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一种弹载雷达辅助地速测量的实现方案

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赵毅寰尹建勇杨红乔陈伟廖华山

摘要：为了解决卫星信号不可用条件下长航时导弹精确导航的问题，提出了一种复用弹载制导雷达进行载体地速测量的一体化设计方案。对“X”型、“T”型天线布局方式下三维地速测量的计算方法进行了推导，设计天线波束参数、波形参数、射频组件和信号处理架构。对该系统的测速误差进行了分析。结果表明，复用弹载制导雷达进行载体地速的辅助测量，能够满足载体导航速度修正的需求，提高了设备集成度。

关键词：导航;多普勒测试;制导雷达;速度修正;地速测量

中图分类号：TJ760;V448??文献标识码：A?文章编号：1673-5048（2021）03-0065-06

0引?言

由于单一的导航手段无法满足远程精确导航的需要，现代长航时飞行器和大射程导弹通常利用惯性导航和卫星导航组合的方式保证导航精度。在卫星信号不可用时，对航路规划敏感的武器系统（如基于成像匹配弹道纠偏的导弹）需要一种不依赖于外界资源的完全自主式的组合导航方式[1]。多普勒测速仪结合惯性导航就是其中一种重要手段。

导弹和无人机等飞行载体对设备尺寸、重量和成本有严格限制，在一种设备上尽可能实现较多的功能将是发展方向[2-3]。具有雷达载荷的长航时飞行器，再增加多普勒测速仪进行航路修正，大大增加传感器载荷的体积、重量和成本。因此，将制导雷达与多普勒测速仪一体化集成设计，是空面攻击大射程导弹的一个可选技术方向。近年来，脉冲多普勒体制制导雷达广泛应用于精确制导武器，多普勒测速仪在直升机等飞行器上也获得了应用。二者的工作原理和产品研制技术已趋于成熟，而利用弹载制导雷达复合进行地速辅助测量的集成化设计技术尚未见公开报道。

1多普勒测速原理

多普勒测速仪以大地为反射面，回波信号强，所以仅辐射有限的功率就能保证正常工作[4]。如图1所示，安装在载体上的雷达向前下方地面发射一条较窄波束的电磁波，下视角为γ0、信号频率为f0;弹速在天线波束方向的速度投影V与地速Vx存在如下投影关系：

Vx=V/cosγ0

电磁波打到地面上并漫反射到天线成为回波信号。由于多普勒效应，接收信号的频率发生变化，接收频率和发射频率之间存在的频差，即多普勒频率：

fd=2Vλcosγ0

可见，当λ和γ0确定后，fd与V成正比。多普勒测速仪就是通过测量多普勒频率来获得飞行器的速度信息。

按照波束配置，多普勒测速仪分为单波束、双波束、三波束、四波束测速仪[5-6]。由于单波束多普勒雷达存在由垂直速度引起的误差严重的缺点，因而在实践中并未得到使用。实践中广泛使用的是能消除上述缺点的双波束、三波束、四波束多普勒测速仪。因而通过设置多波束，可以得到雷达载体速度矢量的各个分量，即沿着航向的纵向速度、与航向垂直的横向速度和垂直速度。典型四波束配置方法如图2所示。

fd1=2λ（Vxcosα1sinβ1-Vycosβ1-Vzsinα1sinβ1）

fd2=2λ（Vxcosα2sinβ2-Vycosβ2Vzsinα2sinβ2）

fd3=2λ（-Vxcosα3sinβ3-Vycosβ3-Vzsinα3sinβ3）

fd4=2λ（-Vxcosα4sinβ4-Vycosβ4+Vzsinα4sinβ4）

实际产品中可设置四个波束的αi和βi均相等，记为α0和β0。简化利用上面4个算式中的3个，求解飞行器的三维速度：

Vx=λ4cosα0sinβ0（fd1-fd3）

Vz=λ4sinα0sinβ0（fd4-fd3）

Vy=-λ4cosβ0（fd1+fd4）

其中，第四个波束可以用于二次检验测量结果的准确性，也可以不用[5]。

2弹载雷达辅助测速的可行性

弹上制导雷达通常采用伺服平台或数字捷联去耦的方式隔离弹体运动对波束指向的影响。类似地，多普勒测速仪的天线在飞行器上也有两种安装方式。一种是天线固定安装在飞行器上不能转动，在解算飞行器三维速度时，引入飞行器的姿态信息（俯仰角、滚转角、航向角等），运算较复杂[6-7]。另一种是天线依靠伺服平台在俯仰或滚转方向上稳定，隔离载体姿态信息。同时，制导雷达和多普勒测速仪在信号生成、发射、接收、处理等环节存在极大的相似性。制导雷达增加多普勒测速功能的可行性，表现在如下几个方面：

（1）可以利用制导雷达本身的二维稳定平台，实现测速雷达天线的稳定，避免解算速度时引入飞行器姿态信息而增加算法复杂度和解算误差。

（2）復用制导雷达的频率源、发射电路、天线等功能，采用脉冲工作方式，实现多普勒测速。需要增加相应的专用天线、接收通道和信号处理板，给出三维速度测量结果。

（3）复用制导雷达天线，可采取的方案包括同向双天线方案实现侧向速度的测量、“X”型布局三天线方案实现三维速度测量、“T”型布局三天线方案实现三维速度测