一種基于全站儀的跟蹤雷達(dá)零位校準(zhǔn)方法

李 龍 萬 軍 武 斌

(中國(guó)兵器裝備集團(tuán)(成都)火控技術(shù)中心 成都 611731)

0 引言

精密跟蹤雷達(dá)作為防空火控跟蹤雷達(dá)，是近程火控防御系統(tǒng)的關(guān)鍵武器設(shè)備，是一種具有較高跟蹤精度的單目標(biāo)跟蹤雷達(dá)，其主要任務(wù)就是提供目標(biāo)精確的距離、方位和俯仰(R、A、E)坐標(biāo)位置。隨高新科技的發(fā)展，作為現(xiàn)代近程防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)對(duì)象的各種高性能飛機(jī)及彈類攻擊性武器也得到迅猛發(fā)展，對(duì)跟蹤雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能如穩(wěn)定跟蹤能力和測(cè)量精度提出了更高的要求。為精確提供目標(biāo)位置信息(即高精度的距離、角度信息)，跟蹤雷達(dá)的軸系精度也需提高，才能為解算目標(biāo)信息提供精確的基準(zhǔn)。因此跟蹤雷達(dá)總調(diào)過程中的軸系校準(zhǔn)至關(guān)重要，其測(cè)試條件、調(diào)試過程、驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)必須給予重視。隨著武器安裝平臺(tái)的多樣化，跟蹤雷達(dá)天線安裝形式也隨之變化，軸系標(biāo)校難度增加，操作性程度減弱，隨著光學(xué)測(cè)量?jī)x器精度的提高，利用高精度的全站儀對(duì)跟蹤雷達(dá)天線俯仰零位進(jìn)行校準(zhǔn)，簡(jiǎn)化測(cè)量方法并且降低測(cè)量難度。通過某型號(hào)精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程驗(yàn)證了其實(shí)用性和有效性，經(jīng)工程實(shí)踐試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明此零位校準(zhǔn)方法具有良好的工作效能。

1 跟蹤雷達(dá)軸系組成

跟蹤雷達(dá)天線經(jīng)轉(zhuǎn)接板安裝在天線座方位-俯仰倒“π”字型支撐架上，保護(hù)天線的玻璃鋼天線罩安裝在天線前端。跟蹤雷達(dá)天線安裝狀態(tài)如圖1所示。跟蹤雷達(dá)天線陣面機(jī)械軸的標(biāo)校，其目的是要找出平面天線陣輻射面法線方向(即平面天線陣輻射法線的方位和俯仰零位值)。

圖1 跟蹤雷達(dá)天線安裝狀態(tài)示意圖

跟蹤雷達(dá)的軸系[1-2](如圖2所示)一般意義上包括光軸、電軸和機(jī)械軸。一般對(duì)光軸、電軸和機(jī)械軸的定義如下：

1)光軸：校靶鏡中心與從校靶鏡中觀察到的十字分劃中心所對(duì)準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離點(diǎn)之問的連線方向被稱為天線的光軸(即校靶鏡的視準(zhǔn)軸)，光軸的理想位置與電軸平行。

2)電軸：當(dāng)跟蹤雷達(dá)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)自動(dòng)跟蹤，目標(biāo)誤差信號(hào)等于零時(shí)(即天線精確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的情況下)，天線和被自動(dòng)跟蹤目標(biāo)之間的假想連線被稱為天線的電軸，電軸的理想位置應(yīng)與機(jī)械軸重合。

3)機(jī)械軸：由天線系統(tǒng)機(jī)械元件決定的，位于與俯仰軸(天線俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)軸心線)垂直的平面內(nèi)的設(shè)計(jì)計(jì)算電軸(即電軸的理想方向)。

圖2 跟蹤雷達(dá)軸系示意圖

2 標(biāo)校方法

2.1 標(biāo)校要求

光軸是跟蹤雷達(dá)的坐標(biāo)(方位、俯仰)基準(zhǔn)，光軸的理想位置與電軸平行，標(biāo)校的目的實(shí)質(zhì)上就是要保證跟蹤雷達(dá)光軸、電軸和機(jī)械軸保持一致。根據(jù)近程火控防御武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需要，要保證一定精度范圍的軸系一致性，這就是跟蹤雷達(dá)的標(biāo)校精度要求。

跟蹤雷達(dá)機(jī)械加工制造裝配過程中，要先在天線座方位-俯仰倒“π”字型支撐架上安裝一只校靶鏡，天線座俯仰軸嚴(yán)格垂直于光軸。跟蹤雷達(dá)校靶鏡的俯仰軸在光電軸匹配校準(zhǔn)過程中完成，校靶鏡的方位軸利用光學(xué)方法校準(zhǔn)，光軸標(biāo)校后，不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力。由于校靶鏡的視準(zhǔn)軸作為跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)軸，光軸代表了跟蹤雷達(dá)俯仰、方位坐標(biāo)的基準(zhǔn)，跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試過程中的標(biāo)定、檢查，要以光軸為基準(zhǔn)。跟蹤雷達(dá)出廠之前，軸系需經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)和檢驗(yàn)。

2.2 全站儀組成

全站儀[3-4]，即全站型電子測(cè)距儀，由測(cè)角、測(cè)距、數(shù)據(jù)處理、通訊、顯示屏和電源等組成，是集距離、水平角、俯仰角、高程差測(cè)量功能于一體的高技術(shù)測(cè)繪儀器系統(tǒng)。與光學(xué)經(jīng)緯儀相比，電子經(jīng)緯儀為光電掃描度盤，能自動(dòng)記錄和顯示讀數(shù)，使測(cè)量操作簡(jiǎn)單化，可避免產(chǎn)生人為的讀數(shù)誤差。根據(jù)水平角、俯仰角測(cè)角精度，電子全站儀可分為0.1″、0.2″、0.5″、1″、2″和5″等幾個(gè)等級(jí)。

2.3 測(cè)量原理

測(cè)量原理如圖3所示，利用跟蹤雷達(dá)的校靶鏡和全站儀的望遠(yuǎn)鏡。光軸(校靶鏡)標(biāo)校后，不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力，校靶鏡的視準(zhǔn)軸作為跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)軸。在跟蹤雷達(dá)和全站儀都進(jìn)行調(diào)平后，觀測(cè)者利用跟蹤雷達(dá)的校靶鏡和全站儀的望遠(yuǎn)鏡互相對(duì)瞄，當(dāng)兩觀測(cè)者同時(shí)瞄準(zhǔn)對(duì)方物鏡的“+”中心點(diǎn)處，此時(shí)分別記錄兩者俯仰角讀數(shù)，一個(gè)為跟蹤雷達(dá)俯仰值Eradar(單位為mil)，另一個(gè)為全站儀俯仰角值Etotalstation(單位為XX°XX′XX″)。若跟蹤雷達(dá)俯仰零位(即跟蹤雷達(dá)俯仰值為0mil)為大地坐標(biāo)系下的絕對(duì)零位，則兩者讀數(shù)跟蹤雷達(dá)俯仰值的絕對(duì)值|Eradar|和全站儀俯仰角值的絕對(duì)值|Etotalstation|之和應(yīng)為90°，即為式(1)(讀數(shù)要進(jìn)行相應(yīng)單位的換算)。

圖3 測(cè)量原理示意圖

(1)

3 標(biāo)校步驟

3.1 光軸標(biāo)校

1)跟蹤雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)信號(hào)源信標(biāo)喇叭時(shí)，理論上方位、俯仰的角誤差值都應(yīng)為0。首先要進(jìn)行“找零點(diǎn)”，穩(wěn)定跟蹤伺服控制跟蹤雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)標(biāo)信號(hào)源信標(biāo)喇叭，并保持當(dāng)前角度不變，信標(biāo)喇叭發(fā)出信標(biāo)信號(hào)(與跟蹤雷達(dá)工作頻率相同的連續(xù)波)。

2)跟蹤信號(hào)處理采集和、方位差和俯仰差通道間的中頻信號(hào)，獲取相位信息后自動(dòng)完成相位修正標(biāo)校。

3)跟蹤信號(hào)處理加載標(biāo)校得到的相位，穩(wěn)定跟蹤伺服控制跟蹤雷達(dá)天線檢查天線方向圖、測(cè)角誤差線性和測(cè)角誤差極性是否正常。若不正常，則重復(fù)步驟1)～2)。

4)切換跟蹤雷達(dá)工作的各個(gè)頻點(diǎn)，重復(fù)步驟1)～3)，遍歷所有工作頻點(diǎn)。

跟蹤信號(hào)處理校相功能主要由斜率修正單元和相位校正單元實(shí)現(xiàn)，保證滿足跟蹤雷達(dá)測(cè)角精度的要求。斜率修正單元實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)系數(shù)可變的乘法器，其功能由DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)完成；相位校正單元通過數(shù)字移相器對(duì)和信號(hào)進(jìn)行相位修正。光軸標(biāo)校后，不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力，校靶鏡的視準(zhǔn)軸作為跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)軸。

3.2 俯仰軸與零位夾角的測(cè)定

光軸標(biāo)校后，需對(duì)跟蹤雷達(dá)天線機(jī)械軸(方位和俯仰)零位基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定和修正。機(jī)械軸方位零位[6]基準(zhǔn)通常是以正北(大地基準(zhǔn)點(diǎn))為參照，測(cè)量出天線機(jī)械軸方位零位與正北的夾角，即可對(duì)方位零位進(jìn)行修正。主要講述利用全站儀對(duì)天線俯仰零位進(jìn)行測(cè)定的過程，測(cè)定過程簡(jiǎn)述如下。

1)分別對(duì)跟蹤雷達(dá)和全站都進(jìn)行調(diào)平，兩者相距100m左右。

2)利用跟蹤雷達(dá)的校靶鏡和全站儀的望遠(yuǎn)鏡互相對(duì)瞄，當(dāng)兩觀測(cè)者同時(shí)瞄準(zhǔn)對(duì)方物鏡的“+”中心點(diǎn)處，記錄兩者俯仰角讀數(shù)(Eradar和Etotalstation)，為消除人為讀數(shù)誤差，可重復(fù)進(jìn)行3次。

3)為消除跟蹤雷達(dá)調(diào)平帶來水平誤差，在跟蹤雷達(dá)不同方位處(可均勻選擇3個(gè)點(diǎn)位)重復(fù)步驟2)。

4)依據(jù)多組記錄數(shù)據(jù)(Eradar和Etotalstation)，經(jīng)|Eradar|°+|Etotalstation|°=90°計(jì)算，即可得出俯仰軸與零位的夾角(需進(jìn)行均值處理)。

以某部精密跟蹤雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)為例，進(jìn)行俯仰軸與零位夾角的測(cè)定說明。

表1 跟蹤雷達(dá)俯仰軸與零位夾角的測(cè)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以點(diǎn)位A序號(hào)1的數(shù)據(jù)(Eradar=-2.920mil、Etotalstation=89°45′53″)為例，經(jīng)計(jì)算Etotalstation-90°=89°45′53″-90°≈-3.921mil，則可得俯仰軸與零位的夾角為Eradar-(Etotalstation-90°)=1.013mil。

3.3 俯仰零位修正

俯仰零位修正，實(shí)質(zhì)上就是要完成對(duì)俯仰零位的校準(zhǔn)。俯仰軸與零位夾角測(cè)定后，若俯仰軸與零位的夾角不為0，則需對(duì)俯仰零位進(jìn)行修正。以上述的某部精密跟蹤雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)為例，經(jīng)計(jì)算可得俯仰軸與零位的夾角(見表2)。

表2 跟蹤雷達(dá)俯仰軸與零位的夾角數(shù)據(jù)

序號(hào)俯仰軸與零位的夾角點(diǎn)位A點(diǎn)位B點(diǎn)位C備注11.013mil0.951mil1.009mil20.926mil1.038mil1.009mil31.009mil0.951mil0.921mil

對(duì)此9組數(shù)據(jù)(見表2)進(jìn)行均值計(jì)算得俯仰軸與零位的夾角為0.981mil。根據(jù)測(cè)試結(jié)果(均值計(jì)算的俯仰軸與零位夾角)，可通過顯控終端對(duì)俯仰零位進(jìn)行修正。

俯仰零位修正后，可通過第3.2節(jié)“俯仰軸與零位夾角的測(cè)定”的步驟1)～4)，對(duì)俯仰軸與零位的夾角進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)結(jié)果(即均值計(jì)算得到的俯仰軸與零位夾角的絕對(duì)值)應(yīng)≤0.1mil。

4 結(jié)束語

跟蹤雷達(dá)軸系的校準(zhǔn)存在精度差、成本高等問題，對(duì)跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要，軸系校準(zhǔn)的精度要求很高，但實(shí)際上又難以保證。本文提出的基于全站儀的精密跟蹤雷達(dá)俯仰零位校準(zhǔn)方法，已在某精密跟蹤雷達(dá)產(chǎn)品的調(diào)試中使用，得到了實(shí)際的驗(yàn)證，尤其是在外場(chǎng)測(cè)量中更能體現(xiàn)出其簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的特性，具有極大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。