一種雷達衛(wèi)星標校中的野值剔除方法

王建富，吳金海，鈕俊清，郭佳意

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥230088； 2.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 030027)

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一種雷達衛(wèi)星標校中的野值剔除方法

王建富1，吳金海2，鈕俊清1，郭佳意1

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室，安徽 合肥230088； 2.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 030027)

通過衛(wèi)星標校方式提高雷達系統(tǒng)測量精度時，雷達獲取的測量點跡對標定結果的影響巨大，尤其存在野值點的情況下，雷達系統(tǒng)誤差標定可能失效。提出了基于雷達衛(wèi)星標校的野值剔除方法，首先將測量值與真實星歷值對比，得到雷達的初始系統(tǒng)誤差和隨機誤差，并以此確定測量點跡的波動范圍，排除部分野值；然后利用剔除野值后的數(shù)據(jù)，以同樣的方式確定波動范圍，對測量點跡重新進行野值剔除；最后利用過濾后的測量點跡進行雷達系統(tǒng)誤差的標定。實驗結果表明，該方法得到的雷達系統(tǒng)誤差和隨機誤差變小，能夠提高雷達系統(tǒng)測量精度。

衛(wèi)星標校；野值剔除；系統(tǒng)誤差

0 引 言

系統(tǒng)標定是確保雷達系統(tǒng)測量精度最關鍵的環(huán)節(jié)，其中通過衛(wèi)星對雷達系統(tǒng)進行標定是目前一種常規(guī)且先進的方法。該方法通過比對近地軌道衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)與精密星歷(即精軌數(shù)據(jù))，分析解算出各項誤差系數(shù)，既能克服天氣等因素的影響，又適應了雷達的動態(tài)技術狀態(tài)[1]。

但是在實際的觀測任務中，雷達接收的信號，由于雜波、噪聲或人為干擾，可能存在或多或少的點跡，在距離、方位或仰角上與觀測目標的實際運行軌跡相去甚遠，此類點我們稱為野值點。盡管現(xiàn)代雷達采用了諸多信號處理技術，但是總會遺漏一小部分雜波或干擾信號，從而構成野值點，在衛(wèi)星標校計算時，這些野值點可能造成系統(tǒng)誤差系數(shù)無法反映雷達真實的測量精度，進而導致系統(tǒng)誤差標定失效。本文針對如何剔除野值、提高雷達系統(tǒng)測量精度的問題展開研究。

1 野值介紹

在各種數(shù)據(jù)處理問題中，由于傳感器本身或者數(shù)據(jù)傳輸中的種種原因，都可能造成測量序列中包含某些錯誤的測量值，工程上稱為野值[2]。在雷達系統(tǒng)中，接收的回波信號，經過信號處理、恒虛警檢測等一系列處理后輸出的信號如果超過某個設定的檢測門限，便可判斷為發(fā)現(xiàn)目標[3]。

通過設定門限的方法排除干擾產生的信號，是一種常規(guī)方式。但是門限的設定難以把握，門限設定低會造成較多虛警，門限設定高可能將真實目標排除。雖然信號處理可以過濾絕大多數(shù)的虛假信號，但是虛警信號的遺漏無法避免，因而形成的野值點會給雷達數(shù)據(jù)處理工作帶來十分不利的影響。

1.1 野值成因

野值的出現(xiàn)來自多方面的影響，主要因素如下[4]：

(1) 操作和記錄時的過失，以及數(shù)據(jù)復制和計算處理時所出現(xiàn)的過失性錯誤，由此產生的誤差稱為過失誤差；

(2) 探測環(huán)境的變化，探測環(huán)境的突然改變使得部分數(shù)據(jù)與原先樣本的模型不符合，例如雷達跟蹤時應答機工作狀態(tài)的不穩(wěn)定等；

(3) 實際采樣數(shù)據(jù)中也可能出現(xiàn)另一類異常數(shù)據(jù)，它既不是來自操作和處理的過失，也不是由突發(fā)性強影響因素導致的，而是某些服從長尾分布的隨機變量作用的結果。

1.2 野值對系統(tǒng)標校的影響

無論對雷達系統(tǒng)實時的數(shù)據(jù)處理還是事后數(shù)據(jù)分析，野值的存在都會造成處理結果失真。衛(wèi)星標校中的野值點會導致系統(tǒng)誤差劇烈波動，不同的觀測任務下得到的系統(tǒng)誤差相差較大，無法反映雷達系統(tǒng)的正常狀態(tài)和測量精度，因此對于野值的剔除是十分必要的。但是如果野值剔除算法選擇不當，可能造成野值剔除不理想或者將部分非野值點錯剔的情況。

2 野值剔除算法

本文提出的野值剔除算法對比測量點跡和精軌數(shù)據(jù)，通過多次篩選達到剔除野值的目的。流程如圖1所示。

2.1 計算初始系統(tǒng)誤差和隨機誤差

雷達初始系統(tǒng)誤差和隨機誤差的計算過程如圖2所示。

首先獲取雷達測量數(shù)據(jù)以及對應的衛(wèi)星編號的精密軌道綜合預測格式(CPF)或大地坐標系(WGS)精軌數(shù)據(jù)。由于精軌數(shù)據(jù)采樣周期比較長，所以需要對精軌數(shù)據(jù)進行插值：以測量點跡時間為基準，通過拉格朗日多項式對CPF或WGS精軌數(shù)據(jù)進行插值計算，得到與每個測量點跡相對應的精軌數(shù)據(jù)[5]，拉格朗日插值為：

(1)

式中：li(t)為插值基函數(shù)；n為階數(shù)；ln(t)為內插衛(wèi)星精軌的位置；t即為觀測時刻；xi為精密星歷給出的ti時刻的衛(wèi)星三維坐標(R，A，E)。

然后對精軌數(shù)據(jù)進行坐標轉換，將插值后地心直角坐標系下的精軌數(shù)據(jù)轉換到雷達站心坐標系，與雷達測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

(2)

(3)

2.2 一次野值剔除

得到初始系統(tǒng)誤差和隨機誤差后，進行第1次野值剔除，具體算法流程如圖3所示。

根據(jù)初始系統(tǒng)誤差和隨機誤差，首先通過公式(2)、(3)分別得到原始測量點跡的波動范圍。其中ymin和ymax為測量點跡的距離、方位和仰角的上限與下限，系數(shù)k用于調節(jié)波動范圍，一般取值3～5：

(4)

然后根據(jù)ymin和ymax依次對測量點跡進行篩選，對于不能同時滿足條件(5)的點跡剔除，從而完成第1次野值剔除：

(5)

2.3 二次野值剔除及系統(tǒng)誤差標定

同第1次野值剔除處理相同，在進行第2次野值剔除時首先通過公式(4)確定原始測量點跡的波動范圍；然后根據(jù)條件(5)對所有的原始點跡進行野值判斷；最后根據(jù)篩選得到的測量點跡以及對應的精軌數(shù)據(jù)通過公式(2)、(3)得到最終的雷達系統(tǒng)誤差和隨機差。具體流程如圖4所示。

3 實驗效果

已知某脈沖測量雷達安裝調試后參數(shù)如下：

(1) 雷達參數(shù)：最大作用距離R≥ 3 000 km；測距隨機誤差σR=5 m；測角隨機誤差σθ=0.15 mrad；目標發(fā)現(xiàn)仰角E=5°。

(2)衛(wèi)星參數(shù)：衛(wèi)星NASA，編號39451、39452、39453。

在野值剔除之前得到測量點跡和精軌數(shù)據(jù)的一次差結果如圖5所示，存在比較明顯的野值點。通過本文的算法篩選后，各個變量下的野值都被排除，k=5。具體結果如表1所示，從實驗結果可以看出，野值剔除后雷達的系統(tǒng)誤差和隨機誤差顯著穩(wěn)定，有助于提升雷達測量精度。

表1 野值剔除前后雷達系統(tǒng)誤差和隨機差的比較

4 結束語

野值的存在對于雷達數(shù)據(jù)處理非常不利，嚴重影響雷達誤差標定的效果。為了更加可靠地得到雷達的系統(tǒng)誤差，本文提出一種野值剔除方法，該方法根據(jù)測量值與真實星歷值，首先得到雷達的初始系統(tǒng)誤差和隨機誤差，并以此完成第1次野值剔除，進而以同樣的方式利用剔除野值后的測量點跡與真實星歷值進行二次野值剔除，并得到最終的雷達系統(tǒng)誤差。通過實驗驗證了本文算法的有效性，同時也證明了野值剔除的必要性。野值的剔除能夠使標校結果更為客觀、準確、可信。

[1] 郭佳意，鈕俊清.雷達衛(wèi)星標校的工程實現(xiàn)研究[J].空軍預警學院學報,2014,28(3):165-167.

[2] 秦勤.雷達目標跟蹤濾波算法的研究[D].大連:大連海事大學,2006.

[3] 何友.雷達數(shù)據(jù)處理及應用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[4] 胡紹林,孫國基.靶場外測數(shù)據(jù)野值點的統(tǒng)計診斷技術[J].宇航學報,1999,20(2)：68-74.

[5] 趙輝, 張書畢, 張秋昭,等.基于質心拉格朗日插值的GPS軌道標準化方法[J].全球定位系統(tǒng)，2011,36(2):15-18.

AnOutlierEliminationMethodinSatelliteCalibrationforRadar

WANG Jian-fu1,WU Jin-hai2,NIU Jun-qing1,GUO Jia-yi1
(1.Key Lab of Aperture Array and Space Application,No.38 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China; 2.Taiyuan Satellite Launch Center,Taiyuan 030027,China)

In the process of improving the measurement precision of radar system through satellite calibration mode,the original measured trace obtained from radar has a great influence on the calibration results.Especially with outliers existing,the calibration for the radar system error ceases to be effective.In this paper,an outlier elimination method based on satellite calibration for radar is proposed.Firstly,by contrasting the measured value to real value of the same satellite track,the initial radar system error and random error are achieved,which is used to get the fluctuate range of measured trace and further to remove partial outliers.Then in the same way,uses the measured trace after outlier elimination,the new fluctuate range is determined and used to eliminate outliers.At last the satellite calibration of radar system error is carried on by using the measured value after the second outlier elimination.Experimental results show that the radar system error and random error achieved by the proposed approach become small,which can improve the measurement precision of radar system.

satellite calibration;outlier elimination;system error

2017-03-06

TN957.51

：A

：CN32-1413(2017)03-0054-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.013