用于毫米波雷达导航的地面验证系统和验证方法

技术领域

本发明涉及空间技术领域，特别涉及一种用于毫米波雷达导航的地面验证系统。

背景技术

随着在轨航天器任务种类逐渐丰富，航天器的导航需求越来越多。毫米波雷达作为一种兼具测距与测角的跟瞄单机，在航天器导航方面有着广泛的应用。对于带有驱动机构的毫米波雷达，地面测试工况与在轨工况存在很大差异，因此需要在地面上尽可能模拟在轨环境的情况下，对毫米波雷达的导航应用进行测试，包括毫米波雷达在飞行器半物理测试中的完整应用，对毫米波雷达导航效果进行评估等，通过飞行试验前在地面进行充分测试，确保在轨使用的可靠性安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于毫米波雷达导航的地面验证系统和验证方法。

为实现上述目的，本发明提供一种用于毫米波雷达导航的地面验证系统，其包含：

包括雷达天线的毫米波雷达子系统，所述毫米波雷达子系统用于测量其与跟踪目标之间的相对距离和角度；

雷达重力补偿系统，所述雷达重力补偿系统连接于所述雷达天线，用于补偿所述雷达天线受到的重力以模拟所述雷达天线处于失重环境；

动力学模块，所述动力学模块用于生成搭载所述雷达天线的飞行器和所述跟踪目标在轨运行时的位置和姿态模拟信息；

包括测试信号发射天线的毫米波雷达回波模拟系统，所述毫米波雷达回波模拟系统连接于所述动力学模块，并根据所述动力学模块向所述毫米波雷达回波模拟系统发送的所述飞行器和所述跟踪目标之间的相对位置和相对速度信息，通过所述测试信号发射天线向所述雷达天线发射供其接收的回波信号；

包括运动平台的六自由度运动控制系统，所述测试信号发射天线安装于所述运动平台，所述六自由度运动控制系统连接于所述动力学模块，所述六自由度运动控制系统根据所述动力学模块发送的所述飞行器和所述跟踪目标的相对位置信息控制所述测试信号发射天线移动；

导航解算及评估模块，所述导航解算及评估模块连接于所述毫米波雷达子系统，用于接收所述毫米波雷达子系统测量的距离和角度信息，进行导航解算，并对导航结果进行评估。

可选的，所述毫米波雷达子系统还包括信号处理机和驱动机构，所述驱动机构连接于所述雷达天线并用于驱动所述雷达天线运动，所述信号处理机连接于所述驱动机构和所述导航解算及评估模块，所述信号处理机将雷达天线控制信息发送给所述驱动机构并自所述驱动机构接收雷达天线的角度信息，所述信号处理机还用于将所述毫米波雷达子系统测量的距离和角度信息发送给所述导航解算及评估模块。

可选的，所述雷达重力补偿系统包括：

吊装组件，所述吊装组件用于连接所述雷达天线；

牵引组件，所述牵引组件连接于所述吊装组件以沿竖直方向牵引所述吊装组件；

运动组件，所述牵引组件的另一端连接于所述运动组件，所述运动组件用于带动所述牵引组件移动；

导轨，所述导轨用于安装所述运动组件以使得所述运动组件能够沿所述导轨移动；

力传感器，所述力传感器安装于所述运动组件上以测量所述牵引组件对所述吊装组件的牵引力；

控制器，所述控制器连接于所述力传感器，所述控制器用于根据所述力传感器的测量结果控制所述运动组件在所述导轨上移动以实现对所述雷达天线的重力补偿。

可选的，所述导轨包括气浮轨道，所述运动组件在所述气浮轨道上移动。

可选的，所述毫米波雷达回波模拟系统还包括信号模拟源和上位机，所述上位机连接于所述动力学模块和所述信号模拟源，所述上位机用于接收所述动力学模块发送的所述飞行器和所述跟踪目标之间的相对位置和相对速度信息，并发送给所述信号模拟源；所述信号模拟源与所述测试信号发射天线相连，所述信号模拟源用于根据所述上位机发送的信息生成毫米波雷达在轨工作时的回波信号并通过所述测试信号发射天线发射。

可选的，所述六自由度运动控制系统还包括仿真机和运动平台控制器，所述运动平台控制器分别连接于所述仿真机和所述运动平台，所述仿真机连接于所述动力学模块，所述仿真机用于接收所述动力学模块发送的所述飞行器和所述跟踪目标的相对位置信息并转换成运动平台对应位置信息，所述运动平台控制器接收所述仿真机发送的所述运动平台对应位置信息控制所述运动平台运动至设定位置。

本发明还提供一种用于毫米波雷达导航的地面验证方法，所述验证方法应用如上述的用于毫米波雷达导航的地面验证系统实现，所述验证方法包括：

S10、在毫米波雷达坐标系下计算所述雷达天线对所述跟踪目标的偏航角α和俯仰角β；

S20、获得所述偏航角α和所述俯仰角β均为0°时所述运动平台的位置和所述雷达天线与所述运动平台之间的距离L；

S30、所述驱动机构驱动所述雷达天线指向所述偏航角和所述俯仰角均为0°的位置，调整所述运动平台位置，记录所述运动平台在所述毫米波雷达坐标系下X方向的位置x

S40、控制所述运动平台在所述毫米波雷达坐标系下沿Y方向和Z方向移动，所述雷达天线接收所述测试信号发射天线的波束，根据所述波束确定所述测试信号发射天线的波束中心，将所述运动平台移动至所述波束中心位置；

S50、调整所述运动平台位置，使所述雷达天线的偏航角和俯仰角均为0°，重复三次，记录所述运动平台的位置(y

S60、所述毫米波雷达进入跟踪状态，控制所述运动平台自所述测试初始位置向Y方向或Z方向移动至不同位置，对应记录所述雷达天线的俯仰角、偏航角数据和所述运动平台的坐标数据；

S70、根据对应的所述雷达天线的俯仰角、偏航角数据数据和所述运动平台的数据计算所述雷达天线和所述运动平台之间的距离L。

可选的，在步骤S60中，控制所述运动平台自所述测试初始位置向Y方向或Z方向移动至不同位置包括：以所述测试初始位置(y

可选的，对移动所述运动平台到不同位置(y

可选的，利用所述运动平台到不同位置(y

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的用于毫米波雷达导航的地面验证系统，具有如下有益效果：

本发明的用于毫米波雷达导航的地面验证系统和验证方法，能够在飞行器飞行试验前，在地面模拟在轨环境验证毫米波雷达子系统在飞行器半物理测试中的完整应用，并对毫米波雷达子系统的导航精度进行评估。

附图说明

图1为本发明的用于毫米波雷达导航的地面验证系统示意图。

图2为本发明用于毫米波雷达导航的地面验证系统的运动平台和雷达天线相对关系示意图。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图1～附图2，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

如图1和图2所示，本发明提供了一种用于毫米波雷达导航的地面验证系统，其特征在于，地面验证系统包括毫米波雷达子系统、雷达重力补偿系统、动力学模块、毫米波雷达回波模拟系统、六自由度运动控制系统和导航解算及评估模块。

毫米波雷达子系统包括雷达天线、信号处理机和驱动机构。毫米波雷达子系统用于测量其与跟踪目标之间的相对距离和角度。驱动机构连接于雷达天线并用于驱动雷达天线运动，信号处理机连接于驱动机构和导航解算及评估模块。信号处理机将雷达天线控制信息发送给驱动机构并自驱动机构接收雷达天线的角度信息，信号处理机还用于将毫米波雷达子系统测量的距离和角度信息发送给导航解算及评估模块。

雷达重力补偿系统用于补偿雷达天线受到的重力，以模拟雷达天线处于失重环境的情况，从而能够在地面实现雷达天线处于无重力状态的模拟，在地面完成对毫米波雷达子系统的导航精度进行评估。

雷达重力补偿系统包括吊装组件、牵引组件、运动组件、导轨、力传感器和控制器。吊装组件用于连接雷达天线。牵引组件的一端连接于吊装组件以沿竖直方向牵引吊装组件。牵引组件的另一端连接于运动组件，运动组件用于带动牵引组件移动。导轨用于安装运动组件以使得运动组件能够沿导轨移动。并且在本实施例中，导轨包括气浮轨道，运动组件在气浮轨道上移动。通过气浮减小运动时的摩擦力，提高控制的精度。力传感器安装于运动组件上以测量牵引组件对吊装组件的牵引力。控制器连接于力传感器，控制器用于根据力传感器的测量结果控制运动组件在导轨上移动以实现对雷达天线的重力补偿。

动力学模块用于生成搭载雷达天线的飞行器和跟踪目标在轨运行时的位置和姿态模拟信息。

毫米波雷达回波模拟系统包括测试信号发射天线、信号模拟源和上位机。毫米波雷达回波模拟系统通过内部的上位机连接于动力学模块，并根据动力学模块向毫米波雷达回波模拟系统发送的飞行器和跟踪目标之间的相对位置和相对速度信息，通过测试信号发射天线向雷达天线发射供其接收的回波信号。上位机连接于动力学模块和信号模拟源，上位机用于接收动力学模块发送的飞行器和跟踪目标之间的相对位置和相对速度信息，并发送给信号模拟源；信号模拟源与测试信号发射天线相连，信号模拟源用于根据上位机发送的信息生成毫米波雷达在轨工作时的回波信号并通过测试信号发射天线发射。

六自由度运动控制系统包括运动平台、仿真机和运动平台控制器。测试信号发射天线安装于运动平台。六自由度运动控制系统通过其内的仿真机连接于动力学模块。六自由度运动控制系统根据动力学模块发送的飞行器和跟踪目标的相对位置信息控制测试信号发射天线移动。运动平台控制器分别连接于仿真机和运动平台。仿真机用于接收动力学模块发送的飞行器和跟踪目标的相对位置信息并转换成运动平台对应位置信息，运动平台控制器接收仿真机发送的运动平台对应位置信息控制运动平台运动至设定位置。

导航解算及评估模块连接于毫米波雷达子系统，用于接收毫米波雷达子系统测量的距离和角度信息，进行导航解算，并对导航结果进行评估。

本发明还提供一种用于毫米波雷达导航的地面验证方法，验证方法应用如上述的用于毫米波雷达导航的地面验证系统实现，验证方法包括：

S10、在毫米波雷达坐标系下计算雷达天线对跟踪目标的偏航角α和俯仰角β。具体计算方法如下式：

其中，[x,y,z]为跟踪目标在飞行器本体系下的位置，r为跟踪目标与飞行器距离。

S20、获得偏航角α和俯仰角β均为0°时运动平台的位置和雷达天线与运动平台之间的距离L。

S30、驱动机构驱动雷达天线指向偏航角和俯仰角均为0°的位置，调整运动平台位置，记录运动平台在毫米波雷达坐标系下X方向的位置x

S40、控制运动平台在毫米波雷达坐标系下沿Y方向和Z方向移动，雷达天线接收测试信号发射天线的波束，根据波束确定测试信号发射天线的波束中心，将运动平台移动至波束中心位置。

S50、调整运动平台位置，使雷达天线的偏航角和俯仰角均为0°，重复三次，记录运动平台的位置(y

S60、毫米波雷达进入跟踪状态，控制运动平台自测试初始位置向Y方向或Z方向移动至不同位置，对应记录雷达天线的俯仰角、偏航角数据和运动平台的坐标数据。

在步骤S60中，控制运动平台自测试初始位置向Y方向或Z方向移动至不同位置包括：以测试初始位置(y

y

S70、根据对应的雷达天线的俯仰角、偏航角数据数据和运动平台的数据计算雷达天线和运动平台之间的距离L。对移动运动平台到不同位置(y

利用运动平台到不同位置(y

通过最小二乘法计算雷达天线和运动平台的距离L的计算方法为：

运动平台位置[x’,y’,z’]可采用下式计算：

x'＝Lcosβcosα+x

导航解算及评估模块通过下面的方法对毫米波雷达的导航效果进行评估。

计算误差均值

其中，X

计算数据方差σ

根据标准差确定3σ导航精度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。