Kỹ thuật radar và định vị bằng vệ tinh đỗ trọng tuấn (chủ biên) và những người khác

• • • • ê Đỗ TRỌNG TUẤN (Chủ biên), HÁN TRỌNG THANH, HÀ DUYÊN TRUNG, PHƯƠNG XUÂN QUANG, PHẠM VĂN TUÂN 〇 • ĐỎ TRỌNG TUẤN (Chủ biên) HÁN TRỌNG THANH, HÀ DUYÊN TRUNG PHƯƠNG XUÂN QUANG, PHẠM VĂN TUÂN KỸ THUẬT RADAR V A ĐỊNH VỊ BẰNG VỆ TINH NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI Bản quyền thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội M ọi h in li thức xuất bản, chụp mà khơng có cho phép văn trường v i phạm pháp luật Mã số: 809 - 2012/CXB/02 - 38/BKHN Biên mục xuất phẩm Thư viện Quốc gỉa Việt Nam K ỹ thuật Radar định vị vộ tinh / Đỗ Trọng Tuấn (ch.b.), Hán Trọng Thanh, Hà Duyên Trung - H : Bách khoa Hà N ội, 2 -180ír : hình vẽ, bảng ; 24cm ISBN 9786049111341 Rađa Đ ịn h v ị vệ tinh K ĩ thuật Giáo trình 621.3848-d c !4 BKB0049p-CIP LỜI NĨI ĐÀU Giáo trình “ K ỹ 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 tàng lý thuyết phân tích thiết ke hẹ thống Radar cho sinh viên ngành điện tử viễn thông Ngồi giáo trình cịn đưa ví dụ tập dạng toán học sử dụng phần mềm Matlab giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận lý thuyết thực hành qua phần mềm mô Phần hai giáo trình giơ i thiệu hệ thống định v ị vệ tinh toàn cầu gồm hộ thống GPS hệ thống G ALILEO Phần cung cấp kiến thức tảng kỹ thuật định vị sử dụng vệ tinh hệ thống tăng cường định v ị vệ tinh bố trí mặt đất, máy bay không gian Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Bộ mơn Kỹ thuật thông tin , Viện Điện tử Viễn thông giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành giáo trình Trong lần xuất nhằm đáp ứng yêu cầu đào tạo chuyên ngành Điện từ Hàng Không V ũ trụ Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà N ội, giáo trình không tránh khỏi số hạn chế ^hung xin cảm ơn trân trọng tiếp thu ý kiến đóng góp phản biện nội dung hình thức giáo trình M ọi ý kiến đóng góp xin gửi Viện Điện tử Viễn thơng, trưịrng Đại học Bách Khoa Hà N ội, số Đại Cồ V iệt, Hà Nội Các tác giả M ỤC LỤ C L i n ó i đ ầ u PHÀN I KỸ THUẬT RADAR C h n g TỔ NG Q UAN VÈ R A D A R 1.1 Khái nỉệm 1.2 Mục tỉêu Radar 2.1 Khái niệm 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai chiều 1.2.3 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ ba chiều 1.3 Tằn số Radar 10 1.4 Cự ly Radar .14 1.5 Độ phân giải cự ly 17 1.6 Tần số Doppler 19 1.7 Phân loại Radar .25 1.7.1 Phân loại theo tính ứng dụng 25 1.7.2 Phân loại theo cách thu thập thông tin từ phía mục tiê u 25 1.7.3 Phân loại theo phương thức xạ tín hiệu .26 1.7.4 Phân loại theo vị trí điểm đặt máy phát máy thu hệ thống Radar : .27 1.7.5 Phân loại theo ứng dụng 28 1.8 Nguyên lý nhận tin tức mục tiêu Radar 29 1.8.1 Xử lý cấp - Phát mục tiêu 29 1.8.2 Xử lý cấp - Đo đạc tham số mục tiêu Radar 31 1.8.3 Xử lý cấp - Phân biệt mục tiêu 33 1.8.4 Xử lý cấp - Hỏi đáp, nhận biết mục tiêu 34 1.9 Tính ứng dụng kỹ thuật cùa trạm Radar 35 1.9.1 Tính ứng dụng 35 1.9.2 Tính kỹ thuật 36 1.10 ứng dụng kĩ thuật Radar ngành điện tử hàng không 36 1.10.1 Nhiệm vụ chức điện tử hàng khồng 36 1.10.2 Mơ hình tuyến b a y 38 Bài tậ p .40 C h n g PH Ư Ơ N G TRÌNH R A D A R 41 2.1 Hiện tượng xạ thứ cấp 41 2.2 Đặc trưng mục tiêu Radar 42 2.3 Diện tích phản xạ hiệu dụng RCS 43 2.4 Diện tích phản xạ hiệu dụng Radar số đối tượng b ả n .46 2.4.1 Bề mặt hình cầu 46 2.4.2 Bề mặt Ellipsoid 48 2.4.3 Khảo sát RCS phẳng tròn 49 2.4.4 Hình nón cụt 50 2.4.5 Hình trụ 53 2.5 Đức xạ thứ cấp mục tiêu thực tế 54 2.6 Phương trình Radar .55 2.6.1 Phương trình Radar chủ động sơ cấp .55 2.6.2 Khảo sát phương trình Radar băng mơ 59 2.6.3 Một số ví dụ tính toán 60 Bài tập 62 C h n g KIẾN TRÚC V À NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG R A D A R 64 3.1 Radar sơ cấp 64 3.1.1 Mô hình, sơ đồ khối Radar sơ cấp tập trung bứcxạ xung 64 3.1.2 Biểu đồ thời gian nguyên lý làm việc Radar 66 3.2 Radar thứ c ấ p 69 3.2.1.Sơ đồ khối hệ thống 70 3.2.2 Nguyên lý làm việc 71 3.3 Quan sát mục tỉêu Radar .75 3.3.1 Không gian quan sát 75 3.3.2 Chu kỳ quét cánh sóng Tqcs vận tốc quét cánh sóng Vqcs 77 C h n g XÁC ĐỊNH THAM SỐ MỤC T IÊ U 80 4.1 Đo tham số cự ly .80 4.1.1 Các phương pháp đo cự ly 80 4.1.2 Phương pháp pha 82 4.1.3 Phương pháp tần s ố 83 4.1.4 Đo cự ly phương pháp xung 90 4.1.5 So sánh phương pháp đo cự ly 98 4.2 Đo vận tốc xuyên tâm .98 4.2.1 Đo vận tốc xuyên tâm máy đo vận tốc theoquán tính 98 4.2.2 Đo vận tốc xuyên tâm từ Radar 98 PHÀN íi KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BÀNG VỆ TINH C h n g CÁC PH Ư Ơ N G PHÁP ĐỊNH VỊ BẢNG VỆ T IN H 100 5.1 Sơ lư ợ c phép định vị vệ tin h 101 5.2 Nguyên lý đo cự ly phép định vị vệ tinh 103 5.2.1 Các khái niệm nguyên lý 103 5.2.2 Phương pháp trnyền sóng điện từ 104 5.2.3 Phương pháp đo giả cự ly 106 5.2.4 Phương pháp đo sóng mang liên tục 108 5.2.5 Phương pháp đo pha phách sóng mang 111 5.3 Các nguồn sai số 113 5.3.1 Đồng hồ vệ tinh 114 5.3.2 Đồng hồ máy thu 114 5.3.3 Sai số quĩ đạo vệ tinh 115 5.3.4 Sai số tầng điện ly 115 5.3.5 Sai số tầng đối lưu 116 5.3.6 Nhiễu đa đường 116 5.3.7 Các sai số máy thu 116 5.3.8 Mức suy giảm độ xác hình học (GDOP) 116 5.3.9 Sai số nhân tạo sử dụng tính chọn lọc (Selective Availablility) 117 5.4 Câu hỏi ôn tậ p 117 C h n g HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TO ÀN CẢU G P S 118 6.1 Khái quát hệ thống GPS 118 6.2 Chức quỹ đạo vệ tin h 120 6.3 Cấu trúc tín hiệu GPS 120 6.4 Đặc tính tín hiệu GPS 121 6.5 Phương pháp tạo mã C/A 122 6.6 Bản tin dẫn đường GPS 123 6.7 Dịch ỉần Doppler …126 6.8 Câu hỏi ôn ỉậ p 127 C h n g HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VỆ TINH TOÀN CÀU G A L IL E O 128 7.1 Giới thiệu hệ thống 128 7.1.1 Khái quát chung .； 128 7.1.2 Các dịch vụ cho người sử dụng 129 7.2 Tín hiệu Galileo 129 7.3 Phương thức điều chế BOC 132 7.4 Cấu trúc tin G alileo 134 7.5 Câu hỏi ôn tập 135 C h n g CÁC HỆ TH Ố N G TĂNG CƯ ỜNG ĐỊNH VỊ VỆ T IN H …136 8.1 Khái quát chung 136 8.2 Hệ thống tăng cường máy bay ABAS 136 8.2.1 Chức hệ thống ABAS 136 8.2.2 Đánh giá hệ thống ABAS 137 8.3 Hệ thống tăng cường mặt đắt GBAS 137 8.3.1 Chức nă n g 137 8.3.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 138 8.3.3 Cấu trúc liệu GBAS 139 8.3.4 Đánh giá hệ thống GBAS 140 8.4 Hệ thống tăng cường không gian SBAS 140 8.4.1 Chức nă n g 141 8.4.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động 141 8.4.3 Cấu trúc liệu 154 8.4.4 Các phương thức áp dụng liệu SBAS 156 8.4.5 Đánh giá hệ thống 171 8.4.6 Việc thực áp dụng hệ thống SBAS giới .172 TÀI LIỆU TH AM K H À O .175 DANH MỤC C H Ử V IẾ T T Á T 176 PHẦN I - KỸ THUẬT RADAR Chương TỎNG QUAN VÈ RADAR 1.1 KHÁI NIỆM Radar kỹ thuật hệ thống thiết bị điện tử sử dụng sóng vô tuyến để phát xác định v ị trí vật thể, mục tiêu vùng ktiong gian quan sát Thuật ngữ Radar, viết tắt từ cụm từ Radio Detection And Ranging, vớ i nghĩa tìm kiếm đo đạc sóng vơ tuyến điện, sử dụng hài quân M ĩ vào năm 1940 Từ Thế chiến II khoa học Radar bắt đầu phát triển, chủ yếu phục vụ cho chiến tì*anh Ngày nay, Radar ứng dụng mạnh mẽ nhiều lĩnh vực dân điều khiển không lưu ngành hàng không, giám sát tốc độ giao thơng giám sát khí tượng địa hình, dự báo thời tiết Hiện nay, Radar hiểu thuật ngữ chung cho hệ thống phát hiện, dị tim , thăm dị v ị trí vật thể hay mục tiêu dạng lượng khác nhau, khơng thiết sóng điện từ sóng âm, sóng ánh sáng, hay sử dụng lượng nhiệt K ỹ thuật Radar ngày mở rộng ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, dùng sóng điện từ thăm dị lịng đất (Radar địa thám), thăm dò dự báo thời tiết (Radar thời tiết); dùng sóng âm thăm dị thể người (Sieu âm), thăm dò lòng nước sử dụng kỹ thuật SONAR Hệ thống Radar phát đo đạc tham số mục tiêu từ xa thông qua hệ thống phát, thu xử lý sóng điện từ Nguyên lý Radar phát sóng xạ sóng điện từ định hướng ưong 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 K ill khuếch đại thiết b ị thu, tín hiệu phản xạ cần thiết tách để đưa vào khối phân tích xử lý tín hiệu Radar thu Căn vào thay đổi thơng số hai tín hiệu phát tín hiệu thu được, hệ thống Radar xác định v ị trí mục tiêu thông tin khác mục tiêu (như vận tốc, quỷ đạo ) Trạm Radar Hình 1.1 Nguyên lý Radar 1.2 MỤC TIÊU RADAR 1.2.1 Khái niệm M ục tiêu Radar bao gồm tất đối tượng có khả phản xạ sóng điện từ nằm vùng không gian quan sát hệ thống Radar M ục tiêu Radar đa dạng phân thành hai loại tổng quát mục tiêu nhân tạo: mục tiêu không (như máy bay, tên lửa ), mục tiêu mặt đất (như xe ôtô, xe tăng), mật nước (như loại tàu, thuyền ) mục tiêu có nguồn gốc ưr thiên nhiên (như đám mây, đàn chim, hành tinh ) Hình 1.2 minh họa mục tiêu Radar không phát vùng không gian quan sát cùa hệ thống Radar lắp đặt tàu thủy Hình 1.2 Minh họa mục tiêu Radar 1.2.2 Tham số mục tiêu Radar hệ tọa độ hai chiều Xét mặt phằng phương v ị mặt phẳng nằm ngang tiếp xúc vớ i bề mặt trái đất nơi đặt Radar M ặt phẳng phương v ị chứa bốn phương Đông, Tây, Nam, Bắc tương ứng vớ i bốn chữ viết tắt E (East), w (W est), s (South), N (North) V ị trí toạ độ mục tiêu M mặt phăng phương v ị, xác định bời thơng số: N M Hình 1.3 Tọa độ mục tiêu không gian hai chiều - Cự ly R :là khoảng cách mục tiêu trạm Radar theo tầm nhìn thẳng LOS (Light O f Sight); - Góc phưorng v ị Ọm ' góc tạo bời hướng mục tiêu hướng chuẩn hướng Bắc Tọa độ mục tiêu Radar M tham chieu với gốc tương ứng với v ị trí đặt trạm Radar xác định sau: M(R,cp)ị R = OM (p°M = NÔM (l.l) Sau đo đạc hai thông số ưên ta xác định vị trí M ưong mặt phẳng phương vị Mục ticu M xác định hệ thống Radar Đất - Đất, Biển - Biển sử dụng hệ toạ độ Decartes hai chiều Bộ tham số (R, q>M) tham số toạ độ chưa xác định tính động mục tiêu Đẻ xác định tính động mục tiêu cần bồ 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 phăng phương vị, 'trên mặt phăng phương v ị trạm Radar đặt gốc o, hướng chuẩn hướng Bắc (N) Các mặt phẳng vng góc vớ i mặt phẳng phương v ị gọi mặt phẳng tà (hay mặt phằng đứng) f) Các múc độ bảo vệ Các mức bảo vệ ngang là: 丨K h ， n p a x d m aj 〇r HPLSBAS = (8.17) [^H ,PA x ^ major Các mức bảo vệ dọc là: VPL sbas = K v pa X dv (8.18) Trong đó: \2 d2 x +dị + ▲major K ： (8.19) Phương sai phân bố loi thực theo trục X： ( 8.20) Phương sai phân bó loi thực theo trục y: (8.21) 4=Ễび Hiẹp phương sai phân bo lỗi theo trục X y: N ( 22) ^xy = X Sx,iSy,iơ ? i=i Phương sai phân bố lỗi thực theo trục dọc: = y^sv.iơ? (8.23) i=i - Sx,i：loi vị trí thành phẩn theo trục X xem xét đến gia khoang cách vệ tinh thứ i; - Sy,i：lỗi vị trí thành pnan theo trục y xem xét aen giả khoảng cách vệ tinh thứ i; - Sv,i ： lỗ i vị trí thành phẩn theo trục dọc xem xét đến giả khoảng cách vệ tinh thứ i 166 = + ^ tư L R E + ^ ta ir + ^ tro p o (8.24) Phương sai ơ1 2i,flt 2i,air a 2i,tr〇p〇 Trục X 2ì ， u ir e định nghĩa phán Các tham số xác định thành phấn máy bay y xác định theo mặt phẳng ngang địa phương, trục V biểu diễn trục đứng địa phương Đối với phép giải vị trí bình phương tối thiểu tổng qt, ma trận hình chiếu ^,1 5y,i 5V,1 sx,2 … sxW sy,2 ••• S yW sv,2 … ぶV, sO s í,2 … s t yN (g t ^ W ^ g Ỵ s là: (8.25) \ g t Trong đó: Đối với phép giải nghiệm bình phương tối thiểu khong trọng số, ma trận trọng số định nghĩa ma trận Wi = Gi = [cosEliCOsAzi cosE liS in A ziS in E lil]= h n g thứ i G •• 0 w2 ••• 0 •" (8.26) Wị - Định nghĩa giá tr ị K: K h n p a = ,1 K h pa = ,0 K v ,pa = 5,33 - Xác định mơ hình lỗi hiệu chỉnh nhanh dài hạn: Nếu ấp dụng tham số cự ly GEO hiệu chỉnh nhanh hiệu chỉnh dài hạn, tham số suy giảm sử dụng là: (ƠUDRE + e fc + £rrc + ltc + e er + ỖUDRE) ⑴ 2UDR£ + s2 fc + e2rrc + e2ltc + e2er + §2UDRE ⑵ (1) : RSSudre = (2) : RSSudre = (8.27) Nếu áp dụng tham so cự ly GEO hiẹu chỉnh nhanh hiẹu chỉnh dài hạn, tham so suy giam không sử dụng là: 2flt = (ơudre + 8m )2 (8.28) 16フ Nếu hiệu chỉnh nhanh dài hạn tham số đo cự ly GEO không áp dụng cho vệ tinh thì: 2m= (60)2m2 (8.29) - Độ suy giảm hiệu chỉnh nhanh: Tham số suy giảm liệu hiệu chỉnh nhanh là: 8fc = a(t - tu + tat)2/2 (8.30) Trong đó: t: thời gian tại; tu：(thời gian tham chiếu UDREIj) Nếu IODFj khác 3, thời gian bắt đẩu chu kỳ Is SNT trung khớp với thời điểm bắt đẩu truyền khối liệu chứa thông tin ƯDREIi m ới (các tin loại - 24) phù hợp VỚI IODFj hiệu chỉnh nhanh sử dụng Nếu IODFj = 3, thời điểm bắt đẩu chu kỳ Is SNT trùng khớp với thời điểm bắt đẩu truyền tin chứa hiệu chỉnh nhanh cho vệ tinh thứ i Đối với ƯDRE phát tin loại - 24, tu thời gian áp dụng hiệu chỉnh nhanh chúng tin Đ ói với ƯDRE phát tin loại IODF = 3, tu thời gian áp dụng hiệu chỉnh nhanh (tof) Đối với ƯDRE phát tin loại IODF khác 3, tu xác định thời điểm phát bit tin loại từ vệ tinh GEO - Độ suy giảm hiệu chỉnh mức cự ly: Nếu RRC = e rrc = Nếu RRC IODF ^ 3, tham số suy giảm liệu hiệu chỉnh nhanh là: ⑴ 6rrc (1) (2) ：khi ：khi Nếu RRC (8.31) ⑵ (IODFcurrent - IODFprevious) MOD =1 (IODFcurrent - IODFprevious) MOD ^ IODF = 3, tham số suy giảm cho liệu mức cự ly là: if At- ■ k f a | A t - I fc/2| 168 十 Brrc] At J (8.32) ( t - t of) , if A t - k 关0 Trong đó: t: thời gian tại; IODFcurrcnt：IODF liên kết với hiệu chỉnh nhanh gân nhất; IODFprevious：IODF liên kết với hiệu chỉnh nhanh trước; Ifc：khoảng thời gian người dùng cho hiệu chỉnh nhanh - Suy giảm hiệu chỉnh nhanh dài hạn: Đ ối với vệ tin h GPS GLONASS： V ới mã tóc độ = , tham số suy giảm cho hiệu chỉnh dài hạn vệ tinh thứ i là: Site = Gtcjsb + Citc_vimax(0,ti,LT - t,t - ti.LT - Iitc_vi) (8.33) Đối với mã vận tốc = 0, tham số suy giảm cho hiệu chỉnh dài hạn vệ tinh thứ i là: 6ltc =