劉素珍 雷忠山

（1.中國人民解放軍92941部隊(duì)95分隊(duì) 葫蘆島 125001)（2.中國人民解放軍92493部隊(duì) 葫蘆島 125001)

1 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，船用慣性導(dǎo)航裝備逐步向長周期、大海域、高精度方向發(fā)展，靶場目前的測控手段是利用天文經(jīng)緯儀測得的航向和姿態(tài)信息真值與被試裝備輸出的姿態(tài)信息進(jìn)行比對，達(dá)到海上試驗(yàn)鑒定的目的。但是天文經(jīng)緯儀系統(tǒng)只能做到晝夜測星，在測量過程中必須選擇天氣晴朗、天空背景與星體亮度對比度適宜的情況下才能進(jìn)行測量，當(dāng)導(dǎo)航設(shè)備重調(diào)周期比較短時，可以通過選擇好天氣進(jìn)行測量，如果導(dǎo)航設(shè)備重調(diào)周期（航次)過長則不能實(shí)現(xiàn)全程測量。為了解決導(dǎo)航裝備試驗(yàn)全周期海上動態(tài)精度測量問題，必須尋求一種長周期、全天候的航向和姿態(tài)真值測量手段，根據(jù)目前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，可以利用射電天文導(dǎo)航的方式解決陰雨天氣條件下導(dǎo)航裝備全天候動態(tài)精度測量問題［1］。

2 射電天文導(dǎo)航原理

射電天文導(dǎo)航是將可見光天文導(dǎo)航技術(shù)系統(tǒng)與射電天文導(dǎo)航技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，構(gòu)成一個組合導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠?qū)崟r提供慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航向和水平姿態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)自主式、全天候、全球性的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)動態(tài)測試要求。射電天文定位指通過射電天文望遠(yuǎn)鏡接收天線對準(zhǔn)所要觀測的天體，匯集它投來的無線電波，接收機(jī)把無線電波的功率放大，成為可供記錄的信號，然后由終端記錄處理系統(tǒng)處理信息，并用圖、表或其他方式顯示出來，精確確定天體在天球上的位置，利用高度差法原理，確定載體的位置和方向。

射電測量系統(tǒng)主要由射電天線，天線饋源，高靈敏度射電輻射計和跟蹤接收機(jī)組成。

射電天線包括天線主、副反射面和饋源。天線饋源采用高效率波紋喇叭，天線罩采用低損耗材料，最大限度地降低對太陽和衛(wèi)星信號的衰減，提高系統(tǒng)信噪比，射電輻射計的功能是對射電微弱信號進(jìn)行測量，微弱信號檢測儀器的設(shè)計不僅要求噪聲小，而且還要同時滿足通頻帶，輸入阻抗和電路工作點(diǎn)穩(wěn)定性等多種要求。

射電天文導(dǎo)航系統(tǒng)組成框圖如圖1所示［2］：

圖1 射電天文測量系統(tǒng)組成框圖

3 星體探測能力分析

太陽是一個理想的黑體，它輻射所有頻率的電磁波信號，在可見光波段，其輻射能量最強(qiáng)，在射電頻段，輻射較弱，但由于星際分子的吸收，同時再加上地球大氣的衰減，太陽的輻射到達(dá)地面時，在陰雨、霧天時，其射電信號能被接收，而可見光卻不能接收。宇宙的亮溫與輻射的波長和天頂角均無關(guān)，其值等于2.7K。頻率高于5GHz時，銀河系的亮溫比大氣向下的輻射溫度低很多，可以忽略不計。在頻率高于10GHz時，可以忽略所有外層空間輻射源對天線溫度的影響。決定輻射計靈敏度有兩個因素：一是輻射計的系統(tǒng)噪聲溫度；二是輻射計的增益起伏。射電接收單元的系統(tǒng)靈敏度可用下式表達(dá)［3］：

圖2 接收系統(tǒng)損耗圖

選擇系統(tǒng)積分時間為2s，帶寬為500MHz，圖2為接收系統(tǒng)損耗圖，其等效的（無噪聲器件)級聯(lián)模型如圖3所示。

圖3 接收系統(tǒng)損耗級聯(lián)模型圖

通過計算可以得到系統(tǒng)的靈敏度為：TSYS＝0.154K；太陽的輻射強(qiáng)度為67K；月亮的輻射強(qiáng)度為14K；衛(wèi)星的輻射強(qiáng)度比太陽月亮強(qiáng)。因此可以探測到衛(wèi)星、太陽和月亮的射電信號。

4 射電天文接收機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用0.9m口徑的天線，對衛(wèi)星和太陽進(jìn)行跟蹤測量，主要困難在于接收機(jī)所接收到信號非常微弱。對于微弱信號檢測來說，關(guān)鍵措施［4］就是盡量減少測量過程中引入的觀測噪聲，降低前置放大器噪聲是其中一個主要途徑。主要從低噪聲器件選擇及放大器電路設(shè)計上進(jìn)行精心考慮，從抗干擾角度還要注意放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在微弱信號檢測儀器的設(shè)計上，不僅要達(dá)到低噪聲，還要同時滿足通頻帶，輸入阻抗和電路工作點(diǎn)穩(wěn)定等多種要求，此外，不僅要盡量降低內(nèi)部噪聲，而且還要很好地排除外部干擾。外部干擾與內(nèi)部噪聲不同，這種干擾通常具有一定的規(guī)律及傳送的途徑。因此，通過采取適當(dāng)?shù)拇胧┚涂梢酝耆鞣N外部干擾，使檢測系統(tǒng)達(dá)到僅由內(nèi)部噪聲決定的檢測極限。接收機(jī)系統(tǒng)［5］原理如圖4所示：

圖4 接收系統(tǒng)原理圖

由天線饋源接收射電信號后，經(jīng)過波導(dǎo)－微帶轉(zhuǎn)換將電磁場信號轉(zhuǎn)化為電信號。該信號非常微弱，所以需要進(jìn)行放大處理。需要注意這是第一級處理，所以要求放大過程帶入的噪聲必須非常小，才能保證有足夠的信號－噪聲比，保證系統(tǒng)具有很高的探測精度［6］。

信號放大后進(jìn)行下變頻處理：即信號與本振信號頻率相減將接收的Ku波段信號降為L波段信號，此時信號形式不變，僅頻率降低。

下變頻后的信號依然很微弱，必須再進(jìn)行放大處理。這里的放大與第一級放大不同，頻率比第一級要低，所以稱為中頻放大，而且也不需要追求很低的噪聲。

中頻放大后進(jìn)行檢波處理，檢波處理是降L波段信號直接變?yōu)榈皖l電壓信號，稱為視頻信號。該視頻電壓信號已反映了目標(biāo)偏離天線中心的程度，但信號還是很微弱。

所以檢波之后還需進(jìn)行視頻放大處理，放大后進(jìn)行和－差分離，即降視頻電壓信號分離出反映目標(biāo)偏離天線中心的方位差和俯仰差。

分離出方位、俯仰角偏差后由CPU進(jìn)行采樣數(shù)字化，再進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理后通過串行口發(fā)送給主控計算機(jī)。

5 射電測天定位定向功能的實(shí)現(xiàn)

利用射電天線接收天體的射電信號，能夠克服可見光波段觀測受天氣的影響［7］，利用小于1m口徑的天線，可以接收太陽、月亮、衛(wèi)星等天線溫度較高的星體的厘米波射電信號，實(shí)現(xiàn)跟蹤星體測天定位。

5.1 射電源位置計算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的世界時和艦船位置信息，通過自動星歷表解算天文三角形，可以得到精確的太陽、月亮的位置（赤經(jīng)、赤緯)和地平高度角、地平方位角?；蛘吒鶕?jù)衛(wèi)星測控中心提供的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)和短期控制模型建立同步衛(wèi)星的位置信息。

5.2 射電源的自動跟蹤和探測

根據(jù)天文結(jié)算得到的天體（衛(wèi)星)的地平高度角和地平方位角對天體進(jìn)行自動跟蹤和探測，將探測到的天體射電信號進(jìn)行處理細(xì)分，提取射電源的位置信息，通過處理解算得到射電源的偏軸誤差量ΔA，ΔE。

5.3 射電源高度差計算

對被測星體的射電信號進(jìn)行處理和目標(biāo)提取，根據(jù)艦船位置信息（λ、φ)、姿態(tài)角信息 （K、P、R)、精確的時間信息，被測星體的高度角、方位角和射電源偏軸誤差量ΔA、ΔE，通過雙星定位或多星定位高度差計算公式得到被測射電源高度差Δhd和方位差Δqd。

5.4 定位解算

射電測量采用雙星和三星定位、定向原理，通過多次測量進(jìn)行測量結(jié)果數(shù)據(jù)處理技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑處理，優(yōu)化定位、定向結(jié)果輸出。利用高度差法［8］進(jìn)行雙星定位計算公式為

式中：ΔH1、ΔH2為兩顆星體的高度差；A1、A2為兩顆星體的方位；φ0為初始艦位緯度值。

根據(jù)雙星天文定位公式解算出的經(jīng)度和緯度修正量Δλ、Δφ，加入初始位置即得到天文定位數(shù)據(jù)。

6 精度分析

6.1 定位精度

影響位置測量精度的主要因素有：高度測角誤差，天體檢測誤差，蒙氣差、視差等修正后的殘差。

6.1.1 高度測角誤差

根據(jù)目前的技術(shù)條件，角度傳感器可采用多極正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，測角傳感器在安裝及線路配置后，測角精度可控制在6″（1σ)。

6.1.2 天體檢測誤差

在天線口徑為1m，被檢測目標(biāo)（衛(wèi)星、太陽)在Ku波段的EIRP值［9］不小于50dB時，天線的半功率點(diǎn)波瓣寬度（HPBW)為1.4°，對系統(tǒng)噪聲、系統(tǒng)靈敏度、天線增益和天線溫度增量進(jìn)行計算、仿真及相關(guān)試驗(yàn)后，利用統(tǒng)計平均方法，對目標(biāo)信息進(jìn)行細(xì)分內(nèi)插處理后，天體靜態(tài)檢測誤差θ≈30″。

6.1.3 蒙氣差、視差等修正后的殘差

蒙氣差、視差等修正后差余誤差取5″（1σ)。

按各項(xiàng)誤差均方和進(jìn)行誤差綜合，系統(tǒng)在靜態(tài)條件下定位精度：

靜態(tài)定位誤差相當(dāng)于0.3海里，但由于在測量不同目標(biāo)時會引入一定誤差，因此靜態(tài)定位精度按0.4海里（1σ)計。

6.2 定向精度

在具體的使用條件下其定向的主要誤差源包括：天線指向誤差引入的方位測量誤差、方位測角誤差、軸系誤差導(dǎo)致的方位誤差、由高度測量引入位置誤差對定向誤差的影響、射電軸標(biāo)校誤差等。

6.2.1 天線指向誤差引入的方位測量誤差

測星誤差30″，引入的方位測量誤差關(guān)系式為［11］

被測星體高度h為35°，則Δq約為36″。

6.2.2 方位測角誤差

方位測角精度可控制在5″（1σ)。

6.2.3 軸系誤差導(dǎo)致方位誤差

軸系誤差影響以7″（1σ)計。

6.2.4 由高度測量引入位置誤差對定向誤差的影響

定向時一般選用高度較低（35°以下)的星體進(jìn)行測量，由射電探測時高度測量誤差引入的定向誤差為Wwz＝24″。

6.2.5 射電軸標(biāo)校誤差

射電標(biāo)校精度誤差可以控制在20″以內(nèi)。

按各項(xiàng)誤差均方和進(jìn)行誤差綜合，系統(tǒng)在靜態(tài)條件下的定向精度：

7 結(jié)語

本文通過對探測天體（衛(wèi)星)射電信號的可行性和探測精度進(jìn)行分析，證明該方法在理論上是可行的，該方法對于克服不良天氣條件的影響，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行不間斷連續(xù)動態(tài)測試，具有重要意義。

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