[发明专利]机载相控阵天气雷达高精度测量瞬时航速方法

说明书

一、技术领域

本方法属于机载导航领域；直接用于机载相控阵天气雷达导航参数中航速参数的测量；对于采用惯性导航加多普勒导航组合、且对瞬时航速精度要求比较高的导航系统亦有参考价值。 

二、背景技术

机载相控阵天气雷达需要获取气象目标的散射强度、移动速度和速度谱宽等信息。只有飞机航速测量准确，才能保证气象目标运动速度的测量准确。准确测量航速是获取气象目标运动信息的前提。而且，在某一波束方向探测时，为了保证飞机位移很小，驻留时间非常短，可以说在某一波束方向上的探测是在瞬间完成的。因此，机载相控阵天气雷达探测特别对瞬时航速有比较高的精度要求。 

导航技术有惯性导航、卫星导航和多普勒导航几大类。每类有各自的技术特点和测量精度。卫星导航提供位置信息、不提供飞机姿态信息。航速信息通过两个不同时刻的位置来计算，是一段时间内的平均速度。而且，平均速度的精度受定位精度的限制，定位精度又与卫星信号积累时间呈正比。通过较长时间的积累，卫星导航可以获取较高精度的平均速度。但是，瞬时速度的计算精度往往达不到机载相控阵天气雷达的探测要求。另外，卫星导航属于非自主式的导航，深受卫星和卫星信号质量的限制。一般只在安装条件允许时，可将其列为辅助导航设备。 

惯性导航(INS，简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统；可以提供速度、位置、偏航角和姿态等完整导航信息。惯导通过测量加速度，并将它对时间进行积分，得到速度信息。速度测量方程可以表示为： 其中，a(t)是被测量的加速度。惯导可以获取高精度的瞬时航速信息，但前提是：“初始对准”要非常精确，而且加速度的测量也要有很高的精度。初始对准是一项非常严格的工作。初始对准误差将成为惯导的系统误差。如果没有来自其他导航数据的修正，单靠惯导设备无法消除这种误差。最主要的问题是加速度测量误差的发散性。由其测速方程可以看出：加速度测量的微小误差，随着积分时间的加长，会引起较大的速度误差，积分时间越长、误差越大。这种测量误差随时间发散现象也称为“漂移”现象。因此，在测速精度要求较高的场合，需要对惯导测量结果进行修正。 

多普勒导航是利用飞机自身携带的(具有多普勒测速功能的)雷达对地进行测量，根据多普勒测速原理获取航速信息。虽然多普勒导航只提供航速信息，但是多普勒测速具有实时性好、精度高的优点。而且通过脉冲积累次数的增加(相当于增加测量时间)，还可以进一步提高测速精度。 

但是，多普勒测速一般会遇到测速模糊问题。多普勒测速方程可以表述为： 其中，V_D是实际多普勒速度， 是实际多普勒速度的测量值。m是模糊次数(m＝0时为无模糊测量)。V_N是最大不模糊速度(也称为Nyquist速度)。在雷达波长λ一定时，V_N的大小取决于脉冲重复频率(其关系为：V_N＝±λ×PRF/4，PRF是脉冲重复频率)。当V_D大于V_N时，测量值不等于实际速度，即出现模糊现象。 

三、发明内容

要解决的技术问题： 

因为需要探测气象目标的运动信息，所以机载相控阵天气雷达对瞬时航速测量有比较高的精度要求。采用何种导航方案以满足机载相控阵天气雷达的探测要求是首先需要考虑的技术问题。 

因为惯导可以提供姿态、航速等完整的导航信息，所以不论采取何种导航方案，惯导系统都是机载相控阵天气雷达必备的导航系统。但是导航存在误差发散现象。所以如何修正惯导误差是机载相控阵天气雷达必须要解决的关键技术问题。 

多普勒测速具有实时性好、精度高的特点，而且通过脉冲积累次数的增加，还可以进一步提高测速精度。这些技术特别恰好满足机载相控阵天气雷达对航速测量的要求。机载相控阵天气雷达通过对地测量有望获取高精度的瞬时航速。但是，因为飞机航速较高，所以对地测量时势必存在多普勒测速模糊现象。能否克服测速模糊问题是机载相控阵天气雷达能否采用多普勒测速技术的关键技术问题，也是本发明的核心内容。 

为了解决飞机对地测量时的测速模糊问题，根据测量特点，完善了双脉冲重复频率测速技术(DPRF)，并给出了通用算法。 

解决技术问题所采用的技术方案： 

解决上述技术问题所采取的总体技术方案包括以下三个方面的主要内容： 

1.采用惯导加多普勒测速的自主式组合导航系统