都卜勒導航雷達利用都卜勒效應測量飛機飛行速度的機載導航雷達，與機上航向設備、導航計算機等組成自主式航位推算都卜勒導航系統。
基本介紹
- 中文名：都卜勒導航雷達
- 利用：都卜勒效應
- 類型：機載導航雷達
- 套用：機上航向設備
正文,
正文
利用都卜勒效應測量飛機飛行速度的機載導航雷達，與機上航向設備、導航計算機等組成自主式航位推算都卜勒導航系統。都卜勒效套用于飛機導航的研究開始於1945年末。隨後,美國研製出第一個都卜勒導航系統AN/APN-66 。後來很多國家也相繼開展都卜勒雷達的研製工作。50年代，研製和生產出多種類型和用途的都卜勒導航雷達。60年代，都卜勒導航雷達在理論、技術和套用上趨於成熟。此後，主要工作是使設備減輕重量、小型化和多功能，提高可靠性和同其他設備組合使用。 工作原理 機上的都卜勒導航雷達（圖1）向地面發射電磁波，因飛機與電磁波照射的地面之間存在相對運動，雷達接收到地面回波的頻率fr與發射電磁波的頻率ft相差一個都卜勒頻率fd式中V為飛機的飛行速度,一般為空速和風速的合成速度；γ為速度V與雷達波束軸線之間的夾角。
已知飛機的俯仰角θ、側滾角ζ時，在圖1的地平坐標系中可把V分解成沿坐標軸x、y、z的三個速度分量Vx、Vy、Vz。僅由上式不能解算出這三個速度分量。至少須有三個波束,測出三個獨立的都卜勒頻率fd1、fd2、fd3，才能解算出Vx、Vy、Vz。這樣，可分別求出飛機的地速w和偏流角α因此，都卜勒導航雷達實際上是機載的飛機速度感測器或地速、偏流角感測器。 設備組成 都卜勒導航雷達由發射機、接收機、天線系統、頻率跟蹤器、偏流角和地速解算器、指示器等部分組成（圖2）。①發射機：產生穩定的射頻振盪，工作於厘米波波段。②接收機:接收和放大地面回波信號,分離出含有飛機相對地面運動信息的都卜勒頻率。由於天線波束有一定寬度，都卜勒頻率實際上是類似鐘形的都卜勒頻譜。③天線系統：產生多個針狀或扇形定向波束，向地面發射電磁波，接收地面回波。天線系統一般包括饋線、收發開關、波束開關和天線。常用的天線是縫隙波導陣天線（見縫隙天線）或喇叭透鏡天線（見喇叭天線、透鏡天線）。④頻率跟蹤器：將接收機輸出的都卜勒頻譜變換成便於測量的單頻，對準並跟蹤都卜勒頻譜的中心頻率。頻率跟蹤器中還設有信噪比測量電路和控制電路，以避免錯誤跟蹤和保證連續可靠的工作。⑤偏流角和地速解算器：根據頻率跟蹤器輸出的都卜勒頻率和陀螺系統輸出的俯仰、側滾數據、計算出偏流角和地速，送至導航計算機進行航位推算，同時輸送至指示器。⑥指示器：指示飛機的地速和偏流角數據。
類型 都卜勒導航雷達的載波調製方式可分為簡單連續波方式、窄脈衝調製方式、間斷連續波方式、正弦調頻連續波方式和偽隨機碼移頻鍵控方式。調製方式對都卜勒導航雷達的性能有很大影響，如能否測量零速度、負速度、垂直速度，能否測高，以及雷達的最低工作高度和最高工作高度，適應機動飛機的能力，雷達的體積和重量等。不同調製方式的都卜勒導航雷達各有優缺點。
都卜勒導航雷達天線有兩種安裝方式。一種是將天線安裝在平台上，平台伺服系統使天線平面與地面保持平行。偏流角伺服系統使天線在平台平面內轉動，對偏流角進行跟蹤，天線縱軸與平台縱軸間的夾角即為偏流角。把來自天線前左（右）、後右（左）兩波束接收的回波相互差拍，得到都卜勒頻率，它正比於地速。這種安裝方式用於窄脈衝調製都卜勒導航雷達。另一種是將天線固聯在飛機機體上。這時發射機向接收機提供穩定的相干本地振盪，與天線接收的回波進行差拍，得到都卜勒頻率。根據測出的多個都卜勒頻率，結合飛機的俯仰、側滾數據，解算出地速和偏流角。這種安裝方式通常用於除窄脈衝調製方式以外的其他調製方式的都卜勒導航雷達。這種雷達能測量零速、負速和垂直速度。為了求解飛機的三個速度分量，雷達天線至少產生三個波束，但當已知飛機的攻角時，也可使用雙波束天線。雙波束採用V形配置。三個或三個以上的波束通常採用Y形或X形配置。窄脈衝調製雷達採用X形波束配置。
性能 都卜勒導航雷達測速誤差約為0.2%,測偏流角誤差約為 ±0.5°。在海面工作時，測速誤差可增至4%，經修正後仍可達1%。都卜勒導航雷達是機上唯一能精測地速和偏流角的設備，有一定的抗干擾能力，適用於俯仰、翻滾幅度不大的飛行器。都卜勒雷達設備主要套用於轟炸機、運輸機、偵察機、無人駕駛飛機和直升飛機，在民航飛機上也可使用。
已知飛機的俯仰角θ、側滾角ζ時，在圖1的地平坐標系中可把V分解成沿坐標軸x、y、z的三個速度分量Vx、Vy、Vz。僅由上式不能解算出這三個速度分量。至少須有三個波束,測出三個獨立的都卜勒頻率fd1、fd2、fd3，才能解算出Vx、Vy、Vz。這樣，可分別求出飛機的地速w和偏流角α因此，都卜勒導航雷達實際上是機載的飛機速度感測器或地速、偏流角感測器。 設備組成 都卜勒導航雷達由發射機、接收機、天線系統、頻率跟蹤器、偏流角和地速解算器、指示器等部分組成（圖2）。①發射機：產生穩定的射頻振盪，工作於厘米波波段。②接收機:接收和放大地面回波信號,分離出含有飛機相對地面運動信息的都卜勒頻率。由於天線波束有一定寬度，都卜勒頻率實際上是類似鐘形的都卜勒頻譜。③天線系統：產生多個針狀或扇形定向波束，向地面發射電磁波，接收地面回波。天線系統一般包括饋線、收發開關、波束開關和天線。常用的天線是縫隙波導陣天線（見縫隙天線）或喇叭透鏡天線（見喇叭天線、透鏡天線）。④頻率跟蹤器：將接收機輸出的都卜勒頻譜變換成便於測量的單頻，對準並跟蹤都卜勒頻譜的中心頻率。頻率跟蹤器中還設有信噪比測量電路和控制電路，以避免錯誤跟蹤和保證連續可靠的工作。⑤偏流角和地速解算器：根據頻率跟蹤器輸出的都卜勒頻率和陀螺系統輸出的俯仰、側滾數據、計算出偏流角和地速，送至導航計算機進行航位推算，同時輸送至指示器。⑥指示器：指示飛機的地速和偏流角數據。
類型 都卜勒導航雷達的載波調製方式可分為簡單連續波方式、窄脈衝調製方式、間斷連續波方式、正弦調頻連續波方式和偽隨機碼移頻鍵控方式。調製方式對都卜勒導航雷達的性能有很大影響，如能否測量零速度、負速度、垂直速度，能否測高，以及雷達的最低工作高度和最高工作高度，適應機動飛機的能力，雷達的體積和重量等。不同調製方式的都卜勒導航雷達各有優缺點。
都卜勒導航雷達天線有兩種安裝方式。一種是將天線安裝在平台上，平台伺服系統使天線平面與地面保持平行。偏流角伺服系統使天線在平台平面內轉動，對偏流角進行跟蹤，天線縱軸與平台縱軸間的夾角即為偏流角。把來自天線前左（右）、後右（左）兩波束接收的回波相互差拍，得到都卜勒頻率，它正比於地速。這種安裝方式用於窄脈衝調製都卜勒導航雷達。另一種是將天線固聯在飛機機體上。這時發射機向接收機提供穩定的相干本地振盪，與天線接收的回波進行差拍，得到都卜勒頻率。根據測出的多個都卜勒頻率，結合飛機的俯仰、側滾數據，解算出地速和偏流角。這種安裝方式通常用於除窄脈衝調製方式以外的其他調製方式的都卜勒導航雷達。這種雷達能測量零速、負速和垂直速度。為了求解飛機的三個速度分量，雷達天線至少產生三個波束，但當已知飛機的攻角時，也可使用雙波束天線。雙波束採用V形配置。三個或三個以上的波束通常採用Y形或X形配置。窄脈衝調製雷達採用X形波束配置。
性能 都卜勒導航雷達測速誤差約為0.2%,測偏流角誤差約為 ±0.5°。在海面工作時，測速誤差可增至4%，經修正後仍可達1%。都卜勒導航雷達是機上唯一能精測地速和偏流角的設備，有一定的抗干擾能力，適用於俯仰、翻滾幅度不大的飛行器。都卜勒雷達設備主要套用於轟炸機、運輸機、偵察機、無人駕駛飛機和直升飛機，在民航飛機上也可使用。
