艦載連續(xù)波測量雷達外引導數(shù)據(jù)實時處理方法研究＊

潘佳梁 衣同勝 李 兵

（92941部隊91分隊 葫蘆島 125000）

1 引言

連續(xù)波雷達具有設備簡單，測距精度高，可同時測速等優(yōu)點，越來越多的用于航天飛行器、導彈、軌道衛(wèi)星等的測量和控制，為鑒定武器系統(tǒng)的精度提供可靠的依據(jù)［1～4］，艦載連續(xù)波測量雷達實現(xiàn)了艦載動平臺外彈道測量應用，拓展了測量雷達的應用場合和應用方式。然而，由于艦載連續(xù)波測量雷達采用固態(tài)有源陣列天線，為非相控模式，天線波束指向通過伺服控制，因此自主捕獲能力較弱，采用外引導數(shù)據(jù)引導艦載連續(xù)波雷達捕獲目標后進行穩(wěn)定跟蹤測量。同時，由于艦載平臺本身的位置移動和姿態(tài)晃動特性，對外引導的數(shù)據(jù)處理提出了新的要求，需要在坐標變換過程中消除船體位置移動和姿態(tài)搖晃所帶來的誤差，而且引導數(shù)據(jù)為裝備測量數(shù)據(jù)，需要進行外推和剔野處理。

文獻［5］介紹了程序引導和數(shù)據(jù)引導的區(qū)別，并實現(xiàn)了程序引導與數(shù)據(jù)引導互相備份的功能；文獻［6］提出了基于數(shù)據(jù)融合的方式實現(xiàn)光學測試設備穩(wěn)定跟蹤目標的方法；文獻［7］對引導數(shù)據(jù)進行了誤差分析，并通過分析誤差調(diào)整數(shù)據(jù)處理模型中的濾波參數(shù)，從而達到穩(wěn)定引導跟蹤目標。本文提出了一種實時快速數(shù)據(jù)處理方法，能夠在引導數(shù)據(jù)有效條件下快速引導雷達捕獲跟蹤目標，在實際應用中證明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)雷達穩(wěn)定跟蹤目標。

2 雷達接收引導數(shù)據(jù)預處理

艦載連續(xù)波測量雷達主要對目標進行捕獲跟蹤和測量，由于雷達測量是在雷達極坐標上進行，指控中心傳輸給雷達的數(shù)據(jù)為以地心為坐標原點的地心直角坐標系。連續(xù)波測量雷達根據(jù)中心傳輸?shù)牡匦南迪碌腦、Y、Z值進行剔除野值、外推后轉換為雷達極坐標系下的R、A、E送跟蹤控制器后控制伺服系統(tǒng)進行隨動，使目標進入雷達波束從而捕獲跟蹤目標。

為了保證剔除野值和外推時，目標地心位置坐標X、Y、Z與速度值不相關，在進行剔除野值和外推時，位置和速度分別做剔除野值和外推。這樣可以保證在某一個數(shù)值出現(xiàn)誤碼時不至于影響到其他數(shù)據(jù)的剔野和外推，但出現(xiàn)誤碼會對后續(xù)坐標變換時產(chǎn)生影響，通信誤碼的產(chǎn)生受通信信道傳輸?shù)挠绊?，因此無法控制。由于雷達進行目標捕獲跟蹤時，對于數(shù)據(jù)處理實時性要求很高，因此實際應用中采用了一系列簡化快速的外引導數(shù)據(jù)擬合外推算法，保證了雷達數(shù)據(jù)處理實時性要求。從艦載連續(xù)波測量雷達實際應用中證實了此種方法的有效性和可行性。算法流程如圖1所示。

圖1 艦載連續(xù)波測量雷達接收中心數(shù)據(jù)引導流程圖

2.1 引導數(shù)據(jù)格式

指控中心傳輸給艦載連續(xù)波測量雷達的引導數(shù)據(jù)為各個其他測控裝備測量獲得的目標空間坐標值，指控中心將實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合后得到當前時刻目標的地心空間坐標XYZ以及目標速度并發(fā)送給各個測控裝備作為引導信息源。為滿足實時引導需求，引導信息數(shù)據(jù)幀速率為20幀／秒。數(shù)據(jù)格式見表1所示。

表1 引導數(shù)據(jù)信息字段

2.2 引導數(shù)據(jù)剔野外推方法

1）中心引導先積累5幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 積累5幀中心引導信息表

3）求出5幀數(shù)據(jù)的均方根誤差δX、δY、δZ、δVx、δVy、δVz

由于時間等間隔，因此均方根公式可以簡化為公式（2）所示，δY、δZ、δVx、δVy、δVz也同δX一樣進行處理：

4）確定判定野值的標準

收到第6幀中心數(shù)據(jù)時，對地心位置X、Y、Z和地心速度Vx、Vy、Vz分別進行野值判定，判定標準分別為：10δVz。只要X、Y、Z、Vx、Vy、Vz存在一個為野值時，則此幀數(shù)據(jù)為野值數(shù)據(jù)，連續(xù)野值標記增加1。

5）野值處理過程

若為野值，則丟棄該幀，用積累的5幀數(shù)據(jù)擬合出下一幀的值來代替野值并存入堆棧用于后續(xù)外推。考慮到擬合的實效性和準確性，采用線性加權擬合的方式，由于為等間隔時間，因此擬合方法如公式（3）所示，α、β、χ、γ為權重系數(shù)，考慮到引導信息中時間最近點的先驗信息對于目標下一時刻的預測位置貢獻較之前的先驗信息要大，因此分配權重時，α＞β＞χ＞γ，為了便于計算機快速實時處理，實際應用時取α＝4，β＝3，χ＝2，γ＝1，Y6、Z6、Vx6、Vy6、Vz6也同X6一樣進行野值處理。

在依法治國的背景下，有法可依是黨和政府做一切事情的前提。只有厘清該責任制的法律和政策依據(jù)，才使得該責任制的建立具備了合法性和正當性，進而才能有落實和推廣的基礎。

6）連續(xù)野值處理

考慮到中心引導數(shù)據(jù)突然中斷后恢復，或者傳輸目標發(fā)生變化時，會發(fā)生計算機認為的連續(xù)野值現(xiàn)象。但此時可能不為連續(xù)野值，只是由于通信中斷后恢復時，數(shù)值變化較大而導致的。因此，這種情況需要重新累計5幀數(shù)據(jù)用于外推引導。根據(jù)（4）中野值判定標準，如果連續(xù)野值標記大于5時，返回步驟（1），重新積累5幀數(shù)據(jù)，然后再開始進行剔野外推。

7）外推到當前時刻送跟蹤控制器

在進行野值處理完成后，獲取當前B碼時間Tcurrent，將堆棧中最新的5幀數(shù)據(jù)進行加權外推至當前時刻的地心坐標位置和速度。α、β、χ、γ為權重系數(shù)，同樣考慮到引導信息中時間最近點的先驗信息對于目標下一時刻的預測位置貢獻較之前的先驗信息要大，因此實際應用時取α＝4，β＝3，χ＝2，γ＝1，由于中心引導數(shù)據(jù)時間間隔相等Δt＝50ms，外推公 式 可 以 簡 化 公 式 （4）所 示，Ycurrent、Zcurrent、Vxcurrent、Vycurrent、Vzcurrent也同Xcurrent一樣進行外推處理。

3 雷達接收引導數(shù)據(jù)坐標變換

坐標系是空間數(shù)據(jù)的基準，坐標變化是使引導數(shù)據(jù)轉換成雷達能夠驅(qū)動伺服的數(shù)據(jù)，不同的坐標系定義不同，之間相互轉換的方法也不同［8～9］。在本文里中心的外引導數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理后，首先要將地心空間直角坐標轉換為大地直角坐標，也就是北天東坐標；然后將穩(wěn)定的大地直角坐標轉換為不穩(wěn)定的以船為平臺的雷達直角坐標（實現(xiàn)船搖隔離）；經(jīng)過坐標平移消除坐標系中心的位置偏差；最后將雷達直角坐標轉換為雷達極坐標并控制天線伺服的轉動，實現(xiàn)外部引導數(shù)據(jù)對目標的跟蹤。坐標轉換流程圖如圖2所示。

圖2 艦載連續(xù)波測量雷達引導數(shù)據(jù)坐標轉換流程圖

3.1 地心空間直角坐標轉換為大地直角坐標

如圖3所示，小黑點表示雷達，經(jīng)緯高分別為L、B、H。地心空間直角坐標系某點為（xdx，ydx，zdx），大地直角坐標系某點為（xc，yc，zc）。

設雷達中心位置在大地直角坐標系中的值為（x0，y0，z0），則：

對于地心空間直角坐標系下的某點（xdx，ydx，zdx），若轉換到大地直角坐標系下，則需要經(jīng)過平移和坐標軸旋轉兩個步驟。

圖3 地心空間直角坐標轉換為大地直角坐標（北天東）

第1步，平移：將坐標系中心從地心移動到雷達中心。

第2步，坐標軸旋轉：首先將空間點（xdx，ydx，zdx）繞Y軸旋轉－90°，再繞X軸旋轉－（90－L）°，最后繞Z軸旋轉－B°。再將坐標中心從地心移動到雷達中心，即完成了變換。

3.2 大地直角坐標轉換為不穩(wěn)定平臺的雷達直角坐標

如圖4所示，現(xiàn)在要將穩(wěn)定的大地直角坐標轉換為以船為平臺的不穩(wěn)定的雷達直角坐標，以消除艦船航向，縱、橫搖的影響。

圖4 從穩(wěn)定的大地直角坐標到不穩(wěn)定的以船為平臺的雷達直角坐標

我們用三個量來衡量船體的方向和晃動。航向角：X軸和正北方向之間的夾角，當航向右偏離正北方向時為正；縱搖角：X軸向上為正；橫搖角：Z軸向下為正。

設航向角為a，縱搖角為p，橫搖角為r。則大地直角坐標系下某點（xc，yc，zc）先繞Y軸旋轉－a°，再繞Z軸旋轉p°，最后繞X軸旋轉r°即得到以船為平臺的雷達直角坐標（xr，yr，zr）。

3.3 將以GPS為中心的雷達坐標平移到天線中心

如圖5所示。前面我們所講的雷達坐標，實際上是以GPS接收天線為中心（還記得我們通過經(jīng)緯高算出雷達在大地直角坐標系中的位置嗎？那里的經(jīng)緯高就是通過GPS得到的），如果要用外引導數(shù)據(jù)引導伺服轉動，則必須使得圖5 將以GPS為中心的雷達坐標平移到天線中心引導數(shù)據(jù)以雷達天線為中心，因此需要進行坐標平移。將以GPS為中心的空間點（xr，yr，zr）平移到以天線為中心的空間點（xa，ya，za），轉換公式如（8）所示。

其中（Δx，Δy，Δz）表示天線在以GPS為中心的直角坐標系中的位置。

3.4 將雷達直角坐標轉換為雷達極坐標

將以天線為中心的雷達直角坐標系下的點（xa，ya，za）轉換為以天線為中心的大地球坐標系（R，Az，E）。

4 艦載連續(xù)波雷達應用分析

對上述外引導數(shù)據(jù)進行處理后，應用與某艦載連續(xù)波測量雷達，雷達接收天線的主波束寬度為1°×0.5°，因此中心引導數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后必須能夠引導雷達使目標進入雷達波束內(nèi)方能捕獲跟蹤目標。某艦載連續(xù)波測量雷達采用本文提出的引導數(shù)據(jù)實時處理方法，能夠快速引導雷達捕獲并跟蹤目標。

事后對雷達跟蹤目標測量數(shù)據(jù)與中心引導數(shù)據(jù)進行精度對比分析，由于中高空目標與低空目標對于艦載連續(xù)波測量雷達捕獲能力和跟蹤精度有一定的差別，分別對比艦載連續(xù)波測量雷達跟蹤中高空目標和低空目標的數(shù)據(jù)進行分析對比，結果如表3所示。

從引導數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)比對分析，中心引導數(shù)據(jù)通過本文提出的方法進行處理后，實時方位角與俯仰角誤差均小于0.1°，小于艦載連續(xù)波測量雷達接收波束寬度，能夠保證目標引導進入雷達波束從而滿足雷達捕獲跟蹤條件。但從數(shù)據(jù)對比看出，中高空目標誤差均要小于低空目標誤差，這是由于雷達跟蹤測量精度低空目標受多徑干擾以及海雜波的影響導致，誤差的增大主要是雷達低空測角精度的降低所致。圖6與圖7分別為中高空目標引導數(shù)據(jù)和低空目標引導數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)誤差對比曲線圖。從圖中可以看到，引導信息經(jīng)過處理后實時提供給艦載連續(xù)波測量雷達作為目標指示，其精度完全滿足雷達測量要求，進一步驗證了本文提出的外引導數(shù)據(jù)快速處理方法是有效可行的。

表3 引導數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)精度對比表

圖6 中高空目標引導數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)誤差曲線圖

圖7 低空目標引導數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)誤差曲線圖

5 結語

本文提出了一種外引導數(shù)據(jù)實時快速處理方法，對中心提供的地心系下的XYZ坐標進行實時剔野外推預處理后，再通過實時坐標轉換將目標信息轉換至雷達極坐標系下的R、A、E送跟蹤控制器后控制伺服系統(tǒng)進行隨動，使目標進入雷達波束從而捕獲跟蹤目標。在艦載連續(xù)波測量雷達引導精度滿足雷達捕獲條件，能夠有效輔助雷達捕獲跟蹤目標，實際應用中證明了其有效性和可行性。

［1］王德純.精密跟蹤測量雷達技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：400－401.

［2］翟厚明.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達導引頭信號處理系統(tǒng)研究［D］.南京理工大學，2005.

［3］楊建宇.線性調(diào)頻連續(xù)波雷達理論與實現(xiàn)［D］.電子科技大學，1991.

［4］丁鷺飛.雷達原理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1984：165－168.

［5］張建飛，錢小云，沈宇.船載天地VHF伺服程控引導原理及改進設計［J］.無線電工程，2009，39（4）：47－49.

［6］呂日好，孔祥和，郭文勝，等.引導信息處理中的數(shù)據(jù)融合［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1372－1373.

［7］楊輝，吳欽章.光測設備引導數(shù)據(jù)的誤差分析［J］.電光與控制，2010（7）：83－86.

［8］戴勤奮.地理信息系統(tǒng)的坐標系定義［J］.海洋地質(zhì)，2002，18（6）：24－27.

［9］楊元喜，徐天河.不同坐標系綜合變換法［J］.武漢大學學報：信息科學版，2001，26（6）：509－513.

［10］顧晶，何昇澮.一種基于形態(tài)學濾波的雷達目標檢測方法［J］.計算機與數(shù)字工程，2012（2）.

［11］李旭東，陳冬，程鵬.二次散射對脈沖激光雷達回波功率的影響［J］.計算機與數(shù)字工程，2012（1）.

［12］李大成，趙宏斌.基于坐標變換的視軸穩(wěn)瞄算法［J］.光電技術應用，2011，26（2）：5－8.