船載雷達(dá)方位零位異常變化的分析與影響

鐘德安，包 飛，茅永興，馮鴻奎

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

雷達(dá)是航天測(cè)控網(wǎng)中的骨干設(shè)備，在航天測(cè)控任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。而對(duì)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校是一項(xiàng)必不可少的基礎(chǔ)性技術(shù)工作。

目前，傳統(tǒng)的雷達(dá)標(biāo)校技術(shù)主要是利用標(biāo)校塔進(jìn)行標(biāo)校，即有塔標(biāo)校[2-4]。然而，由于標(biāo)校塔建設(shè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、地點(diǎn)固定，以及標(biāo)校過(guò)程中多徑效應(yīng)明顯、系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、時(shí)間花費(fèi)較多等問(wèn)題的存在[5]，該技術(shù)已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)今的雷達(dá)標(biāo)校工作。

為了減少配套標(biāo)校設(shè)施建設(shè)需求，提高雷達(dá)標(biāo)校的自動(dòng)化程度，工程研究人員提出了許多無(wú)塔標(biāo)校技術(shù)，如信標(biāo)球標(biāo)校[6]、恒星標(biāo)校[7]、射電星標(biāo)校[8]、太陽(yáng)跟蹤標(biāo)校[9]、飛機(jī)標(biāo)校[3]和衛(wèi)星標(biāo)校[7，10-11]等。

然而，對(duì)于船載雷達(dá)來(lái)說(shuō)，由于其所處的工作環(huán)境具有動(dòng)態(tài)性，所以對(duì)其進(jìn)行標(biāo)校時(shí)涉及的環(huán)節(jié)更多、要求更高，導(dǎo)致標(biāo)校過(guò)程較之陸基雷達(dá)更為復(fù)雜。為了解決船載雷達(dá)標(biāo)校過(guò)程中存在的一些相關(guān)問(wèn)題，工程研究人員又提出了許多動(dòng)態(tài)條件下的雷達(dá)標(biāo)校技術(shù)。張同雙等[12]在對(duì)傳統(tǒng)的航天測(cè)量船無(wú)線電測(cè)量設(shè)備方位零位標(biāo)校方法進(jìn)行分析之后，提出了一種不需要大地測(cè)量的新標(biāo)校方法，并對(duì)其精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該標(biāo)校方法更加簡(jiǎn)化、更加節(jié)約成本，具有良好的應(yīng)用前景。在傳統(tǒng)塢內(nèi)標(biāo)校基本原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)測(cè)量船的搖擺特點(diǎn)，鐘德安等[13]設(shè)計(jì)了一種新的測(cè)量船碼頭動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法，該方法引入了船姿測(cè)量誤差，進(jìn)一步提高了標(biāo)校精度。豐少偉等[14]利用差分GPS定位技術(shù)建立了一種通用船載雷達(dá)標(biāo)校方法，并對(duì)其中涉及的數(shù)據(jù)同步和系統(tǒng)誤差處理方法進(jìn)行了討論。楊磊等[15]在嵌入?yún)f(xié)作策略的參數(shù)估計(jì)方法基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了船載外測(cè)設(shè)備等效軸系參數(shù)的標(biāo)定，解決了船載外測(cè)設(shè)備狀態(tài)易變性與衛(wèi)星測(cè)控高精度要求的矛盾。上述方法均為船載雷達(dá)標(biāo)校技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

船載雷達(dá)方位零位是天線機(jī)械軸平行于船艏艉線且指向船艏時(shí)方位軸角編碼器的讀數(shù)。由于雷達(dá)機(jī)械軸是固定不變的，所以通常情況下對(duì)雷達(dá)方位零位的多次標(biāo)定結(jié)果也不會(huì)出現(xiàn)較大差異(即不超過(guò)30″)。然而，在實(shí)際操作中，曾多次發(fā)生雷達(dá)方位零位較前次標(biāo)定結(jié)果出現(xiàn)較大差異的問(wèn)題。因此，在船載雷達(dá)標(biāo)校工作中及時(shí)準(zhǔn)確地定位造成方位零位標(biāo)校差異的原因顯得非常必要，否則將會(huì)給標(biāo)定進(jìn)度、組織計(jì)劃帶來(lái)較大影響，同時(shí)也將浪費(fèi)大量人力、物力。

為此，本文簡(jiǎn)要介紹船載雷達(dá)方位零位標(biāo)定方法，逐一分析了造成船載雷達(dá)方位零位異常變化的幾種可能原因，在此基礎(chǔ)上給出了提出問(wèn)題排查的通用流程。最后，通過(guò)一個(gè)典型案例深入排查并探討了船載雷達(dá)方位零位的異常原因。

1 雷達(dá)方位零位標(biāo)定方法

為了標(biāo)定雷達(dá)方位零位，首先需要進(jìn)行經(jīng)緯儀方位零位標(biāo)定[16]、船舶塢內(nèi)航向角標(biāo)定[17]以及雷達(dá)方位零位標(biāo)定。

1.1 經(jīng)緯儀方位零位標(biāo)定

經(jīng)緯儀方位零位是經(jīng)緯儀主鏡光軸與全船方位基準(zhǔn)平行并指向船艏時(shí)，經(jīng)緯儀方位軸角編碼器輸出值。該值可利用搭建光路的方法使經(jīng)緯儀主鏡與全船方位基準(zhǔn)建立光路聯(lián)系，并使主鏡光軸與其平行后得到。

1.2 船舶塢內(nèi)航向角標(biāo)定

船舶塢內(nèi)航向角是船舶在塢內(nèi)時(shí)，全船方位基準(zhǔn)與正北方向之間的夾角，即航向角K塢，該參數(shù)只能由經(jīng)緯儀標(biāo)定得到。由于雷達(dá)的光軸離全船方位基準(zhǔn)較遠(yuǎn)，難以用建立光路聯(lián)系的方法與之相關(guān)聯(lián)，因此只能借助經(jīng)緯儀瞄方位標(biāo)或利用測(cè)恒星標(biāo)定的K塢做過(guò)渡，才能進(jìn)一步標(biāo)定方位零位，其原理如圖1所示。

圖1 達(dá)方位零位標(biāo)定原理

1.3 雷達(dá)方位零位標(biāo)定

由圖1可知，標(biāo)定時(shí)需要使用航向角K塢。首先由經(jīng)緯儀標(biāo)定出船舶塢內(nèi)航向角K塢，然后大地測(cè)量隊(duì)測(cè)量出方位標(biāo)與正北的夾角(A大地)，最后雷達(dá)對(duì)方位標(biāo)進(jìn)行測(cè)量(測(cè)量值A(chǔ)測(cè))，并與航向角K塢比較，即可獲得方位零位A0。雷達(dá)方位零位A0與A測(cè)、A大地、K塢的關(guān)系為：

A0=A測(cè)-A大地+K塢-360°。

(1)

2 方位零位異常原因分析及排查流程

2.1 原因分析

從式(1)可以看出，雷達(dá)方位零位與雷達(dá)軸角編碼器測(cè)量值A(chǔ)測(cè)、大地測(cè)量成果A大地及經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢密切相關(guān)。因此，這3個(gè)測(cè)量值的異常是造成雷達(dá)方位零位異常原因。通過(guò)對(duì)上述3個(gè)測(cè)量值的測(cè)量過(guò)程以及部件、系統(tǒng)工作機(jī)制的分析，可進(jìn)一步了解異常造成的原因。

2.1.1 雷達(dá)軸角編碼器測(cè)量值A(chǔ)測(cè)

軸角編碼器是重要的測(cè)角部件，其精度對(duì)雷達(dá)總精度產(chǎn)生直接影響，一般要求軸角編碼器精度比測(cè)量設(shè)備總精度高3～10倍。用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位移傳感器的編碼器是雷達(dá)目前較普遍采用的軸角編碼器，船載雷達(dá)初次安裝使用時(shí)均對(duì)其精度進(jìn)行了檢測(cè)，長(zhǎng)期使用表明可靠性較高[7]。

2.1.2 大地測(cè)量成果

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在大地測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，有力提高了大地測(cè)量的效率和精度。在船載雷達(dá)參數(shù)標(biāo)定中，對(duì)大地測(cè)量精度產(chǎn)生影響的主要因素是船舶進(jìn)船塢后不均勻裝載等引起的船體置平度變化，從以往經(jīng)驗(yàn)看，該影響大都在指標(biāo)范圍內(nèi)。

2.1.3 經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢

經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢是船載雷達(dá)方位零位標(biāo)定的關(guān)鍵，沒(méi)有航向角K塢就不能解算出雷達(dá)方位零位。航向角K塢與經(jīng)緯儀零位及軸系誤差修正參數(shù)有關(guān)，包括方位零位、俯仰零位、照準(zhǔn)差、橫軸差和豎軸差5個(gè)參數(shù)?，F(xiàn)代光電經(jīng)緯儀是非常精密的光學(xué)測(cè)量設(shè)備，具有實(shí)時(shí)測(cè)量、高精度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、航天和大地測(cè)量等領(lǐng)域[18]。從歷史經(jīng)驗(yàn)情況看，經(jīng)緯儀零位及軸系誤差穩(wěn)定性相對(duì)較高。

2.2 排查流程

一旦船載雷達(dá)方位零位標(biāo)定結(jié)果出現(xiàn)異常變化，就要進(jìn)行仔細(xì)排查，以消除隱患。在排查的過(guò)程中，可利用已有資料或者歷史數(shù)據(jù)建立雷達(dá)方位零位標(biāo)定異常的故障樹(FTA)或者利用失效模式與影響分析方法(FMEA)逐一列出可能的異常原因，并分析造成的后果。

雷達(dá)方位零位標(biāo)定異常的故障樹分析如圖2所示。可根據(jù)該故障樹，從左至右，從上到下依次排查，同時(shí)也應(yīng)遵循由簡(jiǎn)到難、由淺入深的原則。

圖2 雷達(dá)方位零位標(biāo)定異常的故障樹分析

一般的排查步驟為：

① 雷達(dá)軸角編碼器精度檢查

由于軸角編碼器精度決定了測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，因此首先要從雷達(dá)本身出發(fā)，對(duì)軸角編碼器進(jìn)行精度檢查。

② 大地測(cè)量成果檢查

大地測(cè)量成果是標(biāo)定基準(zhǔn)，對(duì)大地測(cè)量成果精度產(chǎn)生影響的主要是大地測(cè)量施測(cè)精度及船體置平度變化，可通過(guò)重新進(jìn)行大地測(cè)量施測(cè)，并不間斷地跟蹤監(jiān)視船體置平度變化情況，綜合確定大地測(cè)量成果精度是否滿足要求。

③ 經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢檢查

在排除雷達(dá)軸角編碼器及大地測(cè)量因素后，需要檢查經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢的準(zhǔn)確性，一般采用2種方法：

一是檢查經(jīng)緯儀測(cè)恒星和瞄方位標(biāo)2種方法標(biāo)定的航向角之間的差異(簡(jiǎn)稱閉合差)，通過(guò)檢查閉合差，可以間接驗(yàn)證大地測(cè)量成果的精度，也可以檢查經(jīng)緯儀測(cè)恒星或測(cè)方位標(biāo)的精度。

二是檢查經(jīng)緯儀零位和軸系誤差標(biāo)定的準(zhǔn)確性。經(jīng)緯儀零位和軸系誤差標(biāo)定需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和技能，實(shí)際操作中容易產(chǎn)生誤差。零位和軸系誤差的變化會(huì)引起經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢產(chǎn)生變化。

④ 重新解算雷達(dá)方位零位

經(jīng)過(guò)以上步驟后，需要重新標(biāo)定航向角K塢，解算雷達(dá)方位零位，并與上次標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證和確定排查結(jié)論。

⑤ 經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達(dá)機(jī)械軸和全船方位基準(zhǔn)鏡法線相互關(guān)系圖

重新解算雷達(dá)方位零位后，可畫出經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達(dá)機(jī)械軸和全船方位基準(zhǔn)鏡法線之間的相互關(guān)系圖，進(jìn)一步分析查找問(wèn)題原因。

3 方位零位異常排查案例分析

3.1 問(wèn)題描述

某次塢內(nèi)標(biāo)校中發(fā)現(xiàn)，某船載雷達(dá)方位零位相比上次標(biāo)定結(jié)果相差約1角分(變大)，由于2次標(biāo)定期間雷達(dá)狀態(tài)沒(méi)有改變，方位零位不應(yīng)有大的變化，該結(jié)果明顯異常，隨后根據(jù)上述排查流程進(jìn)行了一系列分析排查。

3.2 問(wèn)題排查

3.2.1 雷達(dá)軸角編碼器精度檢查

該雷達(dá)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為敏感元件，綜觀歷史測(cè)量數(shù)據(jù)及其他采用同類型旋轉(zhuǎn)變壓器雷達(dá)的工作情況，該型旋轉(zhuǎn)變壓器可靠性較高。另外，從該雷達(dá)已標(biāo)定的其他項(xiàng)目結(jié)果看，數(shù)據(jù)重復(fù)性、一致性均較好。因此認(rèn)為雷達(dá)軸角編碼器正常，不需再用專用檢測(cè)工具對(duì)軸角編碼器精度進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.2 大地測(cè)量成果檢查

通過(guò)對(duì)船載雷達(dá)三軸中心、方位標(biāo)點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)測(cè)，精度滿足要求。

通過(guò)檢查幾天來(lái)船體置平度隨時(shí)間變化情況，并換算其對(duì)大地測(cè)量成果的影響，未超出指標(biāo)要求。

3.2.3 經(jīng)緯儀標(biāo)定的航向角K塢檢查

(1) 閉合差檢查

本次標(biāo)校中經(jīng)緯儀2種方法標(biāo)定的航向角一致性很好，瞄方位標(biāo)航向?yàn)?6°3′53″，測(cè)星航向?yàn)?6°3′50″，閉合差為3″。由此說(shuō)明，經(jīng)緯儀測(cè)恒星或測(cè)方位標(biāo)的精度高、離散度小，也從另一個(gè)角度說(shuō)明大地測(cè)量成果的精度滿足標(biāo)定需求。

(2) 經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查

經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，與上次標(biāo)定結(jié)果相比，照準(zhǔn)差變化約22″，方位零位變化了50″，其余誤差基本未變。如上所說(shuō)，經(jīng)緯儀是一種十分精密的測(cè)量設(shè)備，照準(zhǔn)差變化約22″，方位零位變化約50″屬故障現(xiàn)象。

表1 經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查結(jié)果

項(xiàng)目名稱本次標(biāo)定結(jié)果上次標(biāo)定結(jié)果方位零位俯仰零位照準(zhǔn)差橫軸差50″-5″25″3″0″-3″3″5″

3.2.4 重新解算雷達(dá)方位零位

① 根據(jù)經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查結(jié)果重新標(biāo)定船舶在塢內(nèi)的航向角K塢。利用新標(biāo)定的經(jīng)緯儀零位和軸系誤差結(jié)果重新解算得到的船舶航向角為K塢=46°5′(與先前相差約1′)。

② 重新解算雷達(dá)方位零位。以新的航向角解算的雷達(dá)方位零位-9′9″，而上次標(biāo)定結(jié)果為-11′25″。

可以看出，使用最新標(biāo)定的經(jīng)緯儀零位和軸系誤差后，得到的雷達(dá)方位零位與上次標(biāo)定結(jié)果差異不僅沒(méi)有減小，反而由約1′擴(kuò)大到2′16″?？梢哉J(rèn)為，除了已確定的經(jīng)緯儀方位零位、照準(zhǔn)差產(chǎn)生變化外，還有一個(gè)誤差因素尚未找到。

3.2.5 經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達(dá)機(jī)械軸和全船方位基準(zhǔn)鏡法線相互關(guān)系

將經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達(dá)機(jī)械軸和全船方位基準(zhǔn)鏡法線畫于同一張圖上進(jìn)行分析，相互關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械軸、經(jīng)緯儀主鏡光軸、基準(zhǔn)鏡法線相互關(guān)系

從圖3中可以看出，在雷達(dá)機(jī)械軸指向不變的前提下(符合實(shí)際情況)，全船基準(zhǔn)鏡法線(全船方位基準(zhǔn))相比以往變化了2′16″，即上次標(biāo)定與本次標(biāo)定使用的全船方位基準(zhǔn)不同。實(shí)際上全船只有一個(gè)方位基準(zhǔn)，位于慣導(dǎo)吊筒中，這說(shuō)明上次標(biāo)定由于光學(xué)標(biāo)定工具誤差等種種原因，實(shí)際使用了一個(gè)虛擬的方位基準(zhǔn)。而經(jīng)緯儀零位變化1′26″，是由于全船方位基準(zhǔn)和照準(zhǔn)差變化雙重原因引起的。

3.3 對(duì)測(cè)量精度的影響

從上面的分析可以看出，本例中導(dǎo)致雷達(dá)方位零位變化的原因2個(gè)：設(shè)備照準(zhǔn)差發(fā)生了變化，變化達(dá)22″；2次標(biāo)定沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)同一個(gè)方位基準(zhǔn)(其中一個(gè)實(shí)際是不存在的)。

3.3.1 照準(zhǔn)差變化的影響

照準(zhǔn)差是經(jīng)緯儀一項(xiàng)誤差修正參數(shù)，對(duì)方位角的影響為ΔA=c×(secE-1)，其中ΔA為經(jīng)緯儀方位角測(cè)量誤差，c為照準(zhǔn)差，E為目標(biāo)仰角。從公式可以看出，隨著仰角的增大，經(jīng)緯儀方位角測(cè)量誤差將增大，如當(dāng)仰角為30°時(shí)，照準(zhǔn)差變化22″引起的方位角測(cè)量誤差為3.4″；當(dāng)仰角為60°時(shí)，誤差為22″。

3.3.2 方位基準(zhǔn)鏡不統(tǒng)一對(duì)精度的影響

由于方位基準(zhǔn)只有一個(gè)，分析認(rèn)為上次標(biāo)校時(shí)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)，這等同于經(jīng)緯儀采用一個(gè)方位基準(zhǔn)，而慣導(dǎo)采用了另一個(gè)方位基準(zhǔn)。這將產(chǎn)生船體姿態(tài)測(cè)量誤差。因?yàn)楫?dāng)經(jīng)緯儀測(cè)得的航向校準(zhǔn)慣導(dǎo)時(shí)，會(huì)造成水平姿態(tài)測(cè)量軸與航向測(cè)量軸不垂直。當(dāng)船搖幅度為6°時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生約5″的水平姿態(tài)測(cè)量誤差[17]。

4 結(jié)束語(yǔ)

船載雷達(dá)的標(biāo)定過(guò)程十分復(fù)雜，尤其是方位零位的標(biāo)定涉及環(huán)節(jié)多，只有徹底摸透雷達(dá)方位零位標(biāo)定差異的原因，才能更加準(zhǔn)確地對(duì)船載雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校。本文案例中船載雷達(dá)方位零位變化僅是問(wèn)題的表象，本質(zhì)原因是經(jīng)緯儀照準(zhǔn)差的變化和全船方位基準(zhǔn)前后不一致，并從不同角度對(duì)船載雷達(dá)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

由于經(jīng)緯儀零位和軸系誤差參數(shù)采用搭建光路的方法標(biāo)定，操作復(fù)雜，易產(chǎn)生標(biāo)定誤差，因此，提高經(jīng)緯儀零位和軸系誤差修正參數(shù)標(biāo)定精度，不僅可在一定程度上避免雷達(dá)方位零位標(biāo)定異常問(wèn)題的發(fā)生，而且對(duì)于提高船載雷達(dá)的整體測(cè)量精度也有重要價(jià)值。

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