 s(t， tm) 的相关函数； arg 为角度求取函数； vdn 为该组有模糊的波束中心向速度；λ 为回波信号的波长；
     (3) 利用 “改进的余数定理” 准则对步骤 (2) 中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数 Ni ；
     其中 “改进的余数定理” 判断准则为：存在整数 N1、 N2、、、 N5，使 |fi-fj| ＜ Δf，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率 Δf 时，则认为该整数组为真实模糊次数，其中1 ≤ i ≤ 5， 1 ≤ j ≤ 5， fi ＝ k*prfi+fdi， k 为整数，其取值范围满足： k ∈ [-m， m]， m 为遍历次数， prfi 为有效的脉冲重复频率， fdi 为步骤 (2) 中求取的其中 5 个有模糊的多普勒中心频率；
     有效的脉冲重复频率 prfi 的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率 fdi 满足 “2×Δf ≤ fdi ≤ prfni-2×Δf” 条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中 prfni 为步骤 (2) 求取的其中 5 个脉冲重复频率；
     (4) 利用步骤 (2) 获得的有模糊的波束中心向速度和步骤 (3) 获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度 vr，
     其中： λ 为回波信号的波长； prf 为与步骤 (3) 中得到 5 个有效脉冲重复频率中的任意一个； N 为与脉冲重复频率 prf 相对应的解算出的模糊次数； vd 为与脉冲重复频率 prf 相对应的有模糊的波束中心向速度。所述步骤 (3) 中 Δf 的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为 Δvmax， λ为回波信号的工作波长， δf 为雷达频率提取随机误差，则：
     所述遍历次数 m 大于其中， Δvmax 为某个距离段速度的最大变化率，prfmin 为最小的脉冲重复频率， λ 为回波信号的工作波长。例如：
     本发明方法在实施时，首先要根据距离不模糊原则选择 7 种互质的脉冲重复频率，即 7 种参差频。并根据作用距离和检测信噪比的要求选择每组重频的脉冲个数 N。
     微波着陆雷达发射电磁波经星球表面反射后被雷达接收并存储，形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵。收到的回波 s(t， tm) 可以写成：
     其中， tm 为慢时间，也就是方位维时间； t 为快时间，即距离维时间。fc 为着陆器雷达的载波频率， c 为光速。收到的回波二维矩阵如图 3 所示，每个脉冲回波是按照距离向排列的 ( 图 3 中的每个小格代表一个距离单元 )，不同脉冲间同一回波信号是按照方位向排列的。
     检测距离向功率最大点，以该距离波门为波束中心距离。在该距离波门上，按照方位向进行多普勒相关处理，可以得到有模糊的波束中向速度为：
     其中，为 s(t， tm) 的相关函数， arg 为角度求取函数。8按照以上方法分别计算 7 种参差频率的有模糊的多普勒中心频率和对应的有模101943753 A CN 101943760说明书6/7 页糊的波束中向速度。
     然后，利用 “改进的余数定理” 判断准则求取速度模糊次数。
     此处假定选取的 7 种互质的无距离模糊的脉冲重复频率分别为：
     1)prf1 ＝ 2048Hz ＝ 211Hz
     2)prf2 ＝ 2783Hz ＝ 11×11×23Hz
     3)prf3 ＝ 3481Hz ＝ 592Hz
     4)prf4 ＝ 3125Hz ＝ 55Hz
     5)prf5 ＝ 2401Hz ＝ 74Hz
     6)prf6 ＝ 2187Hz ＝ 37Hz
     7)prf7 ＝ 2581Hz ＝ 29×89Hz
     依次发射 7 种重频脉冲，每组 256 个。假定着陆器初始速度为 1000m/s，雷达信号波长为 0.01m。初始速度对应的多普勒频率为 200000Hz( 即器匀减速运动。即理论上对应于各组脉冲的多普勒频率为：
     1)f1 ＝ 200000Hz
     )，并且着陆2)f2 ＝ 199988Hz 3)f3 ＝ 199976Hz 4)f4 ＝ 199964Hz 5)f5 ＝ 199952Hz 6)f6 ＝ 199940Hz 7)f7 ＝ 199928Hz 假设雷达随即误差产生的多普勒频率波动 δf ≤ 150Hz，由以上条件可以求得：假设由多普勒相关法求得的多普勒中心频率分别为：
     1)fd1 ＝ 1369Hz
     2)fd2 ＝ 2430Hz
     3)fd3 ＝ 1539Hz
     4)fd4 ＝ 3089Hz
     5)fd5 ＝ 709Hz
     6)fd6 ＝ 963Hz
     7)fd7 ＝ 1161Hz
     按照 “有效” 重频脉冲选择规则，根据条件 “2×Δf ≤ fdi ≤ prfi-2×Δf” ，剔除了 prf2 和 prf4，利用剩余的 5 组重频数据计算模糊次数。
     遍历次数 m 需略大于此处， m 取 100。此时，利用公式 fi ＝ k*prfi+fdi， k ∈ [-m， m] 遍历 k，使条件 |fi-fj| ＜ Δf 成立。计算可知，当 N1 ＝ 97， N2 ＝ 57， N3 ＝ 112， N4 ＝ 91， N5 ＝ 77 时，上述条件成立。此时也就得到了对应于每组有效重频的模糊次数。步骤 (3)，利用公式可以求得 vr ＝ 1000.1m/s，此结果也与之前假设的理论值相符，证明了 “改进的余数定理” 解速度模糊次数的有效性。本方法速度测量精度可以达到 0.1m/s。为了全面验证微波雷达的速度测量性能，利用直升机模拟着陆器下降过程，将微波着陆雷达安装于直升飞机机腹下，天线波束照射到地面上。雷达发射电磁波，并接收地面回波，经信号处理后将速度结果输出。与飞机上安装的惯导速度数据进行比对，以检验微波着陆雷达的速度测量性能。图 4 为机载试验中雷达测量得到的速度结果和由惯导计算出的速度的比较图。从机载试验结果可以看出，本发明的波束中心速度测量方法适合于着陆系统，精度满足着陆系统需求。
     本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

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1、(10)申请公布号 CN 101943753 A (43)申请公布日 2011.01.12 CN 101943753 A *CN101943753A* (21)申请号 201010240136.1 (22)申请日 2010.07.29 G01S 13/60(2006.01) (71)申请人西安空间无线电技术研究所地址 710100 陕西省西安市长安区西街 150 号 (72)发明人宋大伟尚社孙文锋 (74)专利代理机构中国航天科技专利中心 11009 代理人安丽 (54) 发明名称一种微波雷达波束中心向速度的测量方法 (57) 摘要一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括。

2、下列步骤：根据距离不模糊原则选择互质的脉冲重复频率 ( 以下简称重频 )，根据作用距离和检测信噪比的要求选择每种重频的脉冲积累个数，发射脉冲信号，并接收星球表面回波，检测最大功率点地距离门号，将该距离门的回波数据进行多普勒相关处理，后求得有模糊的波束中心向速度；将所有重频的脉冲依次处理后，按照 “改进的余数定理” 准则解算速度模糊次数，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度。本方法仅适用于脉冲雷达体制，可以同时测量水平和垂直两维速度分量在波束向的投影，并且可以兼顾距离测量功能，具有测量精度高，工程实现较简单的特点。 (51)I。

3、nt.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 2 页说明书 7 页附图 3 页 CN 101943760 A1/2 页 2 1. 一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于包括以下几个步骤： (1) 着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少 n 组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为N个，在星球表面产生的至少n组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做 s(t， tm) ：其中： n 7 ； N 128 ； tm为慢时间，即方位维时间； t 为快时间，。

4、即距离维时间； fc为着陆器雷达发射信号的载波频率； R(tm) 为雷达波束中心向的距离； c 为光速； (2) 对至少 n 组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取 n 组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做：其中： fdn为该组有模糊的多普勒中心频率； prfn为该组脉冲重复频率；为该组回波信号 s(t， tm) 的相关函数； arg 为角度求取函数； vd。

5、n为该组有模糊的波束中心向速度；为回波信号的波长； (3) 利用 “改进的余数定理” 准则对步骤 (2) 中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数 Ni；其中 “改进的余数定理” 判断准则为：存在整数 N1、 N2、、、 N5，使 |fi-fj| f，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率f时，则该整数组为真实模糊次数，其中1i5， 1 j 5， fi k*prfi+fdi， k 为整数，其取值范围满足： k -m， m， m 为遍历次数， prfi 为有效的脉冲重复频率， fdi为步骤 (2) 中求取的其中 5 个有模糊的多普勒中心频率；。

6、有效的脉冲重复频率 prfi的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率 fdi满足 “2f fdi prfni-2f” 条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中 prfni为步骤 (2) 求取的其中 5 个脉冲重复频率； (4) 利用步骤 (2) 获得的有模糊的波束中心向速度和步骤 (3) 获得的模糊次数测量出权利要求书 CN 101943753 A CN 101943760 A2/2 页 3 着陆器波束中心向速度 vr，其中：为回波信号的波长； prf 为与步骤 (3) 中得到 5 个有效脉冲重复频率中的任意一个； N 为与脉冲重复频率 prf 相对应的解算出的。

7、模糊次数； vd为与脉冲重复频率 prf 相对应的有模糊的波束中心向速度。 2. 根据权利要求 1 所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于：所述步骤 (3) 中 f 的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为 vmax，为回波信号的工作波长， f 为雷达频率提取随机误差，则： 3. 根据权利要求 2 所述的一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，其特征在于：所述遍历次数 m 大于其中， vmax为某个距离段速度的最大变化率， prfmin为最小的脉冲重复频率，为回波信号的工作波长。权利要求书 CN 101943753 A CN 1019。

8、43760 A1/7 页 4 一种微波雷达波束中心向速度的测量方法技术领域 0001 本发明涉及一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，尤其涉及到星球着陆器利用微波雷达测量波束中心向速度测量方法。背景技术 0002 星球着陆器一般安装于轨道器上，在开始着陆前随轨道器一起以较大的速度绕星球飞行。着陆器的着陆过程为：首先，着陆器与轨道器分离，此时着陆器仍具有较大的速度。由微波着陆雷达测量着陆器运动速度，提供给 GNC 系统控制着陆器减速。对于星球着陆，着陆点一般都是事先选定的，因此， GNC 系统需要控制着陆器飞行速度和高度，使其到达预定着陆点上空时，水平和垂直。

9、两维速度要控制到接近为零。此时对星球表面进行三维成像，以选择较为平坦的区域使着陆器安全着陆。可以看出，在整个着陆器着陆过程中， GNC 系统都需要利用微波着陆雷达测量着陆器相对星球表面速度，速度测量的精确度是关系到着陆器能否实现安全着陆的重要参数。 0003 目前国内外能够应用于着陆雷达速度测量的方法主要有简单连续波测量方法，距离微分法和动目标检测法。简单连续波测量方法可同时测量垂直和水平向速度，但由于天线隔离度无法做到足够高，泄漏信号会限制雷达的最远作用距离，同时该方法无法进行距离信息测量，因此对于着陆系统需增加另外的硬件设备来完成距离信息的提取；距离微分。

10、法主要应用于测高仪，通过高度的微分换算垂直速度分量，该方法最大的问题在于无法测量水平速度分量，难以全面的为着陆器提供速度信息；动目标检测法利用面目标回波的多普勒展宽效应，对电平超过检测门限的频谱进行几何中心求取，从而推导出波束中心向的速度值。该方法可以同时测量水平和垂直两维速度矢量，但其测量精度受限于检测门限的选取，尤其当信噪比较低时，由于门限选取带来的速度测量误差将较大。 0004 由于着陆器速度较大，不可避免的会产生速度模糊，同时着陆系统 GNC 希望雷达能够独立于其他传感器独立工作，因此，雷达只能通过自身算法对模糊数进行解算。目前探测雷达解速度模。

11、糊的方法有很多，比如多基线解模糊法，最小二乘解模糊法、多重频查表法等。其中经典的解模糊算法发射三组参差频率，利用中国余数定理进行解算。 0005 利用传统的中国余数定理，假设雷达发射的脉冲重复频率为 prf1、 prf2、 prf3，目标真实频率为 f，则： 0006 f1 N1prf1+fd1 0007 f2 N2prf2+fd2 0008 f3 N3prf3+fd3 0009 其中， fdi为有模糊的多普勒频率，可以根据频率范围遍历 N1、 N2、 N3，使 f1 f2 f3 f，则可以确定出相应的模糊次数。但考虑到着陆系统运动速度的高变化率，其多普勒频率是始。

12、终在改变的，因此利用传统余数定理无法找到同时满足三种频率的整数 ( 模糊次数 )。因此如果简单的利用余数定理是无法完成模糊次数解算的。说明书 CN 101943753 A CN 101943760 A2/7 页 5 发明内容 0010 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，本发明采用改进的余数定理进行模糊次数解算，可以准确测量着陆器水平和垂直速度分量，具有测量精度高、工程实现较简单的特点，能够引导着陆器实现安全着陆。 0011 本发明的技术解决方案是：一种微波雷达波束中心向速度的测量方法，包括以下几个步骤。

13、： 0012 (1) 着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少 n 组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为 N 个，在星球表面产生的至少 n 组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做 s(t， tm) ： 0013 0014 其中： 0015 n 7 ； 0016 N 128 ； 0017 tm为慢时间，即方位维时间； 0018 t 为快时间，即距离维时间； 0019 fc为着陆器雷达发射信号的载波频率； 0020 R(tm) 为雷达波束中心向的距离； 0021 c 为光速； 0022 (2) 对。

14、至少 n 组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取 n 组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做： 0023 0024 0025 其中： 0026 fdn为该组有模糊的多普勒中心频率； 0027 prfn为该组脉冲重复频率； 0028 为该组回波信号 s(t， tm) 的相关函数； 0029 arg 为角度求取函数； 0030 vdn为该组有模糊的波束中心向速度； 0031。

15、为回波信号的波长； 0032 (3) 利用 “改进的余数定理” 准则对步骤 (2) 中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数 Ni； 0033 其中 “改进的余数定理”判断准则为：存在整数 N1、 N2、、、 N5，使 |fi-fj| f，说明书 CN 101943753 A CN 101943760 A3/7 页 6 即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率 f 时，则该整数组为真实模糊次数，其中 1 i 5， 1 j 5， fi k*prfi+fdi， k 为整数，其取值范围满足： k -m， m， m 为遍历次数， prfi为有效的脉冲。

16、重复频率， fdi为步骤 (2) 中求取的其中 5 个有模糊的多普勒中心频率； 0034 有效的脉冲重复频率 prfi的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率 fdi满足 “2f fdi prfni-2f” 条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中 prfni为步骤 (2) 求取的其中 5 个脉冲重复频率； 0035 (4) 利用步骤 (2) 获得的有模糊的波束中心向速度和步骤 (3) 获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度 vr， 0036 0037 其中： 0038 为回波信号的波长； 0039 prf 为与步骤 (3) 中得到 5 个有效脉冲重复频率中的任意一个；。

17、 0040 N 为与脉冲重复频率 prf 相对应的解算出的模糊次数； 0041 vd为与脉冲重复频率 prf 相对应的有模糊的波束中心向速度。 0042 所述步骤 (3) 中 f 的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为 vmax，为回波信号的工作波长， f 为雷达频率提取随机误差，则： 0043 所述遍历次数 m 大于其中， vmax为某个距离段速度的最大变化率， prfmin为最小的脉冲重复频率，为回波信号的工作波长。微波雷达将测量出来的波束中心向速度值提供给着陆器 GNC 系统， GNC 系统根据天线波束与着陆器本体坐标系关系计算出着陆器本体的速度，以引导着陆器。

18、实现安全着陆。 0044 本发明与现有技术相比的有益效果是：本方法适用于脉冲雷达体制，特别适合大动态回波的测量 ( 速度距离 )，兼具脉冲体制和简单连续波体制的优点，通过采用改进的余数定理进行模糊次数解算，速度模糊问题得到很好的解决，算法简单，利用本发明可以同时测量水平和垂直两维速度分量在雷达波束向的投影，速度测量精度高，并且可以兼顾距离测量功能，再结合有模糊的速度结果即可求出真实的波束中心向速度，本发明工程实现简单，能够引导着陆器实现安全着陆。附图说明 0045 图 1 为着陆雷达波束指向的几何示意图； 0046 图 2 本发明波束中心向速度测量处理。

19、流程图； 0047 图 3 为距离向和方位向示意图； 0048 图4为本发明在机载试验中雷达测量速度结果和由惯导计算出的速度的比较图。具体实施方式 0049 如图 1 所示，卫星平台从 A 点运动到 B 点， A、 B 在面 yox 上， A、 B 为着陆器在着陆过程中的任意两点。xoz 为星球表面， AB 与 x 轴 ( 水平线 ) 夹角为，波束方位角为，俯仰角为波束与星球表面之间的夹角始终保持不变，星球表面上有一个点 E，在平台从 A 说明书 CN 101943753 A CN 101943760 A4/7 页 7 运动到 B 的过程中， E 点始终能被波束照。

20、射到，则平台在 B 点时 E 点到雷达的距离 R(tm) 可以表示成： 0050 0051 其中， tm为慢时间，也就是方位维时间， v 为着陆器运动速度。 0052 本发明完整的处理流程如图 2 所示，步骤如下： 0053 (1) 着陆器上的微波雷达先向星球表面发射至少 n 组互为质数的重频脉冲，其中每组重频脉冲为 N 个，在星球表面产生的至少 n 组回波信号由着陆器上的微波雷达进行采集，每组回波信号形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵，每组回波信号分别记做 s(t， tm) ： 0054 0055 其中： 0056 n 7 ； 0057 N 128 ； 0058 。

21、tm为慢时间，即方位维时间； 0059 t 为快时间，即距离维时间； 0060 fc为着陆器雷达发射信号的载波频率； 0061 R(tm) 为雷达波束中心向的距离； 0062 c 为光速； 0063 (2) 对至少 n 组回波信号分别求取距离方向幅度最大的波门，每组回波信号分别以距离方向幅度最大处的波门为雷达波束中心距离，在该距离波门上利用多普勒相关法分别求取 n 组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度，每组回波信号有模糊的多普勒中心频率和对应的有模糊的波束中心向速度分别记做： 0064 0065 0066 其中： 0067 fdn为该组有。

22、模糊的多普勒中心频率； 0068 prfn为该组脉冲重复频率； 0069 为该组回波信号 s(t， tm) 的相关函数； 0070 arg 为角度求取函数； 0071 vdn为该组有模糊的波束中心向速度； 0072 为回波信号的波长； 0073 (3) 利用 “改进的余数定理” 准则对步骤 (2) 中获得的有模糊的波束中心向速度进行模糊次数解算得到模糊次数 Ni； 0074 其中 “改进的余数定理” 判断准则为：存在整数 N1、 N2、、、 N5，使 |fi-fj| f，即只有任意两个多普勒频率差都小于判据频率 f 时，则认为该整数组为真实模糊次数，其中说。

23、明书 CN 101943753 A CN 101943760 A5/7 页 8 1 i 5， 1 j 5， fi k*prfi+fdi， k 为整数，其取值范围满足： k -m， m， m 为遍历次数， prfi为有效的脉冲重复频率， fdi为步骤 (2) 中求取的其中 5 个有模糊的多普勒中心频率； 0075 有效的脉冲重复频率 prfi的判断方法为：有模糊的多普勒中心频率 fdi满足 “2f fdi prfni-2f” 条件的脉冲重复频率为有效的脉冲重复频率，其中 prfni为步骤 (2) 求取的其中 5 个脉冲重复频率； 0076 (4) 利用步骤 (2) 获得的有。

24、模糊的波束中心向速度和步骤 (3) 获得的模糊次数测量出着陆器波束中心向速度 vr， 0077 0078 其中： 0079 为回波信号的波长； 0080 prf 为与步骤 (3) 中得到 5 个有效脉冲重复频率中的任意一个； 0081 N 为与脉冲重复频率 prf 相对应的解算出的模糊次数； 0082 vd为与脉冲重复频率 prf 相对应的有模糊的波束中心向速度。 0083 所述步骤 (3) 中 f 的确定方法为：某个距离段速度的最大变化率为 vmax，为回波信号的工作波长， f 为雷达频率提取随机误差，则： 0084 所述遍历次数 m 大于其中， vmax为某个距离段。

25、速度的最大变化率， prfmin为最小的脉冲重复频率，为回波信号的工作波长。 0085 例如： 0086 本发明方法在实施时，首先要根据距离不模糊原则选择 7 种互质的脉冲重复频率，即 7 种参差频。并根据作用距离和检测信噪比的要求选择每组重频的脉冲个数 N。 0087 微波着陆雷达发射电磁波经星球表面反射后被雷达接收并存储，形成按照距离向和方位向存储的二维矩阵。收到的回波 s(t， tm) 可以写成： 0088 0089 其中， tm为慢时间，也就是方位维时间； t 为快时间，即距离维时间。fc为着陆器雷达的载波频率， c 为光速。收到的回波二维矩阵如图 3 所示，。

26、每个脉冲回波是按照距离向排列的(图3中的每个小格代表一个距离单元)，不同脉冲间同一回波信号是按照方位向排列的。 0090 检测距离向功率最大点，以该距离波门为波束中心距离。在该距离波门上，按照方位向进行多普勒相关处理，可以得到有模糊的波束中向速度为： 0091 0092 0093 其中，为 s(t， tm) 的相关函数， arg 为角度求取函数。 0094 按照以上方法分别计算 7 种参差频率的有模糊的多普勒中心频率和对应的有模说明书 CN 101943753 A CN 101943760 A6/7 页 9 糊的波束中向速度。 0095 然后，利用 “改进的余数定。

27、理” 判断准则求取速度模糊次数。 0096 此处假定选取的 7 种互质的无距离模糊的脉冲重复频率分别为： 0097 1)prf1 2048Hz 211Hz 0098 2)prf2 2783Hz 111123Hz 0099 3)prf3 3481Hz 592Hz 0100 4)prf4 3125Hz 55Hz 0101 5)prf5 2401Hz 74Hz 0102 6)prf6 2187Hz 37Hz 0103 7)prf7 2581Hz 2989Hz 0104 依次发射7种重频脉冲，每组256个。假定着陆器初始速度为1000m/s，雷达信号波长为0.01m。初始速度对应的多普勒频。

28、率为200000Hz(即 )，并且着陆器匀减速运动。即理论上对应于各组脉冲的多普勒频率为： 0105 1)f1 200000Hz 0106 2)f2 199988Hz 0107 3)f3 199976Hz 0108 4)f4 199964Hz 0109 5)f5 199952Hz 0110 6)f6 199940Hz 0111 7)f7 199928Hz 0112 假设雷达随即误差产生的多普勒频率波动 f 150Hz，由以上条件可以求得： 0113 0114 假设由多普勒相关法求得的多普勒中心频率分别为： 0115 1)fd1 1369Hz 0116 2)fd2 2430Hz 01。

29、17 3)fd3 1539Hz 0118 4)fd4 3089Hz 0119 5)fd5 709Hz 0120 6)fd6 963Hz 0121 7)fd7 1161Hz 0122 按照 “有效” 重频脉冲选择规则，根据条件 “2f fdi prfi-2f” ，剔除了 prf2和 prf4，利用剩余的 5 组重频数据计算模糊次数。 0123 遍历次数 m 需略大于此处， m 取 100。 0124 此时，利用公式 fi k*prfi+fdi， k -m， m 遍历 k，使条件 |fi-fj| f 成立。计算可知，当 N1 97， N2 57， N3 112， N4 91， N5。

30、 77 时，上述条件成立。此时也就得到了对应于每组有效重频的模糊次数。说明书 CN 101943753 A CN 101943760 A7/7 页 10 0125 步骤 (3)，利用公式可以求得 vr 1000.1m/s，此结果也与之前假设的理论值相符，证明了 “改进的余数定理” 解速度模糊次数的有效性。本方法速度测量精度可以达到 0.1m/s。为了全面验证微波雷达的速度测量性能，利用直升机模拟着陆器下降过程，将微波着陆雷达安装于直升飞机机腹下，天线波束照射到地面上。雷达发射电磁波，并接收地面回波，经信号处理后将速度结果输出。与飞机上安装的惯导速度数据进。

31、行比对，以检验微波着陆雷达的速度测量性能。图 4 为机载试验中雷达测量得到的速度结果和由惯导计算出的速度的比较图。从机载试验结果可以看出，本发明的波束中心速度测量方法适合于着陆系统，精度满足着陆系统需求。 0126 本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。说明书 CN 101943753 A CN 101943760 A1/3 页 11 图 1 说明书附图 CN 101943753 A CN 101943760 A2/3 页 12 图 2 图 3 说明书附图 CN 101943753 A CN 101943760 A3/3 页 13 图 4 说明书附图 CN 101943753 A 。

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