靶場(chǎng)脈沖測(cè)量雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)

盧雪林，程望東

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

0 引言

目前，雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于靶場(chǎng)測(cè)量。在我國(guó)的靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)的鏈路中，執(zhí)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，一般分布多個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)的雷達(dá)單獨(dú)收發(fā)，并負(fù)責(zé)測(cè)量任務(wù)的某一段，若干套雷達(dá)設(shè)備“串行”起來(lái)，以“接力”的形式完成整個(gè)測(cè)量任務(wù)，即各個(gè)雷達(dá)按照任務(wù)弧段要求一段接一段相互交疊跟蹤。在雷達(dá)鏈跟蹤方式下，各個(gè)雷達(dá)采用相參應(yīng)答方式工作，且工作載頻、脈沖寬度、雷達(dá)重復(fù)周期等基本參數(shù)相同[1]。因此，執(zhí)行測(cè)量任務(wù)的多站雷達(dá)同時(shí)進(jìn)行跟蹤，多個(gè)雷達(dá)應(yīng)答回波信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)的情況下，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)之間相互干擾，影響雷達(dá)的捕獲和跟蹤，甚至導(dǎo)致跟蹤目標(biāo)的丟失[2]。

雷達(dá)組網(wǎng)采用先進(jìn)的時(shí)頻同步技術(shù)可協(xié)同多站雷達(dá)同步工作。采用多站雷達(dá)測(cè)距和測(cè)速算法不僅可以提高雷達(dá)完成任務(wù)的可靠性，還可以提高測(cè)量精度。針對(duì)目前雷達(dá)鏈工作中易出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出了一種靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)組網(wǎng)工作的方法，并分析了該方法的優(yōu)點(diǎn)以及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)的定位精度幾何分布(GDOP)進(jìn)行了仿真。

1 靶場(chǎng)雷達(dá)組網(wǎng)方案

1.1 靶場(chǎng)雷達(dá)組網(wǎng)工作原理

靶場(chǎng)脈沖測(cè)量雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)就是將多套靶場(chǎng)脈沖測(cè)量雷達(dá)的發(fā)射和接收系統(tǒng)組成發(fā)射和接收網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行發(fā)射和接收網(wǎng)絡(luò)資源的配置、管理和運(yùn)用。

雷達(dá)系統(tǒng)組網(wǎng)以一套主動(dòng)雷達(dá)、兩套被動(dòng)雷達(dá)和一套中心控制系統(tǒng)為例，其中每個(gè)雷達(dá)配置高性能的頻率基準(zhǔn)。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

控制中心針對(duì)任務(wù)特點(diǎn)對(duì)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)和接收網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制和管理，可控制每個(gè)站雷達(dá)發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)?？刂浦行目刂浦鲃?dòng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)開(kāi)機(jī)，其他站雷達(dá)的發(fā)射機(jī)處于備份狀態(tài)，主動(dòng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一部天線(xiàn)，被動(dòng)雷達(dá)1和被動(dòng)雷達(dá)2共用主動(dòng)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)。

這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是減少發(fā)射機(jī)同時(shí)開(kāi)機(jī)，可避免多臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)觸發(fā)應(yīng)答機(jī)。應(yīng)答機(jī)在發(fā)射信號(hào)的觸發(fā)下，產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)向各雷達(dá)輻射，各雷達(dá)接收信號(hào)后，將處理后的測(cè)量結(jié)果傳給控制中心，由控制中心再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。

圖1 系統(tǒng)工程原理圖

1.2 靶場(chǎng)雷達(dá)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及算法

1.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

組網(wǎng)雷達(dá)的時(shí)頻同步技術(shù)是其主要關(guān)鍵技術(shù)之一，它完成雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)間同步、頻率相位同步、空間同步、精確三維定位功能。時(shí)間同步由信號(hào)處理分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn);空間同步指各雷達(dá)天線(xiàn)必須同時(shí)照射到同一空間目標(biāo);頻率相位同步指各雷達(dá)的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)必須工作在相同的頻率[3-4]。

時(shí)頻同步系統(tǒng)提供了高精度的定時(shí)，決定了組網(wǎng)雷達(dá)的信號(hào)融合和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合;高精度的頻率和相位同步?jīng)Q定了該雷達(dá)的抗地雜波、海雜波和云雨雜波的高性能指標(biāo);高精度的站址定位精度確保了該雷達(dá)的三角定位精度。

組網(wǎng)雷達(dá)時(shí)頻同步系統(tǒng)為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中復(fù)雜電磁環(huán)境的需要，選擇以微波、光纖鏈路為主要通信信道組成自主同步系統(tǒng)，GPS作為輔助同步手段。

1.2.2 關(guān)鍵算法

靶場(chǎng)組網(wǎng)雷達(dá)關(guān)鍵算法包含測(cè)距和測(cè)速算法等，下面以1個(gè)發(fā)射站和1個(gè)接收站為例介紹測(cè)距和測(cè)速算法。

1)測(cè)距算法

多站測(cè)量首先測(cè)量延時(shí)，然后根據(jù)球面解算距離，測(cè)距原理如圖2所示。

根據(jù)圖2可以解算出目標(biāo)的距離，即

圖2 雷達(dá)雙站測(cè)距原理

2)測(cè)速算法

單站雷達(dá)只能測(cè)量目標(biāo)的徑向速度，而多站雷達(dá)可以測(cè)量目標(biāo)在測(cè)量平面內(nèi)的速度。多站測(cè)量仍然先測(cè)量目標(biāo)的多普勒頻率，再根據(jù)幾何關(guān)系解算，圖3為雙站測(cè)速幾何關(guān)系圖。

圖3 雷達(dá)雙站測(cè)速原理

根據(jù)圖3可以解算出目標(biāo)在雙站平面內(nèi)的多普勒值，即

2 靶場(chǎng)組網(wǎng)雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

靶場(chǎng)脈沖測(cè)量雷達(dá)組網(wǎng)可以改善脈沖測(cè)量雷達(dá)的精度，還能提高完成任務(wù)的可靠性。靶場(chǎng)雷達(dá)組網(wǎng)具體優(yōu)點(diǎn)如下所述。

2.1 改善定位精度

雷達(dá)定位精度受到波束寬度的限制，當(dāng)雷達(dá)跟蹤遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，角度測(cè)量誤差會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)橫向定位產(chǎn)生較大的誤差[5]，原理如圖4所示。

圖4 橫向定位與測(cè)角精度的關(guān)系

當(dāng)目標(biāo)徑向距離為r時(shí)，測(cè)角精度為Δ，則橫向定位誤差為Δ·r，當(dāng)r=100 km，Δ=1 mrad時(shí)，則橫向定位誤差為100 m。

采用多套雷達(dá)組網(wǎng)，可以采用距離三角關(guān)系定位[2]，由于單套雷達(dá)測(cè)距精度很高，可以保證在5 m以?xún)?nèi)。因此，三角定位可大大提高測(cè)控網(wǎng)的定位精度。

2.2 提高測(cè)距和測(cè)速精度

雷達(dá)測(cè)速公式中因相參頻率源不穩(wěn)定引起的誤差為

式中:f0為工作頻點(diǎn);dr為頻率源短期穩(wěn)定度。從中可以看出測(cè)速精度依賴(lài)于雷達(dá)晶振頻率短期穩(wěn)定度和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。

雷達(dá)測(cè)距公式中因基準(zhǔn)頻率引起的誤差為

式中:Δf/f為基準(zhǔn)頻率不準(zhǔn)(目前一般晶振準(zhǔn)確度達(dá)到10-7或10-8);Rmax為最大作用距離。可見(jiàn)測(cè)距精度依賴(lài)于雷達(dá)晶振頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

目前，靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)都配備了各自的頻率源，導(dǎo)致多套雷達(dá)的測(cè)量精度離散性較大，降低了多套雷達(dá)測(cè)量的一致性。雷達(dá)組網(wǎng)采用高穩(wěn)定的頻率源系統(tǒng)和先進(jìn)的時(shí)間同步技術(shù)，可以大大提高各雷達(dá)測(cè)量結(jié)果的一致性，提高測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)距和測(cè)速精度。

2.3 改善避盲時(shí)的精度

脈沖雷達(dá)工作時(shí)都存在發(fā)射盲區(qū)和近地盲區(qū)，單臺(tái)雷達(dá)為了連續(xù)跟蹤目標(biāo)，會(huì)進(jìn)入避盲狀態(tài)，此時(shí)雷達(dá)根據(jù)目標(biāo)距離發(fā)射避盲移相序列脈沖串，由于此種脈沖串在時(shí)間上非等間隔，將導(dǎo)致測(cè)距濾波器的響應(yīng)誤差增大，降低測(cè)距精度。避盲時(shí)序如圖5所示。

圖5 脈沖雷達(dá)避盲時(shí)序圖(N=2)

當(dāng)采用雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)，發(fā)射雷達(dá)進(jìn)入盲區(qū)時(shí)，其他被動(dòng)接收雷達(dá)不會(huì)同時(shí)進(jìn)入盲區(qū)。當(dāng)發(fā)射雷達(dá)進(jìn)入盲區(qū)時(shí)，可以不進(jìn)行避盲工作，正常發(fā)射，這樣被動(dòng)雷達(dá)正常接收應(yīng)答回波信號(hào)，進(jìn)行等間隔處理，保持高精度的測(cè)量。

2.4 減小動(dòng)態(tài)滯后誤差

由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于雷達(dá)有速度、加速度和更高階的導(dǎo)數(shù)分量，距離跟蹤系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生滯后誤差，動(dòng)態(tài)滯后誤差可以寫(xiě)為

通常靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)在進(jìn)行接力測(cè)量時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)主要依賴(lài)于最接近目標(biāo)的某部雷達(dá)，目標(biāo)在飛過(guò)該雷達(dá)仰角最高點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生最大加速度點(diǎn)，導(dǎo)致雷達(dá)產(chǎn)生相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)滯后誤差。此項(xiàng)誤差一般為靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)的最大測(cè)量誤差項(xiàng)。當(dāng)雷達(dá)采用組網(wǎng)技術(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)可選擇動(dòng)態(tài)滯后誤差較小的測(cè)量雷達(dá)，減少動(dòng)態(tài)滯后對(duì)測(cè)量精度的影響。

2.5 提高任務(wù)可靠性

在靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)的鏈路中，對(duì)于某一套雷達(dá)來(lái)說(shuō)，發(fā)射機(jī)的故障率較高，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，執(zhí)行測(cè)量任務(wù)的可靠性和連續(xù)性也就降低了，尤其是當(dāng)這套雷達(dá)位于特殊位置時(shí)。例如在測(cè)量船上，雷達(dá)出現(xiàn)故障時(shí)不易修理，發(fā)射機(jī)的故障就易導(dǎo)致測(cè)量任務(wù)失敗。

在這樣的情況下，靶場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)在執(zhí)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，如果采用被動(dòng)式跟蹤。即在一定的條件下，某一站點(diǎn)雷達(dá)只開(kāi)發(fā)射機(jī)，周?chē)噜彽娜舾烧军c(diǎn)的雷達(dá)只開(kāi)接收機(jī)，這樣就可以提高整個(gè)雷達(dá)測(cè)量鏈路的可靠性，從而提高測(cè)量任務(wù)的可靠性。

3 仿真分析

對(duì)靶場(chǎng)雷達(dá)組網(wǎng)進(jìn)行仿真，觀(guān)察定位精度幾何分布情況。假設(shè)在同一水平面內(nèi)，基線(xiàn)長(zhǎng)度不同的兩雷達(dá)組網(wǎng)，進(jìn)行GDOP仿真。

圖6為基線(xiàn)站間距離40 km，距離GDOP分布圖。圖7為基線(xiàn)站間距離25 km，距離GDOP分布圖。

圖7 短基線(xiàn)GDOP仿真圖

從圖中可發(fā)現(xiàn)，兩站法線(xiàn)方向測(cè)量精度較低，長(zhǎng)基線(xiàn)精度優(yōu)于短基線(xiàn)。因此在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)飛行軌跡，選擇合適的雷達(dá)站點(diǎn)位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

靶場(chǎng)脈沖測(cè)量雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)，可以提高測(cè)量精度和任務(wù)可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，資源合理配置、集中管理，避免多任務(wù)沖突，對(duì)提高靶場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)的性能具有重要的意義。

[1]陳大慶，劉 丹，張 哲，等.臨近空間飛行器地面雷達(dá)組網(wǎng)優(yōu)化仿真分析[J].飛行器控制學(xué)報(bào)，2012，12(6):27-31.Chen Daqing，Liu Dan，Zhang Zhe，et al.Optimized simulation analysis of networked ground-based radars for near space vehicles[J].Journal of Spacecraft TT＆C Technology，2012，12(6):27-31.

[2]Willis N J.Bistatic Radar[M].Raleigh，NC:SciTech Publishing Inc.，2005.

[3]盧雪林.雙多基地雷達(dá)時(shí)頻同步方法研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32(增刊):9-11.Lu Xuelin.Study on time and frequency synchronization system[J].Modern Radar，2010，32(Supplement):9-11.

[4]劉炳奇，肖文書(shū).一種多基雷達(dá)接收信號(hào)相參處理的方法[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(5):30-34.Liu Bingqi，Xiao Wenshu.A coherent signal processing method for multisite radar system[J].Modern Radar，2009，31(5):30-34.

[5]張小寬，劉尚鈔，張晨新，等.隱身目標(biāo)的雙基地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008，30(3):444-446.Zhang Xiaokuan，Liu Shangchao，Zhang Chenxin，et al.Study on the detection technology of bistatic radars for stealthy targets[J].Systems Engineering and Electronics，2008，30(3):444-446.