李 果,崔書華,沈 思,王 敏

(1 宇航動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043;2 西安衛(wèi)星測控中心,西安 710043)

多普勒頻率誤差對飛行目標(biāo)參數(shù)的影響分析*

李 果1,2,崔書華1,2,沈 思2,王 敏1,2

(1 宇航動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710043;2 西安衛(wèi)星測控中心,西安 710043)

針對試驗(yàn)靶場中的高精度多測速系統(tǒng)中,多普勒頻率測量數(shù)據(jù)的誤差對飛行目標(biāo)產(chǎn)生影響的問題,建立了多普勒頻率誤差對目標(biāo)定速的影響分析計(jì)算模型。通過仿真計(jì)算及定量分析得出,其產(chǎn)生的誤差將直接影響目標(biāo)定速結(jié)果,且影響量值隨時(shí)間增加而逐漸變大。此方法可為飛行目標(biāo)的定速情況提供有效的分析手段,也為提高外彈道數(shù)據(jù)處理精度提供技術(shù)支持。

多測速系統(tǒng);多普勒頻率誤差;影響分析

0 引言

高精度多測速系統(tǒng)的測速基礎(chǔ)是多普勒效應(yīng),由一主多副或兩主多副構(gòu)成測速測量體制,主站測速雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波信號,經(jīng)目標(biāo)應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā),由副站測速雷達(dá)接收信號并測量多普勒頻率,從而獲得多個(gè)徑向速度信息。雖然測量終端的多普勒頻率測量精度能達(dá)到毫赫茲量級,但在實(shí)際測量過程中,多普勒頻率的測量精度受到熱噪聲、頻率源的頻率穩(wěn)定度、發(fā)射信號譜線寬度、頻率源的頻率漂移、多路徑誤差、空間折射誤差等多種因素的影響,往往會使測量信號夾雜著隨機(jī)噪聲[1-2],同時(shí)目標(biāo)的飛行速度急劇變化、姿態(tài)調(diào)整等特征點(diǎn)發(fā)生動作時(shí),對多普勒頻率的測量精度也有較大影響。文獻(xiàn)[3-8]對多測速的軌道計(jì)算進(jìn)行了多種方法的討論,而文中將從多測速的測量數(shù)據(jù)的源頭,即多普勒頻率誤差對目標(biāo)定速產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析,以期為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供分析手段。

1 多普勒頻率

多普勒頻率誤差會對多測速測量系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響,直至對測量目標(biāo)參數(shù)精度帶來影響。測速系統(tǒng)按照二進(jìn)制格式記錄多普勒頻率,轉(zhuǎn)換至多測速距離和變化率復(fù)原公式為：

(1)

2 影響分析

通過建立多普勒誤差引發(fā)的飛行目標(biāo)參數(shù)的影響分析模型,并利用航天靶場相關(guān)發(fā)射方向及布站情況對影響量值進(jìn)行分析。

2.1 分析模型

建立多測速系統(tǒng)測量方程:

(2)

(3)

將式(3)兩側(cè)進(jìn)行微分,并寫成矢量形式為:

(4)

式中:

1.2 實(shí)例分析

在多測速系統(tǒng)中,主站采用的是雙向共源測速模式,這種模式的測速精度較高,多普勒頻率誤差對目標(biāo)定速數(shù)據(jù)的影響極小。副站采用的是雙向不共源測速模式[9],這種模式對目標(biāo)定速數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的影響。故文中主要針對副站多普勒頻率誤差對目標(biāo)定速結(jié)果的影響進(jìn)行分析。

以某射向、設(shè)備布站及跟蹤弧段情況為例,分析多普勒頻率誤差對目標(biāo)的定速影響。圖1～圖3為副一站在多普勒頻率設(shè)計(jì)指標(biāo)δ及2δ、3δ的情況下,目標(biāo)在X、Y、Z方向的定速偏差。

圖1 多普勒誤差對X方向定速影響圖

圖2 多普勒誤差對Y方向定速影響圖

圖3 多普勒誤差對Z方向定速影響圖

從圖1～圖3中可以看出,副一站多普勒頻率誤差對Y方向的定速影響較大,對X、Z方向的定速影響較小。具體最大影響量值見表1。

表1 副一站多普勒頻率誤差對定速影響最大值數(shù)據(jù)表

圖4～圖6為副二站在多普勒頻率設(shè)計(jì)指標(biāo)δ及2δ、3δ的情況下,目標(biāo)在X、Y、Z方向的定速偏差。

圖4 多普勒誤差對X方向定速影響圖

圖5 多普勒誤差對Y方向定速影響圖

圖6 多普勒誤差對Z方向定速影響圖

從圖4～圖6中可以看出,與副一站相似,副二站多普勒頻率誤差對Y方向的定速影響較大,對X、Z方向的定速影響較小。具體最大影響量見表2。

圖7～圖9為副三站在多普勒頻率設(shè)計(jì)指標(biāo)δ及2δ、3δ的情況下,目標(biāo)在X、Y、Z方向的定速偏差。

表2 副二站多普勒頻率誤差對定速影響最大值數(shù)據(jù)表

圖7 多普勒誤差對X方向定速影響圖

圖8 多普勒誤差對Y方向定速影響圖

圖9 多普勒誤差對Z方向定速影響圖

從圖7～圖9中可以看出,副三站多普勒頻率誤差對X、Y、Z三個(gè)方向的定速影響都較小。具體最大影響量值見表3。

表3 副三站多普勒頻率誤差對定速影響最大值

1.3 小結(jié)

通過上述分析結(jié)果可以看出,多普勒頻率誤差對副一站和副二站的定速影響較大,當(dāng)誤差量為1δ時(shí),對定速影響最大可達(dá)0.02 m/s;當(dāng)誤差量為3δ時(shí),對定速影響最大可達(dá)到0.06 m/s,已超出了總體方案要求范圍。

3 結(jié)論

文中針對多測速測量系統(tǒng)的多普勒頻率誤差對定速影響進(jìn)行了定量分析。根據(jù)上述分析可以看出,多普勒頻率的微小誤差就會給目標(biāo)定速結(jié)果帶來大的影響,且影響量隨時(shí)間增加而逐漸變大。因此,利用多測速系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)定速時(shí),必須對目標(biāo)飛行過程中出現(xiàn)的過偏數(shù)據(jù),以及速度急劇變化、姿態(tài)調(diào)整等特征點(diǎn)處多普勒頻率誤差較大的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。

上述分析結(jié)果雖然是在某種具體射向及布站情況下得出的結(jié)論,但也為后續(xù)任務(wù)中分析多測速系統(tǒng)的多普勒頻率誤差對飛行目標(biāo)的定速影響提供了有力的分析手段,也為提高外彈道數(shù)據(jù)處理精度提供了技術(shù)支持。

[1] 黃富彪, 何兵哲, 秦玉峰. 中低軌衛(wèi)星多普勒數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究 [J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2012, 31(19): 71-72.

[2] 郭玲紅, 李亞立. 單脈沖雷達(dá)距離和速度測量精度技術(shù)分析 [J]. 航空兵器, 2012(5): 31-33.

[3] 崔書華, 胡紹林, 王敏, 等. 多測速系統(tǒng)測速差分計(jì)算及誤差分析 [J]. 飛行力學(xué), 2011, 29(6): 89-93.

[4] 崔書華, 胡紹林, 宋衛(wèi)紅, 等. 基于多測速系統(tǒng)最優(yōu)彈道估計(jì)方法及應(yīng)用 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2012, 32(4): 215-218.

[5] 崔書華, 劉軍虎, 宋衛(wèi)紅, 等. 基于擬牛頓方法的非線性求解及應(yīng)用 [J]. 上海航天, 2013, 30(3): 16-18.

[6] 崔書華, 宋衛(wèi)紅, 劉軍虎, 等. 基于最小二乘改進(jìn)法測速測量數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2013, 33(1): 159-162.

[7] 崔書華, 胡紹林, 宋衛(wèi)紅, 等. 多測速系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)差分非線性求解及應(yīng)用 [J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2013, 325(2): 64-67.

[8] 梁小虎, 朱武宣, 張艷, 等. 多測速系統(tǒng)中系統(tǒng)誤差實(shí)時(shí)估計(jì)與校準(zhǔn)算法 [J]. 飛行器測控學(xué)報(bào), 2012, 31(5): 49-53.

[9] 李軍. 一種測速雷達(dá)測量體制應(yīng)答機(jī)的研制 [D]. 成都: 電子科技大學(xué)工程, 2011: 17-21.

Analysis of Effect of Doppler Frequency Error on Target Parameter

LI Guo1,2,CUI Shuhua1,2,SHEN Si2,WANG Min1,2

(1 State Key Laboratory of Astronautic Dynamics, Xi’an 710043, China;2 Xi’an Satellite Control Center of China, Xi’an 710043, China)

In view of influence of error of Doppler frequency measurement data on flying target in high-precision multi-velocity measurement system of test range, a calculating model was established to analyze the effect of Doppler frequency error on target speed control. With simulation calculation and quantitative analysis, the resulting error has a direct impact on results of target speed and the impact becomes larger as time goes by. The method offers a new technical means to analyze target speed and provide effective technical support to improve the precision of trajectory data processing.

multi-velocity measurement system; Doppler frequency error; effect analysis

2014-08-23

國家自然科學(xué)基金(61473222;61231018;41274018)資助

李果(1982-),男,安徽人,工程師,碩士研究生,研究方向:外彈道數(shù)據(jù)處理,雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

V557

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