多普勒导航雷达

利用多普勒效应测量飞机飞行速度的机载导航雷达

多普勒导航雷达是利用多普勒效应测量飞机飞行速度的机载导航雷达，与机上航向设备、导航计算机等组成自主式航位推算多普勒导航系统。

多普勒导航雷达

多普勒效应用于飞机导航的研究开始于1945年末。随后,美国研制出第一个多普勒导航系统AN/APN-66 。后来很多国家也相继开展多普勒雷达的研制工作。50年代，研制和生产出多种类型和用途的多普勒导航雷达。60年代，多普勒导航雷达在理论、技术和应用上趋于成熟。此后，主要工作是使设备减轻重量、小型化和多功能，提高可靠性和同其他设备组合使用。　工作原理　机上的多普勒导航雷达（图1）向地面发射电磁波，因飞机与电磁波照射的地面之间存在相对运动，雷达接收到地面回波的频率fr与发射电磁波的频率ft相差一个多普勒频率fd式中V为飞机的飞行速度,一般为空速和风速的合成速度；γ为速度V与雷达波束轴线之间的夹角。

已知飞机的俯仰角θ、侧滚角ζ时，在图1的地平坐标系中可把V分解成沿坐标轴x、y、z的三个速度分量Vx、Vy、Vz。仅由上式不能解算出这三个速度分量。至少须有三个波束,测出三个独立的多普勒频率fd1、fd2、fd3，才能解算出Vx、Vy、Vz。这样，可分别求出飞机的地速w和偏流角α因此，多普勒导航雷达实际上是机载的飞机速度传感器或地速、偏流角传感器。　设备组成　多普勒导航雷达由发射机、接收机、天线系统、频率跟踪器、偏流角和地速解算器、指示器等部分组成（图2）。①发射机：产生稳定的射频振荡，工作于厘米波波段。②接收机:接收和放大地面回波信号,分离出含有飞机相对地面运动信息的多普勒频率。由于天线波束有一定宽度，多普勒频率实际上是类似钟形的多普勒频谱。③天线系统：产生多个针状或扇形定向波束，向地面发射电磁波，接收地面回波。天线系统一般包括馈线、收发开关、波束开关和天线。常用的天线是缝隙波导阵天线（见缝隙天线）或喇叭透镜天线（见喇叭天线、透镜天线）。④频率跟踪器：将接收机输出的多普勒频谱变换成便于测量的单频，对准并跟踪多普勒频谱的中心频率。频率跟踪器中还设有信噪比测量电路和控制电路，以避免错误跟踪和保证连续可靠的工作。⑤偏流角和地速解算器：根据频率跟踪器输出的多普勒频率和陀螺系统输出的俯仰、侧滚数据、计算出偏流角和地速，送至导航计算机进行航位推算，同时输送至指示器。⑥指示器：指示飞机的地速和偏流角数据。

类型　多普勒导航雷达的载波调制方式可分为简单连续波方式、窄脉冲调制方式、间断连续波方式、正弦调频连续波方式和伪随机码移频键控方式。调制方式对多普勒导航雷达的性能有很大影响，如能否测量零速度、负速度、垂直速度，能否测高，以及雷达的最低工作高度和最高工作高度，适应机动飞机的能力，雷达的体积和重量等。不同调制方式的多普勒导航雷达各有优缺点。

多普勒导航雷达天线有两种安装方式。一种是将天线安装在平台上，平台伺服系统使天线平面与地面保持平行。偏流角伺服系统使天线在平台平面内转动，对偏流角进行跟踪，天线纵轴与平台纵轴间的夹角即为偏流角。把来自天线前左（右）、后右（左）两波束接收的回波相互差拍，得到多普勒频率，它正比于地速。这种安装方式用于窄脉冲调制多普勒导航雷达。另一种是将天线固联在飞机机体上。这时发射机向接收机提供稳定的相干本地振荡，与天线接收的回波进行差拍，得到多普勒频率。根据测出的多个多普勒频率，结合飞机的俯仰、侧滚数据，解算出地速和偏流角。这种安装方式通常用于除窄脉冲调制方式以外的其他调制方式的多普勒导航雷达。这种雷达能测量零速、负速和垂直速度。为了求解飞机的三个速度分量，雷达天线至少产生三个波束，但当已知飞机的攻角时，也可使用双波束天线。双波束采用V形配置。三个或三个以上的波束通常采用Y形或X形配置。窄脉冲调制雷达采用X形波束配置。

性能　多普勒导航雷达测速误差约为0.2%,测偏流角误差约为 ±0.5°。在海面工作时，测速误差可增至4%，经修正后仍可达1%。多普勒导航雷达是机上唯一能精测地速和偏流角的设备，有一定的抗干扰能力，适用于俯仰、翻滚幅度不大的飞行器。多普勒雷达设备主要应用于轰炸机、运输机、侦察机、无人驾驶飞机和直升飞机，在民航飞机上也可使用。

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