利用無人機(jī)標(biāo)定雷達(dá)精度的新方法*

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)

1 引言

三坐標(biāo)雷達(dá)在提供目標(biāo)方位、距離的同時(shí)，還通過測(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)備存在的上述問題影響了它們的推廣和應(yīng)用，無法滿足日益增長(zhǎng)的雷達(dá)裝備保障需求。因此，本文通過優(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人機(jī)標(biāo)定三坐標(biāo)雷達(dá)精度的新方法。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)采用旋翼無人機(jī)搭載龍伯球角反射體。采用旋翼無人機(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。無人機(jī)本身雷達(dá)反射截面積較小，通過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)交互界面通過運(yùn)行采用VC語言編寫的“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。它在無人機(jī)飛行過程中通過網(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

2.2 真值獲取系統(tǒng)精度需求分析

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。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 標(biāo)定源的航路規(guī)劃及一體化設(shè)計(jì)

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。

3.2 真值數(shù)據(jù)處理技術(shù)

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。

3.3 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)提取

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。

3.4 雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理

在雷達(dá)標(biāo)定過程中，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。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)條件簡(jiǎn)介

根據(jù)該方案制成的樣機(jī)已對(duì)停靠在碼頭上的艦艇進(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。無人直升機(jī)飛行過程中距離艦艇最遠(yuǎn)4.8 km左右，整個(gè)飛行時(shí)間30 min。無人直升機(jī)的飛行航路如圖4所示。

圖4 無人直升機(jī)飛行航路Fig.4 The flying route of unmanned gyroplane

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

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)處理過程后，通過解算得出了三坐標(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。

5 結(jié)束語

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，而且可以通過對(duì)旋翼無人機(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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