Radar.pdf

ĐỖ TRỌNG TUẤN (Chủ biên), TRỌNG THANH, HÀ DUYÊN TRUNG, CK.0000059818 NG XUÂN QUANG, PHẠM VĂN TUÂN Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi ĐỎ TRỌNG TUẤN (Chủ biên) HÁN TRỌNG THANH, HÀ DUYÊN TRƯNG PHƯƠNG XUÂN QUANG, PHẠM VĂN TUÂN KỸ THUẬT RADAR VÀ ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH ■ ■ ■ LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Kỹ thuật Radar định vị vệ tinh” bao gồm hai phần Phần trình bày kỹ thuật Radar, tập trung giới thiệu vấn đề Radar: đặc điểm mục tiêu Radar, phương pháp xác định tham số mục tiêu Radar, kỹ thuật quan sát không gian, cấu trúc, nguyên lý hoạt động trạm Radar ứng dụng Giáo trinh cung cấp kiến thức tảng lý thuyết phân tích thiết kế hệ thống Radar cho sinh viên ngành điện tử viễn thơng Ngồi giáo trình cịn đưa ví dụ tập dạng tốn học sử dụng phần mềm Matlab giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận lý thuyết thực hành qua phần mềm mơ phịng Phần hai giáo trình giới thiệu hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu gồm hệ thống GPS hệ thống GALILEO Phần cung cấp kiến thức tảng kỹ thuật định vị sử dụng vệ tinh hệ thống tăng cường định vị vệ tinh bố trí mặt đất, máy bay khơng gian Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật thông tin, Viện Điện tử Viễn thông giúp đỡ tạo điều kiện để hồn thành giáo trình Trong lần xuất nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo chuyên ngành Điện tử Hàng Không Vũ trụ Viện Điện từ Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, giáo trình khơng tránh khỏi số hạn chế Chúng xin cảm ơn trân trọng tiếp thu ý kiến đóng góp phản biện nội dung hình thức giáo trình Mọi ý kiến đóng góp xin gửi Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, số Đại Cồ Việt, Hà Nội Các tác giả Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi MỤC LỤC Lời nói đằu PHÀN I KỸ THUẬT RADAR Chương TỔNG QUAN VÈ R A D A R 1.1 Khái niệm .7 1.2 Mục tiêu R a d a r 1.2.1 Khái n iệ m 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai ch iề u 1.2.3 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ ba chiều 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Tần số R ad ar 10 Cự ly R a d a r 14 Độ phân giải cự ly 17 Tằn số Doppler 19 Phản loại R adar 25 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 Phân loại theo tính ứng dụng 25 Phân loại theo cách thu thập thơng tin từ phía mục t iê u 25 Phân loại theo phương thức xạ tín h iệ u 26 Phân loại theo vị trí điểm đặt máy phát máy thu hệ thống R a d a r ! ! 27 1.7.5 Phân loại theo ứng dụng 28 1.8 Nguyên lý nhận tin tức mục tiêu R ad ar 29 1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4 Xử Xử Xử Xử lý lý lý lý cấp cáp cấp cáp - Phát mục tiê u 29 Đo đạc tham số mục tiêu R a d a r 31 Phân biệt mục tiê u 33 Hỏi đáp, nhận biết mục tiê u 34 1.9 Tính ứng dụng kỹ thuật cùa trạm R a d a r 35 1.9.1 Tính ứng dụng 35 1.9.2 Tính kỹ th u ậ t 36 1.10 ứng dụng kĩ thuật Radar ngành điện từ hàng k h ô n g 36 1.10.1 Nhiệm vụ chức điện tử hàng k h n g 36 1.10.2 Mơ hình tuyến b a y 38 Bài tậ p 40 Chương PHƯƠNG TRÌNH RADAR 2.1 Hiện tượng xạ thứ c ấ p 41 2.2 Đặc trưng cùa mục tiêu R a d a r 42 2.3 Diện tích phản xạ hiệu dụng R C S 43 2.4 Diện tích phản xạ hiệu dụng Radar số đối tượng b ả n 46 2.4.1 Bề mặt hình c ầ u 2.4.2 Bề mặt E llip s o id ị 46 48 2.4.3 Khảo sát RCS phẳng trò n 49 2.4.4 Hình nón c ụ t 50 2.4.5 Hình t r ụ .53 2.5 Bức xạ thứ cấp cùa mục tiêu thực t ế 54 2.6 Phương trình R a d a r 55 2.6.1 Phương trình Radar chủ động sơ c ấ p 55 2.6.2 Khảo sát phương trình Radar băng mơ p hỏ n g 59 2.6.3 Một số ví dụ tính tốn 60 Bài tậ p .62 Chương KIẾN TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG RADAR 64 3.1 Radar s c ấ p 64 3.1.1 Mỏ hình, sơ đồ khối Radar sơ cấp tập trung xạ x u n g 64 3.1.2 Biểu đồ thời gian nguyên lý làm việc R adar 66 3.2 Radar th ứ c ấ p 69 3.2.1 Sơ đồ khối hệ th ố n g 70 3.2.2 Nguyên lý làm v iệ c 71 3.3 Quan sát m ục tiêu R a d a r 75 3.3.1 Không gian quan s t 75 3.3.2 Chu kỳ quét cánh sóng Tqcs vận tốc quét cánh sóng Vqcs 77 Chương XÁC ĐỊNH THAM số MỤC TIÊU .80 4.1 Đo tham số cự l y 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 Các phương pháp đo cự ly 80 Phương pháp p h a 82 Phương pháp tần s ố 83 Đo cự ly phương pháp x u n g 90 So sánh phương pháp đo cự ly 98 4.2 Đo vận tốc xuyên tâ m 98 4.2.1 Đo vận tốc xuyên tâm máy đo vận tốc theo quán tín h .98 4.2.2 Đ o vận tốc xuyên tâm từ R a d ar 98 PHÀN II KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BÀNG VỆ TINH Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ BÀNG VỆ TINH 100 5.1 S lư ợ c p h ép định vị vệ t in h 101 5.2 Nguyên lý đo cự ly phép định vị vệ tin h 103 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 Các khái niệm nguyên lý b ả n .103 Phương pháp truyền sóng điện t 104 Phương pháp đo giả cự ly .106 Phương pháp đo sóng mang liên tục 108 Phương pháp đo pha phách sóng mang 111 5.3 Các nguồn sai s ố 113 5.3.1 Đồng hồ vệ tin h 114 5.3.2 Đồng hồ máy thu 114 5.3.3 Sai số quĩ đạo vệ tin h 115 Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.3.9 Sai số tầng điện ly 115 Sai số tầng đối lưu 116 Nhiễu đa đường 116 Các sai số máy thu 116 Mức suy giảm độ xác hình học (GDOP) 116 Sai số nhân tạo sử dụng tính chọn lọc (Selective Availablỉlity) 117 5.4 Cảu hỏi ôn t ậ p 117 Chương HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CÀU GPS 118 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Khái quát hệ thống G PS 118 Chức quỹ đạo vệ t in h 120 Cấu trúc tín hiệu G P S 120 Đặc tính tín hiệu G P S 121 Phương pháp tạo mã C /A 122 Bản tin dẫn đường G P S 123 Dịch tần D oppler 126 Cảu hỏi ôn tậ p 127 Chương HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CẢU GALILEO 128 7.1 Giới thiệu hệ thố n g 128 7.1.1 Khái quát ch u n g ; 128 7.1.2 Các dịch vụ cho người sử dụng 129 7.2 7.3 7.4 7.5 Tín hiệu G alileo 129 Phương thức điều chế B O C 132 cắu trúc tin G a lile o 134 Câu hỏi ôn tậ p 135 Chương CÁC HỆ THÓNG TĂNG CƯỜNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH 136 8.1 Khái quát chung 136 8.2 Hệ thống tăng cường máy bay A B A S 136 8.2.1 Chức cùa hệ thống A B A S 136 8.2.2 Đánh giá hệ thống A B A S .137 8.3 Hệ thống tăng cường mặt đất G B A S 137 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 Chức n ă n g 137 Cấu trúc nguyên lý hoạt đ ộ n g .138 Cấu trúc liệu G BAS .139 Đánh giá hệ thống G BAS 140 8.4 Hệ thống tăng cường không gian S B A S 140 8.4.1 Chức n ă n g 141 8.4.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt đ ộ n g 141 8.4.3 Cấu trúc liệu 154 8.4.4 Các phương thức áp dụng liệu S B A S 156 8.4.5 Đánh giá hệ thống 171 8.4.6 Việc thực áp dụng hệ thống SBAS g iớ i 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CHỮ VIÉT 175 PHẦN I - KỸ THUẬT RADAR Chương TỔNG QUAN VÈ RADAR 1.1 KHÁI NIỆM Radar kỹ thuật hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vơ tuyến để phát xác định vị trí vật thể, mục tiêu ưong vùng không gian quan sát Thuật ngữ Radar, viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, với nghĩa tìm kiếm đo đạc sóng vơ tuyến điện, sử dụng hải quân Mĩ vào năm 1940 Từ Thế chiến II khoa học Radar bắt đầu phát triển, chủ yếu phục vụ cho chiến tranh Ngày nay, Radar ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực dân điều khiển không lưu ngành hàng không, giám sát tốc độ giao thông giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết Hiện nay, Radar hiểu thuật ngữ chung cho hệ thống phát hiện, dị tìm, thăm dị vị trí vật thể hay mục tiêu dạng lượng khác nhau, không thiết sóng điện từ sóng âm, sóng ánh sáng, hay sử dụng lượng nhiệt Kỹ thuật Radar ngày mở rộng úng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, dùng sóng điện từ thăm dị lòng đất (Radar địa thám), thăm dò dự báo thời tiết (Radar thời tiết); dùng sóng âm thăm dị thể người (siêu âm), thăm dò lòng nước sử dựng kỹ thuật SONAR Hệ thống Radar phát đo đạc tham số mục tiêu từ xa thơng qua hệ thống phát, thu xử lý sóng điện từ Nguyên lý Radar phát sóng xạ sóng điện từ định hướng vùng khơng gian quan sát Nguồn lượng sóng điện từ gặp đối tượng (mục tiêu Radar) phản xạ phần lượng hướng thiết bị thu sóng điện từ trạm Radar Sau khuếch đại thiết bị thu, tín hiệu phản xạ cần thiết tách để đưa vào khối phân tích xử lý tín hiệu Radar thu Căn vào thay đổi thông sổ hai tín hiệu phát tín hiệu thu được, hệ thống Radar xác định vị trí mục tiêu thông tin khác mục tiêu (như vận tốc, quỹ đạo ) Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Năng lượng phản xạ Nảng lượng chiếu xạ Trạm Radar Hình 1.1 Nguyên lý R adar 1.2 MỤC TIÊU RADAR 1.2.1 Khái niệm Mục tiêu cùa Radar bao gồm tất đối tượng có khả phản xạ sóng điện từ nam vùng không gian quan sát hệ thống Radar Mục tiêu Radar đa dạng phân thành hai loại tổng quát mục tiêu nhân tạo: mục tiêu không (như máy bay, tên lừa ), mục tiêu mặt đất (như xe ôtô, xe tăng), trẽn mặt nước (như loại tàu, thuyền ) mục tiêu có nguồn gốc từ thiên nhiên (như đám mây, đàn chim, hành tinh ) Hình 1.2 minh họa mục tiêu Radar không phát vùng khơng 2Ìan quan sát hệ thống Radar lẳp đặt tàu thủy Mục tiêu Radar Hướng chinh Bắc Ĩ1- Hình 1.2 Minh họa mục tiêu R adar 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai chiều Xét mặt phàng phương vị mặt phang nằm ngang tiếp xúc với bề mặt trái đât nơi đặt Radar Mặt phẳng phương vị chúa bốn phương Đông, Tây, Nam, Bắc tương ứng với bốn chữ viết tắt E (East), w (West), s (South), N (North) Vị trí toạ độ mục tiêu M mặt phang phương vị, xác định bời thơng số: N - Cự ly R: khồng cách mục tiêu trạm Radar theo tầm nhìn thẳng LOS (Light O f Sight); - Góc phương vị cpM: góc tạo bỡi hướng mục tiêu hướng chuẩn hướng Bấc Tọa độ mục tiêu Radar M tham chiếu với gốc o tương ứng với vị trí đặt trạm Radar xác định sau: A R=ÕM M ^R- ^ [ (p l = NOM (1.1) Sau đo đạc hai thông số ta xác định vị trí M mặt phang phương vị Mục tiêu M xác định hệ thống Radar Đất - Đất, Biển - Biển sử dụng hệ toạ độ Decartes hai chiều Bộ tham số (R, Ọm) tham số toạ độ chưa xác định tính động mục tiêu Đe xác định tính động mục tiêu cần bổ sung thêm thông số chuyển động vận tốc xuyên tâm Vxt 1.2.3 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ ba chiều Mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc với bề mặt đất chứa đài Radar gọi mặt phẳng phương vị, •ơên mặt phẳns phương vị trạm Radar đặt gốc o hướng chuẩn hướng Bắc (N) Các mặt phẳng vuông góc với mặt phang phương vị gọi mặt phẳng tà (hay mặt phẳng đứng) Ket-noi.com Ket-noi.com kho kho tai tai lieu lieu mien mien phi phi Hình 1.4 Toạ độ mục tiêu không gian ba chiều VỊ trí hay toạ độ mục tiêu M xác định bời thông số sau : Cự ly (Range) R = OM : xác định khoảng cách từ trạm Radar đến mục tiêu M theo tầm nhìn thẳng Góc phương vị (azimuth angle): (Ọ° = NOM' góc hợp hướng mục tiêu hướng Bắc ưong mặt phẳng phương vị Góc tà (elevation angle): ß ° = MÕM' góc hợp đường cự ly R hình chiếu đường cự ly mặt phẳng phương vị Bộ tham số (cp°; ß°) gọi toạ độ góc hay hướng mục tiêu M Độ cao H = M M ' = D.sin ß ° Nếu biết góc ngẩng ß° ta xác định độ cao H ngược lại Vậy vị trí mục tiêu xác định bời ba thông số (D,