劉冬利,張 驛,龐海濱,楊 輝
(1.大連海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,遼寧 大連116026;2.海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系,遼寧 大連116018;3.海軍駐中國(guó)西南電子技術(shù)研究所軍事代表室,成都610036;4.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì),遼寧 大連116018)
三坐標(biāo)雷達(dá)在提供目標(biāo)方位、距離的同時(shí),還通過(guò)測(cè)量目標(biāo)仰角提供高度值,是非常重要的對(duì)空預(yù)警探測(cè)裝備[1]。為保持三坐標(biāo)雷達(dá)良好的工作狀態(tài),需定期對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行標(biāo)定。文獻(xiàn)[2-5]分別介紹了以標(biāo)校塔、高空氣球、移動(dòng)高架有源應(yīng)答源、軍用飛機(jī)或民航ADS-B系統(tǒng)作為雷達(dá)精度標(biāo)定源的標(biāo)定方法。這些方法各有不足之處:標(biāo)校塔和高空氣球的位置固定,資源稀少,進(jìn)行標(biāo)定需要雷達(dá)轉(zhuǎn)場(chǎng),組織實(shí)施不方便;移動(dòng)高架有源應(yīng)答源高度有限,雷達(dá)可測(cè)量的仰角范圍小;軍用飛機(jī)申請(qǐng)程序復(fù)雜,標(biāo)定周期長(zhǎng),實(shí)施成本高;民航ADS-B系統(tǒng)提供的仰角真值與雷達(dá)測(cè)量值時(shí)間對(duì)準(zhǔn)困難,標(biāo)定精度差。另外,這些方法普遍依賴GPS獲取真值,戰(zhàn)時(shí)無(wú)法保證工作可靠性?,F(xiàn)有三坐標(biāo)雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)的標(biāo)定源和真值獲取設(shè)備存在的上述問(wèn)題影響了它們的推廣和應(yīng)用,無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的雷達(dá)裝備保障需求。因此,本文通過(guò)優(yōu)化標(biāo)定源設(shè)計(jì),重新選擇真值獲取設(shè)備,提出了一種利用旋翼無(wú)人機(jī)標(biāo)定三坐標(biāo)雷達(dá)精度的新方法。
標(biāo)定系統(tǒng)主要由標(biāo)定源、真值獲取系統(tǒng)、雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取及解算設(shè)備三部分組成。下面分別對(duì)這三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。
為使標(biāo)定源具有良好的機(jī)動(dòng)性和可探測(cè)性,標(biāo)定源設(shè)計(jì)采用旋翼無(wú)人機(jī)搭載龍伯球角反射體。采用旋翼無(wú)人機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn):連續(xù)飛行時(shí)間長(zhǎng),可保證標(biāo)定期間采集足夠的真值數(shù)據(jù);飛行距離遠(yuǎn),飛行高度可達(dá)1000 m,可標(biāo)定的距離和仰角范圍大;通過(guò)飛控設(shè)備操縱,既可隨時(shí)改變飛行姿態(tài),又能夠?qū)崿F(xiàn)懸停,便于飛行航路規(guī)劃,不需要調(diào)整艦艇姿態(tài)即可標(biāo)定艦載三坐標(biāo)雷達(dá)的所有陣面。無(wú)人機(jī)本身雷達(dá)反射截面積較小,通過(guò)加載龍伯球角反射體能夠顯著提高雷達(dá)回波強(qiáng)度,使其雷達(dá)散射截面積在2 m2以上。
為保證真值數(shù)據(jù)的精度和可靠性,真值獲取系統(tǒng)采用3臺(tái)可實(shí)時(shí)獲取位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)的衛(wèi)星定位接收機(jī)組成的局域差分定位系統(tǒng)[6]。衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用由我國(guó)自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的“北斗”定位系統(tǒng),能夠確保真值獲取系統(tǒng)良好的可靠性和安全性。差分系統(tǒng)采用事后差分處理方式:標(biāo)定時(shí),以一臺(tái)“北斗”終端作為差分定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)站放置在岸上開闊地帶,另外兩臺(tái)作為移動(dòng)站分別安置在旋翼無(wú)人機(jī)和艦艇等效中心處,3臺(tái)“北斗”終端同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。標(biāo)定結(jié)束后,將基準(zhǔn)站和移動(dòng)站記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出,匯總解算出標(biāo)定源的精確位置。值得注意的是,基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的距離在有效范圍內(nèi)應(yīng)盡可能拉大,以提高差分定位精度。
為提高標(biāo)定系統(tǒng)的簡(jiǎn)潔性和可操作性,將雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)錄取與預(yù)處理、真值處理、雷達(dá)測(cè)量誤差解算等功能全部整合到雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取及解算設(shè)備中,上述功能及人機(jī)交互界面通過(guò)運(yùn)行采用VC語(yǔ)言編寫的“雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)軟件”實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取及解算設(shè)備通過(guò)串口等網(wǎng)絡(luò)通信端口與雷達(dá)和真值設(shè)備建立連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。它在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信端口自動(dòng)接入艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)截取雷達(dá)測(cè)量值,在無(wú)人機(jī)飛行結(jié)束后由3臺(tái)“北斗”終端導(dǎo)入真值數(shù)據(jù)。對(duì)獲取的測(cè)量值和真值進(jìn)行必要的處理后,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論最終解算出雷達(dá)系統(tǒng)誤差。
綜上所述,本文提出的三坐標(biāo)雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 標(biāo)定系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 The calibration system structure
根據(jù)以上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分析,圖2給出了整個(gè)標(biāo)定工作流程。
圖2 標(biāo)定工作流程Fig.2 The calibration work process
雷達(dá)精度標(biāo)定要求真值精度至少是雷達(dá)測(cè)量精度的3倍以上。由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的差分定位數(shù)據(jù)精度優(yōu)于1 m,因此由其獲取的距離真值能夠滿足標(biāo)定要求。下面對(duì)仰角真值精度需求進(jìn)行分析。
仰角真值數(shù)據(jù)的誤差Δα主要受真值設(shè)備的高度測(cè)量誤差Δh和標(biāo)定源與雷達(dá)的距離R影響,它們之間的關(guān)系可以用下式表示:
假設(shè)高度測(cè)量誤差Δh分別為1 m、5 m、10 m,對(duì)目標(biāo)距離R和仰角測(cè)量精度Δα之間的關(guān)系進(jìn)行仿真分析,結(jié)果見圖3。
圖3 不同高度測(cè)量誤差下仰角真值誤差與標(biāo)定源距離的關(guān)系Fig.3 The relationship between elevation true value error and distance of calibration resource with different height measurement error
可以看出,為使Δα小于特定值,當(dāng)Δh增大,R的最小值也必須增大。為便于標(biāo)定的組織實(shí)施,應(yīng)利用差分技術(shù)使Δh最小,降低標(biāo)定對(duì)R最小值的要求。另外,雷達(dá)標(biāo)定還要求R的最小值需同時(shí)大于雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)條件和雷達(dá)距離探測(cè)盲區(qū)。由于三坐標(biāo)雷達(dá)的遠(yuǎn)場(chǎng)條件一般小于其距離探測(cè)盲區(qū),因此,艦載三坐標(biāo)雷達(dá)與標(biāo)定源距離R的最小值為其距離探測(cè)盲區(qū)。如圖3所示,當(dāng) Δh為1 m時(shí),R大于1.2 km,則 Δα 小于0.05°。R 為1.2 km時(shí)標(biāo)定源在三坐標(biāo)雷達(dá)的距離探測(cè)盲區(qū)之外,而且Δα為0.05°時(shí)高于雷達(dá)仰角測(cè)量精度數(shù)倍,此時(shí)仰角真值數(shù)據(jù)的精度可以滿足標(biāo)定要求。由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的差分定位精度Δh小于1 m,因此利用其獲取目標(biāo)仰角真值精度能夠滿足三坐標(biāo)雷達(dá)仰角標(biāo)定的要求。同理,也可證明利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取的方位真值數(shù)據(jù)精度能夠滿足三坐標(biāo)雷達(dá)方位標(biāo)定的要求。
標(biāo)定源的航路規(guī)劃就是對(duì)標(biāo)定源的航跡及飛行時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃,主要考慮以下三個(gè)方面因素:一是為確保在標(biāo)定時(shí)獲取足夠的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)有效點(diǎn)數(shù);二是要滿足三坐標(biāo)雷達(dá)標(biāo)定對(duì)于標(biāo)定源仰角和距離的要求;三是便于標(biāo)定活動(dòng)的組織實(shí)施,保證飛行安全。為此,一般選擇無(wú)人直升機(jī)飛行高度在300~500 m(不需要航空管制申請(qǐng)),飛行速度為50 km/h(保持飛行的穩(wěn)定性),連續(xù)有效飛行10 min左右(獲取足夠的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)有效點(diǎn)數(shù))。標(biāo)定源的一體化設(shè)計(jì)就是采用合理的龍伯球角反射器加載方式,使其與無(wú)人直升機(jī)的散射中心重合。那么對(duì)被標(biāo)雷達(dá)而言,無(wú)人直升機(jī)仍然是“點(diǎn)目標(biāo)”,易被標(biāo)定雷達(dá)可靠發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定跟蹤。
真值數(shù)據(jù)處理分為差分定位、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和插值處理三個(gè)步驟。差分技術(shù)分為偽距差分和載波相位差分兩種[7]。大地測(cè)量和工程測(cè)量上常采用載波相位差分技術(shù),就是把基準(zhǔn)站采集的載波相位實(shí)時(shí)發(fā)給用戶接收機(jī),通過(guò)求差解算位置坐標(biāo)。載波相位差分的定位精度可達(dá)厘米級(jí),經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后能夠獲取較高的目標(biāo)仰角、方位角和距離真值精度。差分后的目標(biāo)真值數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系,而雷達(dá)測(cè)量值為站心極坐標(biāo)系。為解算雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)誤差,需統(tǒng)一真值數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系,先將真值數(shù)據(jù)由大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系,再轉(zhuǎn)換到站心極坐標(biāo)系?!氨倍贰闭嬷翟O(shè)備的數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)5 Hz,通過(guò)插值處理,能夠進(jìn)一步增加單位時(shí)間內(nèi)的真值數(shù)據(jù)密度,減小真值數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差,使其能夠最優(yōu)逼近雷達(dá)測(cè)量值時(shí)刻真值。
對(duì)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的錄取主要有三種方式:一是通過(guò)數(shù)據(jù)錄取終端接入水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng),然后截獲作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上雷達(dá)發(fā)送的目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)文;二是從帶目標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的雷達(dá)顯控終端上下載目標(biāo)航跡數(shù)據(jù);三是通過(guò)和雷達(dá)輸出接口匹配的數(shù)據(jù)錄取設(shè)備獲得目標(biāo)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)。為保證錄取設(shè)備的通用性,上述三種方式均應(yīng)考慮。在標(biāo)定過(guò)程中,雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取設(shè)備與三坐標(biāo)雷達(dá)對(duì)接,接收雷達(dá)送出的目標(biāo)數(shù)據(jù),記錄在移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)上。雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)的測(cè)量值與真值必須采用統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn),本系統(tǒng)以“北斗”時(shí)間作為時(shí)間基準(zhǔn)。為保證雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的有效點(diǎn)數(shù),標(biāo)定時(shí)還需合理設(shè)置雷達(dá)掃描速率和數(shù)據(jù)率。
在雷達(dá)標(biāo)定過(guò)程中,受海況、艦船搖蕩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等因素的影響,雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的噪聲和異常的跳變點(diǎn),即通常所稱的“野值”。為避免“野值”對(duì)雷達(dá)標(biāo)定精度造成的不利影響,應(yīng)當(dāng)通過(guò)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理將“野值”予以剔除[2]。為保證標(biāo)定過(guò)程的有效性及標(biāo)定精度,根據(jù)雷達(dá)測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn),測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理采取如下方法和步驟:先利用“小波閾值法”消除噪聲數(shù)據(jù),再利用“外推擬合法”有效剔除野值。其中,野值剔除采用了“3σ”準(zhǔn)則,即從一次差中查出大于3倍標(biāo)準(zhǔn)誤差的誤差點(diǎn)。這里說(shuō)的3倍標(biāo)準(zhǔn)差的標(biāo)準(zhǔn)有兩種做法,一種是用雷達(dá)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)誤差做標(biāo)準(zhǔn),另一種是以雷達(dá)實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差作為標(biāo)準(zhǔn)。為更好地貼近雷達(dá)實(shí)際狀況,應(yīng)采用后一種做法。
根據(jù)該方案制成的樣機(jī)已對(duì)??吭诖a頭上的艦艇進(jìn)行了某型雷達(dá)精度標(biāo)定試驗(yàn)。在航路上設(shè)置4個(gè)航路點(diǎn)構(gòu)成近似平行四邊形形狀,使無(wú)人直升機(jī)沿著“1”→“2”→“3”→“4”4個(gè)航路點(diǎn)定高(300 m)飛行。無(wú)人直升機(jī)飛行過(guò)程中距離艦艇最遠(yuǎn)4.8 km左右,整個(gè)飛行時(shí)間30 min。無(wú)人直升機(jī)的飛行航路如圖4所示。
圖4 無(wú)人直升機(jī)飛行航路Fig.4 The flying route of unmanned gyroplane
試驗(yàn)完畢后,“雷達(dá)標(biāo)定系統(tǒng)軟件”先對(duì)提取出的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行消除噪聲和剔除野值處理,得到有效的測(cè)量值,并依次對(duì)由“北斗”真值設(shè)備獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行差分、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和插值處理,得到目標(biāo)真值。本次試驗(yàn)對(duì)雷達(dá)的仰角、方位角和距離測(cè)量誤差進(jìn)行了標(biāo)定,這里只對(duì)仰角標(biāo)定的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。
圖5顯示了雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)噪聲消除后產(chǎn)生的變化。消除噪聲后,再根據(jù)“3σ”準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中的野值進(jìn)行剔除。圖6為野值剔除后剩余的測(cè)量數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)的對(duì)比。
圖5 噪聲消除前后的目標(biāo)仰角測(cè)量值對(duì)比Fig.5 The comparison of target elevation observed value before and after noise elimination
圖6 剔除野值后目標(biāo)仰角測(cè)量值與真值對(duì)比Fig.6 The comparison of target elevation observed value and true value after outliers eliminating
為保證雷達(dá)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠,必須獲取足夠的測(cè)量點(diǎn)數(shù)。雷達(dá)試驗(yàn)的最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)與測(cè)量值估計(jì)精度和試驗(yàn)對(duì)象設(shè)備的精度有關(guān)[8]。根據(jù)本次試驗(yàn)對(duì)象的技術(shù)性能參數(shù),計(jì)算得出標(biāo)定所需最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)為25。這里選取目標(biāo)仰角變化較大的30個(gè)連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)野值剔除后剩余28個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù),能夠滿足雷達(dá)標(biāo)定對(duì)于測(cè)量點(diǎn)數(shù)的要求。
在完成對(duì)目標(biāo)仰角測(cè)量值和真值的一系列預(yù)處理過(guò)程后,通過(guò)解算得出了三坐標(biāo)雷達(dá)仰角測(cè)量的系統(tǒng)誤差,證明了該系統(tǒng)的可用性。三坐標(biāo)雷達(dá)的維修保障人員可以根據(jù)標(biāo)定結(jié)果對(duì)雷達(dá)仰角測(cè)量的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正。
本文針對(duì)三坐標(biāo)雷達(dá)在實(shí)際使用中及維修后缺乏精度標(biāo)定設(shè)備,對(duì)三坐標(biāo)雷達(dá)精度標(biāo)定方法及工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究,提出了采用搭載龍伯球和“北斗”定位系統(tǒng)的旋翼無(wú)人機(jī)作為標(biāo)定源,以差分定位為真值獲取手段的雷達(dá)標(biāo)定新方法。該方法獲取的真值精度高,標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠,能夠如實(shí)反映雷達(dá)系統(tǒng)誤差大小。與傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)定方法相比,該方法使用成本低,組織工作簡(jiǎn)潔,實(shí)施條件寬松,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三坐標(biāo)雷達(dá)全高度、全方位的標(biāo)定,而且可以通過(guò)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種標(biāo)定方式,具有較高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。
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