交会对接微波雷达大范围高精度测角算法

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1、2013年10月第5期中国空间科学技术Chinese——SpaceScienceandTechnology交会对接微波雷达大范围高精度测角算法严琪杨瑞强踪念科张蓬蔡春贵(中国空间技术研究院西安分院，西安710100)摘要针对现有交会对接微波雷达测角算法不能同时满足远程与近程目标测量精度问题，提出了一种基于相差复矢量匹配的二维测角算法。在定义了目标函数基础上，利用相差复矢量的酉空间内积特性将二维角度估计问题等效为目标函数最大化的非线性优化过程，规避了线性算法近距离误差大的缺点。数值仿真、机载飞行试验和微波暗室

2、试验都表明，该算法对近程、远程目标的测角精度优于0．12。，且易于实现，有较高的工程应用价值。关键词交会对接雷达大范围相差复矢量匹配测角航天器DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．05．0071引言美国、俄罗斯(前苏联)从20世纪60年代开始对交会对接测角技术进行研究，21世纪初技术趋于成熟，形成了彼此相似的技术途径：中远程采用微波雷达口]，近程采用激光雷达嘲，目视距离内采用光学成像雷达[3q1。在我国载人航天、月球探测等重大专项的推动下，交会对接测角技术已经成为目前国内的研究

3、热点，由于我国的航天器平台能力与美苏存在较大差距，不能直接采用美苏的技术途径：即搭载多台不同体制的测量设备用于交会对接不同距离段的测角，同时考虑到激光体制、光学成像体制自身特性无法实现远程测量，因此一台微波雷达同时实现远、近距离大范围的高精度测角是我国空间交会对接的一项关键技术。传统微波雷达缺乏近距离测角需求，相关测角算法只关注远距离测角的抗噪能力、测量精度和工程应用等方面，近距离测角相关研究很少，并且工程实用性欠佳。文献[5—6]讨论了空问角谱估计算法：文献[5]给出了一种具有很高精度和角度分辨率的远距离

4、目标来波到达角估计方法；文献[6]中使用了参差基线解模糊的方法克服了到达角估计的模糊性问题，较好地解决了估计精度与角度模糊的问题。文献[7—8]关注干涉测角算法：文献[7]讨论了远场干涉测角的信号处理设备的设计方法；文献E83将实际距离引入干涉测角，在近距离测角理论分析上具有可借鉴性，但是直接使用距离进行角度计算，导致角度计算结果对距离测量误差敏感，缺乏工程实用性。交会对接微波雷达兼具远、近距离测角需求，现有测角算法在远距离条件下能够满足精度指标，但在近距离条件下误差过大。本文提出的基于相差复矢量匹配的测角

5、算法能够兼顾远、近距离测角精度要求。建立了算法数学模型，给出了求解步骤，最后通过数值仿真、机载飞行试验和微波暗室试验对算法的合理性和有效性进行了全面验证。收稿日期：2012—09—11。收修改稿日期：2013—03—1844中国空间科学技术2013年10月2测角的空间几何模型与基本原理测角空间几何模型如图1所示。0一XYZ构成笛卡尔坐标系，符合右手系原则。P点表示被测目标位置，R表示目标到坐标原点的距离。a和卢分别表示目标P在0一XYZ坐标系中的方位角和俯仰角，即待测的二维角度。口的方向定义为以X轴正向为基

6、准，绕y轴旋转且向下为正；卢的方向定义为以X轴正向为基准，绕Z轴旋转且向y轴正方向为正，图1中a<0、p<0。a、b、C、d、e表示5个测角天线阵元，位于YOZ平面，构成L型阵列，其中a、b、C在一条直线上，a、d、e在一条直线上，两条直线相互垂直。测角的基本原理是：首先，被测目标在P点向测角天线阵元发射连续单频信号；其次，阵元a、b、C、d、e接收5路信号并通过锁相环提取两两信号之间载波相位差；同时，通过其他途径(例如伪码测距技术)测得P到坐标原点0的距离R；最后采用本文提出的算法以载波相位差和距离R作为

7、已知量求解方位角a和俯仰角口的测量值。3测角算法设计3．1数学模型图1测角空间几何模型Fig．1Threedimensionalanglemeasurementgeometricmodel阵元b与a，c与a，c与b，d与a，e与a，e与d，b与d，以及C与e接收信号载波相位差依次记为P。。、P。。、P。。、Paa、p。。、P小P。。、P⋯使用以上相差构造相差复矢量'，，其中j表示复数虚部：l，=-e,pba，eJPca，eJPcb，eJPaa，eJPea，eJPed，eJPbd，ejpce]。(1)阵元a、

8、b、C、d、e三维坐标记为(z。，y。，z。)、(砜，Yb，‰)、(z。，y。，z。)、(xd，Yd，Zd)、(z。，Y。，z。)；P点坐标记为(z，，Y，，2p)；目标P到阵元a、b、C、d、e的距离依次记为R。、R。、R。、Rd、R。，在给定a、口、R和阵元坐标的条件下，距离R。、Rb、R。、Rd、R。：zp=RcosflcosaYp=Rcosflsina2p一--RsinflR。一,／(xp—z。)2+(y