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CN111736123B - 一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法 - Google Patents

一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法 Download PDF

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漆静晨
张鈺婷
徐保根
丁学科
万义和
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University of Electronic Science and Technology of China
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Tong Fang Electronic Science & Technology Co ltd
University of Electronic Science and Technology of China
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Abstract

本发明公开了一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法，即确定天线波束中心线与地面法线方向之间的夹角。本发明提出的利用地面反射回波时延扩展的测姿方法，首先，天线以已知的波束宽度向地面发射测姿信号；然后，对天线接收的地面反射回波信号进行处理，确定早达回波时延和晚达回波时延，最后，将时延扩展(早达回波时延和晚达回波时延的比值)与阈值比较，分两种情况(时延扩展大于等于阈值，小于阈值)确定测姿结果。

Description

一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法。
背景技术
空中平台在飞行过程中需要实时测量平台的姿态。例如，在实际情况下，空中平台不一定保持平稳飞行状态，天线发射的测高信号无法垂直照射地面，导致测得的高度不准确。此时，就需要测量天线的波束偏角，以校正天线的测量高度。
现有的测姿方法主要有：依靠陀螺仪、借助机载航向信息推算平台姿态，或是借助多个天线协同测姿。但陀螺仪测姿方法精度欠佳，航向推算计算量较大，且都存在误差累积，导致在实际应用中受到限制。
发明内容
本发明所要解决的问题就是针对现有测姿方法测量精度低、计算量大的缺陷，由天线接收的地面反射回波确定早达回波时延和晚达回波时延，从而确定天线波束中心线与地面法线方向之间的夹角的方法。
本发明采用的技术方案是：
一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法，所述测姿是指确定天线波束中心线与地面法线方向之间的夹角φ，包括以下步骤：
S1、设定天线发射信号的半波束宽度θ，阈值μ＝cos(2θ)；
S2、天线以已知的波束宽度向地面发射测姿信号(天线波束中心线与地面法线之间的夹角未知，但是大于等于零度，小于90度，以确保天线能收到地面反射的回波信号)；
S3、天线接收地面反射的回波信号，并确定地面反射的回波信号中的早达回波时延τ1和晚达回波时延τ2；
S4、由早达回波时延τ1和晚达回波时延τ2的比值确定地面反射回波时延扩展η＝τ1/τ2，并与阈值比较，判断反射回波时延扩展是否小于阈值，若是，即η<μ时，则测姿结果为：
Figure BDA0002568071420000021
否则，即η≥μ时，测姿结果为：
φ＝arccos(τ1/τ2)-θ。
本发明的有益效果在于：
平台测姿有益于确定平台运动状态，对于提高平台测高精度也有帮助，本发明提出的方法有益于平台在机动情况下测姿，并通过单个天线波束即可确定平台的姿态。
具体实施方式
下面通过仿真对本发明的方法进行验证。
在仿真实验中，计算了时延扩展测姿方法在不同偏角下的姿态测量均方根误差。在高度值为H＝15km，θ＝30°，时延误差不超过1μs的情况下，分别计算φ＝0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°,35°,40°,45°,50°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差。
Figure BDA0002568071420000022
当φ＝0°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.523°。
当φ＝5°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.617°。
当φ＝10°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.504°。
当φ＝15°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.413°。
当φ＝20°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.334°。
当φ＝25°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.266°。
当φ＝30°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.214°。
当φ＝35°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.174°。
当φ＝40°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.138°。
当φ＝45°时，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.096°。
当φ＝50°，时延扩展测姿方法偏角估计值的均方根误差为0.059°。
综上所述，本发明提供了一种利用地面反射信号早达回波时延和晚达回波时延比值来测量波束偏角的方法。在早达回波时延和晚达回波时延判断足够精确的情况下，本方法能准确测量波束偏角。通过仿真实验，计算了不同偏角下时延扩展测姿方法姿态估计的均方根误差，当偏角变化时，时延扩展测姿方法的姿态估计均方根误差始终保持在0.7°以下，且随着偏角的增大，均方根误差减小，姿态测量结果越准确，说明了时延扩展测姿方法的稳健性与准确性。

Claims (1)

1.一种利用地面反射回波时延扩展的测姿方法，所述测姿是指确定天线波束中心线与地面法线方向之间的夹角φ，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设定天线发射信号的半波束宽度θ，阈值μ＝cos(2θ)；
S2、天线以已知的波束宽度向地面发射测姿信号；
S3、天线接收地面反射的回波信号，并确定地面反射的回波信号中的早达回波时延τ1和晚达回波时延τ2；
S4、由早达回波时延τ1和晚达回波时延τ2的比值确定地面反射回波时延扩展η＝τ1/τ2，并与阈值比较，判断反射回波时延扩展是否小于阈值，若是，则测姿结果为：
Figure FDA0002568071410000011
否则，测姿结果为：
φ＝arccos(τ1/τ2)-θ。
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