浮空雷達(dá)高精度探測分析

朱 勇, 郭法濱

(中國電子科技集團(tuán)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)

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浮空雷達(dá)高精度探測分析

朱 勇, 郭法濱

(中國電子科技集團(tuán)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)

浮空雷達(dá)探測精度主要受平臺姿態(tài)變化引起的定位誤差和傳感器自身的探測誤差影響。文章針對2類誤差的影響因素進(jìn)行了分析,提出了采用寬信號發(fā)射波形和高精度定位的方法來降低雷達(dá)探測誤差,結(jié)合高精度船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)信息自動校準(zhǔn)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,實現(xiàn)浮空雷達(dá)高精度探測。工程實測數(shù)據(jù)分析表明,該方法取得了較好的效果。

浮空雷達(dá);高精度探測;誤差校準(zhǔn);船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)

0 引 言

浮空雷達(dá)系統(tǒng)是以飛艇、系留氣球等浮空器為載體,將雷達(dá)天線系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)升至幾百到幾萬米的空中,使其不受地球曲率、遮蔽物和地面氣流的影響,具有較強(qiáng)的低空探測能力,尤其是對超低空飛行的小目標(biāo),甚至巡航導(dǎo)彈都具有相當(dāng)好的探測能力[1-3]。浮空器雷達(dá)正以其低空探測能力好、留空時間長、使用效費比高等優(yōu)點在國土防空探測網(wǎng)絡(luò)中扮演著越來越重要的角色。

由于浮空平臺懸浮在高空,受氣流影響,平臺始終處于運動狀態(tài)，航向、姿態(tài)等一直變化,導(dǎo)致所搭載雷達(dá)的系統(tǒng)誤差隨之變化,影響了雷達(dá)對目標(biāo)探測的性能[4]。本文針對該實際問題,從浮空雷達(dá)目標(biāo)探測誤差分析入手,對減小和校正系統(tǒng)誤差、提高浮空雷達(dá)探測精度進(jìn)行了探討。

1 浮空雷達(dá)目標(biāo)探測誤差分析

雷達(dá)對目標(biāo)的探測精度主要受2種類型的誤差影響,即隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差[5-8]。隨機(jī)誤差可以通過各種濾波技術(shù)進(jìn)行消除;而系統(tǒng)誤差是一種確定性的誤差,無法通過濾波方法去除,本文主要針對浮空雷達(dá)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析。

浮空雷達(dá)的系統(tǒng)誤差主要包括:① 雷達(dá)測量系統(tǒng)誤差,主要是雷達(dá)本身因技術(shù)體制局限、設(shè)計缺陷、器件老化等引起的測量偏差,主要包括測距偏差、測向偏差等;② 浮空平臺定位誤差,主要是由平臺導(dǎo)航系統(tǒng)的偏差引起的,包括對平臺的位置、姿態(tài)(俯仰、橫滾、航向)等的測量偏差。

1.1 雷達(dá)測量系統(tǒng)誤差

(1)

其中,r、θ、ε分別為雷達(dá)對目標(biāo)距離、方位、仰角的測量值;rt、θt、εt為相應(yīng)的真值;Δr、Δθ、Δε分別為雷達(dá)對目標(biāo)距離、方位、仰角的測量誤差。傳感器測量誤差可以表示為偏差常量加上隨機(jī)噪聲,因此傳感器的距離、方位角和仰角的測量誤差可以分別表示為:

(2)

其中,Δrb、Δθb、Δεb分別為相應(yīng)的高斯白噪聲;Δrn、Δθn、Δεn分別為相應(yīng)的測量偏差。

雷達(dá)測量得到的距離、方位和俯仰三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系的關(guān)系如下：

(3)

在誤差較小的情況下,對傳感器測量誤差進(jìn)行一階泰勒展開,即

G(r-Δr,θ-Δθ,ε-Δε)=

(4)

其中

1.2 浮空平臺定位誤差

近年來，中央及各地政府機(jī)構(gòu)加大財政投入，加強(qiáng)資源整合，在農(nóng)村地區(qū)開展衛(wèi)生治理、村莊環(huán)境建設(shè)、道路修建等一系列基礎(chǔ)建設(shè)工作，使得鄉(xiāng)村呈現(xiàn)出天藍(lán)、水綠、村民安居樂業(yè)的美好景象。

平臺地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地心地固(earth centered earth fixed,ECEF)直角坐標(biāo)系,結(jié)果如下:

(5)

其中,B、L、H分別為經(jīng)度、緯度、高度;C的表達(dá)式為:

(6)

其中，Eq為地球祁有球的長半軸；e為第一偏心率。

平臺定位偏差較小時,在地理坐標(biāo)系下,對傳感器平臺偏差進(jìn)行泰勒一階展開分析,即

F(B-ΔB,L-ΔL,H-ΔH)≈

(7)

其中

JF=

(8)

則有

(9)

假設(shè)Δz=0,目標(biāo)位置為x、y,則平臺定位誤差引起的測距偏差為:

-Δxsinθ-Δycosθ

(10)

平臺定位誤差引起的測向偏差為:

(11)

2 誤差校準(zhǔn)

雷達(dá)系統(tǒng)存在的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差,使雷達(dá)探測到的目標(biāo)位置偏離了目標(biāo)的真實位置。因此，必須對雷達(dá)系統(tǒng)偏差進(jìn)行實時在線估計,并對航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,即系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)。如果存在目標(biāo)高精度定位數(shù)據(jù),那么可以借助同一個目標(biāo)的高精度定位值和雷達(dá)帶有誤差的探測值來估計雷達(dá)的系統(tǒng)偏差。

(12)

(13)

E(ΔRs)=E(ΔRs)=ΔRs;

E(Δθs)=E(Δθs)=Δθs

(14)

當(dāng)點數(shù)足夠多時,有

E(ΔRs)=ΔRs,

E(Δθs)=Δθs

(15)

當(dāng)樣本數(shù)足夠多時,雷達(dá)測量值與目標(biāo)的高精度值之差的樣本均值趨于雷達(dá)的系統(tǒng)偏差。

3 高精度測量

由上文分析可知,雷達(dá)測量系統(tǒng)誤差主要是由雷達(dá)本身引起的,提高雷達(dá)本身性能(如減少距離分辨單元內(nèi)的雜波、提高信雜比)，采用更高的帶寬信號發(fā)射波形,減小距離分辨單元以提高距離分辨和測距精度,都能減小雷達(dá)系統(tǒng)自身的測量誤差,實現(xiàn)浮空雷達(dá)目標(biāo)檢測距離精度的提高。測量誤差為：

(16)

不同的帶寬發(fā)射波形影響如圖1所示。其中，圖1a瞬時工作帶寬為2.5 MHz，圖1b瞬時工作帶寬為10 MHz。由圖1可知，瞬時工作帶寬提升4倍，則雜波等效面積降低至原來的1/4。

浮空平臺定位誤差主要受平臺定位精度影響,可以設(shè)計采用高精度定位測量設(shè)備有效降低浮空平臺定位誤差，以提高浮空雷達(dá)對目標(biāo)檢測的精度。

浮空雷達(dá)裝配的高精度設(shè)備如船舶自動識別系統(tǒng)(automotic identification system,AIS)等可以接收海面目標(biāo)包括經(jīng)度、緯度、高度等信息。由于AIS信息中船舶位置精度可達(dá)米級[9],將其位置信息坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化為浮空雷達(dá)坐標(biāo)系下的位置，包括距離、方位、高度等信息與雷達(dá)探測的目標(biāo)位置信息進(jìn)行融合校準(zhǔn)。利用AIS融合功能,根據(jù)基于多因素量化匹配的海面目標(biāo)AIS點跡與雷達(dá)航跡融合相關(guān)算法,將AIS位置信息與一次雷達(dá)海面目標(biāo)航跡進(jìn)行配對,綜合多批多幀數(shù)據(jù)后統(tǒng)計和計算雷達(dá)的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差,實時自動校正一次雷達(dá)系統(tǒng)誤差,提高測量精度。

圖1 不同帶寬發(fā)射波形影響

將上述方法應(yīng)用于某型雷達(dá),通過實測數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，應(yīng)用本文方法后，浮空雷達(dá)的探測精度得到了提升，將雷達(dá)探測獲取的距離和方位值與高精度差分GPS獲取的目標(biāo)距離和方位真值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩值基本吻合；計算距離和方位測量誤差可以得到，距離探測誤差降至25.5 m，方位測量誤差降至0.192°。

圖2 某浮空雷達(dá)實測距離誤差和實測方位誤差

4 結(jié) 論

由于浮空平臺受氣流影響,其航向、姿態(tài)等一直變化,導(dǎo)致所搭載雷達(dá)的系統(tǒng)誤差隨之變化,影響了雷達(dá)目標(biāo)的探測性能。本文對影響浮空雷達(dá)探測精度的系統(tǒng)誤差和平臺誤差進(jìn)行了分析,提出了一種減小系統(tǒng)誤差和誤差自動校準(zhǔn)的方法,并在某型雷達(dá)上成功應(yīng)用。測量結(jié)果表明,該方法有效地提高了浮空雷達(dá)的探測精度。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Analysis of high precision detection for aerostat-borne radar

ZHU Yong, GUO Fabin

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, No.38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei 230088, China)

The detection performance of the aerostat-borne radar suffers from the aerostat platform positioning biases and sensor’s detecting biases. The effect of these two kinds of biases is analyzed and the high precision detection method is presented. The technique adopts the transmit waveform of the wideband signals and employs the high precision location to reduce the error of radar detection, where the automatic identification system(AIS) automatic calibration is used for error compensation. The results of processing engineering application measurement data show that this method is effective.

aerostat-borne radar; high precision detection; error compensation; automatic identification system(AIS)

2017-01-15；

2017-02-28

朱 勇(1975-),男,安徽潛山人,中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所高級工程師; 郭法濱(1979-),男,山東泰安人,博士,中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所高級工程師,通訊作者，E-mail:guofabin@163.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.014

TN959.73

A

1003-5060(2017)07-0930-04