相对论效应下地面雷达及GPS系统的测距原理与相对论影响

在狭义相对论效应下,推导和研究了地面雷达的测距原理,分别给出上行和下行距离表示式,并与忽略相对论效应的经典测距公式作了比较,给出了相对论修正量。捎带对GPS系统作了类似研究。最后给出算例。 研究表明,在狭义相对论效应下,虽然上、下行距离不相等,但对于应答(或反射)式雷达测距来说,相对论影响可以对消,以致与经典测距公式完全一样。此结论对测距离和的系统同样适用。算例表明:GPS测地面目标时的影响为△R=19.6米,故对于单程测距系统的相对论影响,应予重视和修正。     

关于《狭义相对论》的讨论

本文讨论了在工科院校普通物理教学中讲授狭义相对论的一些问题。着重说明: (1)教科书中常用迈克尔逊-莫雷实验作为狭义相对论的实验基础是不妥当的。 (2)狭义相对论的基本假设可归结为两条:(a)空间和时间是均匀的,由此导致动量守恒与能量守恒;(b)物理定律对所有惯性系都应保持不变,由此导致真空中光速C=1/(ε_0μ_0)~(1/2)在所有惯性系中保持不变。所以说,光速不变并不是狭义相对论的基本假设,洛仑兹变换也很容易在上述两条基本假定下导出。 (3)相对论效应中的动尺收缩与时间膨胀都是由同时概念相对性所导致的,所以应强调同时概念相对性的重要性。 (4)用动量守恒,能量守恒定律来导出相对论动力学部分时,要尽可能做到简而明。     

狭义相对论在变速运动的推广及其运动学效应

根据爱因斯坦的光速不变与相对性原理,特建立在匀速运动的狭义相对论推广到变速运动情况。详细推导了变速运动的洛伦兹变换和速度相加定理;证明光速与变速运动的方向若不相同或相反,则爱因斯坦的光速不变原理将不再成立;还证明变速运动时(匀加速情况),物体的相对速度在理论上可以超过光速,具体给出了此时所需的加速度值与最低持续时间的对应关系;系统研究了变速运动的相对论运动学效应(如:距离间距、时间间距、同时性、多卜勒效应等)。利用变速运动新的多卜勒效应关系,可精化现行雷达测速原理;最后给出例示,以证明此文作用。 此文的原理推广,能方便退化出现行狭义相对论有关全部结果。对从全过程(初始加速、匀速、最后减速)考察目标飞行、粒子试验等,具有良好适应及准确性,因而,在理论及应用上具有重要意义,某些异常结论,会引起学术界的兴趣。     

GPS测量飞行器轨道的数学原理以及轨道的自校准最佳估计

本文给出了利用转发 GPS 方案测量飞行器轨道的数学原理。对多卜勒频移与距离(距离和)变化率的严格时空关系、记录小增量与多卜勒增量间的转换,作了精细推导,可供事后数据处理使用;还给出了用基准接收机数据对转发数据作差分修正后的自校准模型及测量方程组;介绍了轨道最佳估算技术(EMBET)对飞行轨道参数、四个测量通道不同零值以及转发时延的解算方法;结合假想的运载火箭轨道作了精度估计,将动力段轨道分成三段,其估算结果为:σ_x≤0.7米、σ_y≤1.7米、σ_z≤0.7米、σ_x≤0.032米/秒、σ_y≤0.077米/秒、σ_z≤0.026米/秒,这与文[4]逐点估算方法的结果大体一致(测速精度稍差);最后,对只需多卜勒增量而不用伪距信息的无码求解飞行轨道问题,作了简要说明,使 EMBET 技术成为无码解算轨道的一种有效方法。     

《飞行器测控技术》1990年总目录

测控总体 火箭喷焰引起的电离层扰动及其对主动段折射修正的影响 天基雷达监视系统最佳化技术 GPS转发记录和接口系统 欧空局通信卫星监视设施的现状无线电测t (一)P.6一11(二)P.53一59(四)P.75一81(四)P.82一86美国弹道导弹目标特性测量雷达发展简况及其发展趋势雷达光机轴偏差的测量利用甚长基线干涉测量技术跟踪向步卫星利用脉冲载波相位提高距离测量精度的仿真研究‘用于同步轨道确定的地面站天线指向性能雷势目标散射截面的计算 欧洲空间局的新型多用途跟踪系统光测 帧转移电荷招合装置用于高速成象 光学动目标的检测算法遥测 全球…     

综合采用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度

仅用地面雷达跟踪数据评估制导系统的精度,其效果受客观条件限制。研究表明,把GPS(全球定位系统)作为外测资源在精度分析工作中加以利用,则效益显著。本文探讨综合利用GPS和地面雷达测量数据评估制导系统精度的问题。即对飞行试验的导弹,除了采用地面雷达进行跟踪测量外,还假设其装有弹载接收机。该高动态接收机通过弹载天线接收从四颗(以上)卫星发射的信号,该信号提供伪距和伪距变化率数据及广播星历资料。将这些外测数据(GPS数据和雷达数据)与遥测信息结合起来,选定合适的状态参数后,即可建立状态方程和观测方程。本文采用先进的估计技术(尤指U-D型卡尔曼滤波器)可分离出制导系统惯性器件等误差。由于把导弹的遥测速度和位置(修正了已知误差)转化成相应的外测数据并与之求差产生观测量,同时形成相应的测量矩阵。而U-D型卡尔曼滤波器又能将观矢量进行标量化处理,因此综合利用GPS数据和地面跟踪数据,实际上增大了观测矢量的阶数,从而提高了状态估计精度。当仅有其中一种测量手段时,该滤波器仍能正常运算。     

速度状态参数的最优观测几何

本文指出飞行器速度状态参数的测量也存在最优观测几何。对三维球面测速定位系统分析的结果是:测量飞行器速度状态参数的最优布站几何与测量飞行器位置状态参数的最优布站几何完全一致。基线长度则分两种情况,由速度观测元素(距离变化率R)误差传播系数ε_(V1)导出的最优基线长度与测量飞行器位置状态参数的最优基线长度完全一致;而由位置观测元素(距离R)误差传播系数ε_(V2)导出的最优基线长度只在满足β=(x~2 z~2)/y~2<1.5的条件下存在。同时,飞行器速度矢量的模以正比例关系影响位置观测元素误差传播系数的值,速度矢量的方向只影响笛氏坐标系中各速度分量间的精度分配值。     

SATRACK-Ⅰ和SATRACK-Ⅱ导弹跟踪系统的工作经验与设计指标

SATRACK-I是为美国海军战略系统计划局研制的,用来跟踪试飞的“三叉戟-I”型导弹。该系统利用GPS的L_1频率信号、弹载变频转发器、地基接收/记录站以及一套专用的事后处理设备(该设备设在约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室),用以对导弹初始状态、弹道及制导系统误差作最优估计。该系统从1978年沿用至今,进行了50多发试飞导弹的性能估计。本文评价了SATRACK-I系统的性能,其设计精度指标为12.2米和0.015米/秒(1σ/每轴)。由于SATRACK-I的卫星—导弹间是单频线路,所以要用电子密度数学模型来修正电离层的距离及多卜勒误差。本文讨论了所用模型的特点及其性能。目前正在设计的SATRACK-Ⅱ系统将用来跟踪和鉴定“三叉戟-Ⅱ”型试飞导弹。该系统的精度指标为6.1米和0.03米/秒(1σ/每轴)。为达到这些指标,必须使用双频卫星一导弹间线路,并作其它一些系统改进。已选定GPS的L_3频率信号作为第二个频率,这一选择的原因以及其它系统改进将在下面介绍。     

通过电视直播卫星和导航技术卫星进行时间频率比对

本文介绍了通过中型实验直抪卫星(BSE)进行时频抪送的初步实验结果,以及通过导航技术卫星(NTS—1)进行国际时间传递的结果。利用实验直抪卫星BSE作了时/频抪送的初步实验。该卫星的下行线路为12千兆赫,上行线路为14千兆赫。对接收到的电视付载波频率进行了测(旦力),其(矢卜)期(禾文)定度与地西广抪电视系统中的一样好,即σ_y,(10秒)=3×10_(-11)。为了确定一种多卜勒频移抵消技术,试验了以下几种方法,即包括卫星线路在内的相位控制伺服、利用测(旦力)值控制的频率预补偿以及利用卫星轨道数据的频率预补偿技术。利用第一种和第二种方法,控制站上残畄多卜勒频移(旦力)低于1×10~(-12)。利用轨道数据的方法估计能控制到几×10(-11)。所以,如不加任何修正,在日本最远点上的最大多卜勒残值估计为±2×10(-10)。至于时间比对,目前正在进行。在美国航空航天局哥达德中心和海军研究所的支助下,自1978年10月以来,利用NTS—1卫星进行了大约一年的国际时间比对实验。UTC_((USNO))和UTC_((RRL))(美国海军天文台和日本无线电研究所的标准时间之间的时差数据与美国海军天文台搬运钟的数据十分相符。利用Bent研究的模型修正电离层延时后,该数据的标准偏差可减小一半。     

GPS精度控制措施对差分修正的影响

第二批新型GPS卫星能控制标准定位信号(C/A码)的精度,其方法是抖动卫星时钟和扰乱星历数据相结合。这种能力就称精度控制(可用性选择,SA)。差分GPS工作除了能为基准站周围的用户消除电离层、对流层和其它慢变化误差的影响,还能大大减小SA的影响。设计基准站的一项主要技术问题是修正值的更新速率。直到最近还认为要保证5-10米的定位精度,需要每10秒更新一次GPS差分修正值。最近第二批新型GPS卫星发射入轨,就没有把握说这一更新速率已足够。本文介绍了从第二批GPS卫星最近获得的数据进行统计分析的结果,特别是位置、速度变化和相关时间。将差分基准站设备接收这些信号得到的伪距修正值加到导航接收机的伪距上,得到修正值更新速率对差分GPS性能影响的估值。     

GPS确定(地表或空中)运动目标的精确电波折射修正

装载直收式GPS信号(C/A、L_1)接收机,可以确定地表或空中运动目标的位置和速度。为了改进测量精度,本文推导和研究了一套R_c、R_c的精确电波折射修正方法。它采用被测目标空域的实测大气折射参数进行修正,因而可提高修正的真实性和准确性。附录证明了R_c修正的几何意义。     

平均场退火算法在GPS姿态确定中的应用

研究了基于GPS载波相位测量载体姿态的技术 ,采用了精度高速度快的平均场退火算法(MFANN)。MEFANN是竞争性的Hopfield神经网络和随机模拟退火算法结合起来的一种算法 ,用来求解最优姿态确定问题。首先阐述了GPS载波相位姿态测量基本原理 ,接下来建立了姿态测量系统数学模型 ,应用MFANN算法来解算整周模糊度和方位角 ,最后给出了应用MFANN方法求解的实例 ,说明该方法是有效的     

缺口根部小裂纹疲劳扩展特性及闭合效应实验研究

 对LY12CZ铝合金缺口根部疲劳小裂纹闭合特性及扩展行为进行了实验研究。采用光学金相显微镜测量了小裂纹的起裂及扩展。通过测量裂尖后两岸显微硬度压痕随裂纹张开闭合的距离变化,建立了缺口根部角裂纹裂尖附近的裂纹张开位移和载荷的关系,以此确定裂纹的张开应力。根据测得的σ_(op)/σ_(max)及按Newman模型计算的σ_(op)/σ_(max),进行闭合效应修正后算得的小裂纹疲劳扩展速率与实验结果基本符合。在小裂纹的情况下,所得结果与Newman方法所得结果相比,更为接近实际情况。     

利用甚长基线干涉测量技术跟踪同步卫星

本文分析比较了用无线电干涉测量跟踪地球同步卫星的四种方法。以类星体为参考的差分甚长基线干涉测量技术(△VLBI)需要用非常灵敏的接收机,利用双基线系统可使位置精度达到米级。以卫星为参考的△VLBI使用简单、便宜的接收机,所得精度稍低一些。非差分VLBI利用GPS进行不太精确的传播修正及时钟校准,双基线系统的定位精度仍可达5～10米。对于倾角较大的轨道,这四种干涉测量方法都能用单基线给出上述定位精度的六个卫星状态分量。     

铍的微屈服强度测试研究

本文研究了惯性器件用铍材的微屈服强度的测试方法。通过对试样加载、卸载和用电阻应变计测量残余应变的手段,测定了RJY-40和RY-40铍的微屈服强度σ_(Mys)(10×10~(-6))和σ_(Mys)(5×10~(-6))。分析讨论了微应变测量仪器、试验温度,以及加载串偏心度等因素对微屈服强度测试的影响。     

用新的雷达校准和性能监视方法改善飞行试验的数据

性能更高的现代武器系统的飞行试验,要求靶场提供更加精确而一致的测量数据。外测系统测量导弹的位置和速度,是一种独立的外部数据源,用以鉴定武器系统符合设计指标的程度。虽然新的测量系统(例如GPS全球定位系统)提供弹道数据的作用在日益增加,但在最近一段时间,跟踪雷达和光测系统仍将是主要的数据源。按目前西部导弹卫星试验中心(以下简称西试验中心)所用的方法,测定雷达系统的误差并予以修正,是可以改善雷达的数据的。在测定雷达系统的误差和监视C波段雷达总性能方面,GEOS-3和安排在1984年发射的GEOSAT这类卫星起着重要的作用。利用GEOS卫星已经发现了许多问题,如果不予解决,将会大大降低保障导弹和飞机试验用的雷达数据的质量。     

修正极坐标系下雷达与ESM航迹对准关联

研究了存在系统误差时修正极坐标系(MPC)下的雷达与电子支援措施(ESM)航迹关联问题。系统误差导致MPC下雷达和ESM的角度估计产生偏移,而对角度变化率、距变率与距离的比值(ITG)的估计影响不大;结合非中心卡方分布的知识,分析了雷达与ESM的测量误差对非中心参数和正确关联概率的影响;提出了一种基于积分重合度的雷达与ESM航迹对准关联算法。首先将雷达与ESM的目标映射到角度-角度变化率空间,分别得到了雷达与ESM的目标曲线,然后对两目标曲线求积分重合度,估计出雷达与ESM测角系统误差的偏移量,对偏移量补偿后进行雷达与ESM的航迹关联。仿真结果表明,本文所提算法能有效地提高存在系统误差时雷达与ESM正确航迹关联概率。     

控制翼缝隙流传热实验研究

在Μ_∞=6.5—10,Re_∞=(0.35—3.5)×10~7m~(-1)的来流条件下测量了平板-控制翼上及其展向缝隙内的热流分布,以考察缝隙宽、翼偏转角、缝入口唇缘形状、来流参数对缝内外气动热的影响。     

GPS在弹道导弹跟踪中的应用

在弹道导弹的试验和鉴定过程中,需要精确测定时空信息(TSPI)。出于靶场安全考虑,试验时要对弹道导弹进行跟踪,炸毁失灵的导弹;为鉴定导弹的制导系统,要精确地确定导弹的弹道。过去,用测量雷达跟踪的TSPI精度不够,对弹道的确定更是如此。如果导弹从远海发射,或是同时要跟踪多个目标,那么,雷达用于靶场安全也会力不从心。对于外测跟踪或精密弹道确定,GPS转发跟踪系统可以记录全程飞行情况,供事后分析,而且还可以根据需要多次重放,以使跟踪滤波器最佳化。     

阿里安运载火箭飞行试验用的C波段雷达的卫星校准

在欧洲阿里安运载火箭试射以前,法国国家航天研究中心对设置在法属圭亚那库鲁发射场和巴西纳塔尔站的雷达组织了一次校准会战。本文首先介绍校准用的设备并说明选择这些设备的理由。我们用了以下设备: (1)美国GEOS-3卫星上的三个有关设备;C波段雷达应答机、激光反射器、供多普勒测量用的162-324兆赫发射机; (2)设在库鲁、纳塔尔和图卢兹的多普勒接收机; (3)美国的激光测量结果; (4)法国国家航天研究中心的计算设施(图卢兹和库鲁的计算中心)。其次介绍一下在初校、设备同步和操作协调等阶段所遇到的各种问题。接着介绍所做的处理工作: ——用多普勒测量值求得质量好的当地轨道根数集; ——将此轨道同激光测量值进行比较; ——鉴定各种雷达误差模型(垂直度、正交度、对准度、偏倚……); ——在同一处理过程中分离出雷达模型和轨道根数; ——进行自校准文章的最后部分介绍了处理的结果和这次校准会战的经验教训。所达到的鉴定精度为:对误差模型的参数来说为10-20微弧度,距离为几米,角度约几微弧度(此为最后处理所得的精度)。主要的经验教训有: ——做好校准会战的准备工作——做好设备的同步——选择一种好的雷达参数和轨道根数的处理方法(求解法) ——建议用精度较低但便于实现的简便的自校准方法。