基于無(wú)人機(jī)和差分GPS的艦載雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校方法

季勤超 姚申茂 楊利斌 賀林波

（1.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺(tái) 264001）（2.海軍軍械裝備局 北京 100080）

1 引言

艦載雷達(dá)用于搜索和跟蹤空中目標(biāo)，是艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)防空反導(dǎo)最重要的信號(hào)源之一，其探測(cè)精度直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的打擊精度，影響著艦船的作戰(zhàn)效能和生存能力［1］。在艦船交付前，船廠對(duì)艦載雷達(dá)進(jìn)行統(tǒng)一的標(biāo)校，以保證雷達(dá)的探測(cè)精度。但隨著艦船服役時(shí)間的推移，雷達(dá)的誤差會(huì)發(fā)生漂移［2～3］。因此，雷達(dá)在實(shí)際使用和執(zhí)行重要任務(wù)前必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)校。

傳統(tǒng)的標(biāo)校方法有很多，但它們都有明顯的不足之處：文獻(xiàn)［4］介紹了基于標(biāo)校塔的標(biāo)校方法，但標(biāo)校塔建設(shè)成本大、資源稀少、機(jī)動(dòng)性差，標(biāo)校組織實(shí)施時(shí)不方便；文獻(xiàn)［5］介紹了基于星體測(cè)量的雷達(dá)標(biāo)校方法，但其受艦艇搖擺、天氣及時(shí)間的影響嚴(yán)重；文獻(xiàn)［6～7］提出了基于ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)校的方法，但ADS-B系統(tǒng)提供的仰角真值與雷達(dá)測(cè)量值時(shí)間對(duì)準(zhǔn)困難，標(biāo)定精度差；文獻(xiàn)［8～9］介紹了應(yīng)用差分GPS技術(shù)進(jìn)行標(biāo)校的方法，但沒(méi)有考慮艦船姿態(tài)對(duì)標(biāo)校精度的影響。而且，傳統(tǒng)的雷達(dá)標(biāo)校誤差數(shù)據(jù)一般采用靜態(tài)數(shù)據(jù)處理方法，把誤差數(shù)據(jù)作為一個(gè)整體，計(jì)算其均值、方差等數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)標(biāo)校誤差數(shù)據(jù)的分析和有效利用。本文提出一種基于無(wú)人機(jī)和差分GPS的艦載雷達(dá)標(biāo)校方案，采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方法［10］對(duì)雷達(dá)標(biāo)校數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該方案能很好地獲取目標(biāo)位置信息，減少艦船姿態(tài)對(duì)雷達(dá)測(cè)量精度帶來(lái)的影響，解決了傳統(tǒng)標(biāo)校方法和數(shù)據(jù)處理方法上存在的不足。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由標(biāo)定源（無(wú)人機(jī)平臺(tái)和目標(biāo)模擬器）、雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、GPS定位設(shè)備、無(wú)線數(shù)傳設(shè)備、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、載車(chē)及其它輔助設(shè)備組成。標(biāo)校系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 標(biāo)校系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

標(biāo)定源主要為雷達(dá)提供具有規(guī)定特征的目標(biāo)反射信號(hào)，應(yīng)該具有良好的機(jī)動(dòng)性和可探測(cè)性［11］，本系統(tǒng)標(biāo)定源采用無(wú)人直升機(jī)懸掛龍伯球。采用無(wú)人直升機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)無(wú)人機(jī)懸停和飛行能給艦載雷達(dá)提供靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；無(wú)人機(jī)連續(xù)飛行時(shí)間長(zhǎng)，標(biāo)校時(shí)能確保獲取到足夠的目標(biāo)真值和雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)；可根據(jù)需求實(shí)時(shí)修改無(wú)人機(jī)的飛行航路，改變無(wú)人機(jī)的飛行計(jì)劃和降落點(diǎn)。龍伯球可以把各種大角度入射電磁波平行地發(fā)射回去，與三角反射體相比可產(chǎn)生較大的雷達(dá)截面和具有較寬的二次輻射方向覆蓋角，加掛到無(wú)人直升機(jī)上后，基本不受無(wú)人機(jī)飛行航路限制，可保證雷達(dá)接收到龍伯球的有效反射信號(hào)。

雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取設(shè)備用于錄取和記錄雷達(dá)測(cè)得的目標(biāo)位置信息，并通過(guò)無(wú)線數(shù)傳設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

GPS定位設(shè)備為雷達(dá)和標(biāo)定源提供高精度定位，提供GPS絕對(duì)時(shí)標(biāo)，實(shí)時(shí)測(cè)量艦船的姿態(tài)角，并將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)傳設(shè)備發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

無(wú)線數(shù)傳設(shè)備將雷達(dá)數(shù)據(jù)錄取設(shè)備和GPS定位設(shè)備測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的主要功能：接收無(wú)線數(shù)傳設(shè)備發(fā)來(lái)的GPS數(shù)據(jù)和雷達(dá)錄取數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)真值信息；實(shí)時(shí)測(cè)量艦船姿態(tài)信息；向飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送飛行航路控制命令；實(shí)時(shí)計(jì)算雷達(dá)標(biāo)校結(jié)果。

載車(chē)用于承載無(wú)人直升機(jī)、GPS定位設(shè)備、無(wú)線數(shù)傳設(shè)備和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等設(shè)備，并將其運(yùn)送至工作地點(diǎn)。

2.2 標(biāo)校的基本流程

將艦船上的GPS天線C、GPS天線D、GPS天線E和無(wú)人直升機(jī)搭載的GPS天線B測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別通過(guò)無(wú)線數(shù)傳設(shè)備送往數(shù)據(jù)處理中心，與基準(zhǔn)站GPS天線A獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)差分處理，得到GPS天線C、GPS天線D、GPS天線E和無(wú)人直升機(jī)的GPS坐標(biāo)。通過(guò)GPS天線C、GPS天線D和GPS天線E測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算出艦船搖擺中心O點(diǎn)的大地直角坐標(biāo)和艦船的姿態(tài)信息。通過(guò)坐標(biāo)變換將無(wú)人直升機(jī)的GPS坐標(biāo)變換到艦船甲板坐標(biāo)系。根據(jù)艦船的設(shè)計(jì)安裝資料，獲取雷達(dá)天線在艦船甲板坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。求出無(wú)人直升機(jī)在雷達(dá)測(cè)量極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，即目標(biāo)真值。獲取艦載雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)和由雷達(dá)局部基準(zhǔn)系統(tǒng)獲取雷達(dá)對(duì)航母姿態(tài)的修正值，測(cè)量數(shù)據(jù)中排除局部基準(zhǔn)的修正值，疊加由GPS獲取的航母姿態(tài)參數(shù)得到修正后的測(cè)量值。對(duì)雷達(dá)的測(cè)量值和真值進(jìn)行一定的處理，最終解算出雷達(dá)的系統(tǒng)誤差。最后根據(jù)得到的系統(tǒng)誤差對(duì)艦載雷達(dá)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，完成對(duì)艦載雷達(dá)的標(biāo)校。標(biāo)?；玖鞒倘鐖D2所示。

圖2 標(biāo)?；玖鞒虉D

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 真值獲取

艦載雷達(dá)標(biāo)校工作的關(guān)鍵是如何精確獲取目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息，即如何獲取目標(biāo)真值。本文采用差分GPS定位技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)獲取無(wú)人直升機(jī)相對(duì)于艦載雷達(dá)的位置信息，其定位精度可達(dá)到厘米級(jí)，高于雷達(dá)精度的3倍以上。

由于無(wú)人直升機(jī)所懸掛的龍伯球和搭載的GPS天線B基本處于相同的空間位置，可直接從GPS接收機(jī)B和基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)A讀取數(shù)據(jù)，差分后得到無(wú)人直升機(jī)的GPS坐標(biāo)，再通過(guò)坐標(biāo)變換得到無(wú)人直升機(jī)在艦船甲板坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。通過(guò)艦船上的GPS天線C、GPS天線D和GPS天線E能實(shí)現(xiàn)艦船的精確定位，然后根據(jù)艦船的設(shè)計(jì)安裝資料可直接獲取雷達(dá)天線在艦船甲板坐標(biāo)系下的位置信息。最后通過(guò)計(jì)算得到無(wú)人直升機(jī)在雷達(dá)測(cè)量極坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，即目標(biāo)真值。

3.2 艦船姿態(tài)測(cè)量

艦船在海上航行時(shí)受海浪和海風(fēng)影響產(chǎn)生的搖擺運(yùn)動(dòng)會(huì)影響艦載雷達(dá)的測(cè)量精度，因此標(biāo)校過(guò)程中必須實(shí)時(shí)測(cè)量艦船的姿態(tài)?，F(xiàn)有的姿態(tài)測(cè)量手段主要是通過(guò)慣導(dǎo)測(cè)量，但當(dāng)艦船連續(xù)航行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)慣導(dǎo)累積的誤差較大［12］。本文采用差分GPS來(lái)測(cè)量艦船姿態(tài)以彌補(bǔ)慣導(dǎo)測(cè)量的不足。

如圖1所示，O點(diǎn)為艦船搖擺中心，GPS天線D和GPS天線E沿艦船艏艉線放置，分別置于艦艉和艦艏，GPS天線C放置在艦船的左舷，使OC垂直于DE。天線D和天線E之間連線向量記為-→----，O點(diǎn)和天線C之間的連線向量記為-→-----→-----→----的長(zhǎng)度和方向可以精確測(cè)量。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)一

GPS設(shè)備獲取的真值數(shù)據(jù)和雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)是基于不同坐標(biāo)系的，所以獲取兩種數(shù)據(jù)后首先要將它們統(tǒng)一到相同坐標(biāo)系下。主要坐標(biāo)變換如下：

1）大地地心坐標(biāo)(B,L,H)轉(zhuǎn)換到大地直角坐標(biāo)(xe,ye,ze)：

其中：N=a/1-e2sin2B為地球參考橢球體的卯酉圓曲率半徑；e2=(a2-b2)/a2；a=6378136.49，b=6356755.00，e分別為地球參考橢球體的長(zhǎng)半徑、短半徑和第一偏心率。

2）大地直角坐標(biāo)(xe,ye,ze)轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)(xl,yl,zl)：

其中，(xe0,ye0,ze0)為航母搖擺中心的大地直角坐標(biāo)，B0和L0分別為航母搖擺中心的緯度和經(jīng)度。

3）當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)(xl,yl,zl)轉(zhuǎn)換到甲板坐標(biāo)(xd,yd,zd)：

其中

其中，φ、θ、φ分別是艦船的橫搖角、縱搖角、艏搖角。

4）雷達(dá)測(cè)量直角坐標(biāo)(xs,ys,zs)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)測(cè)量極坐標(biāo)(R,A,E)：

3.3.2 數(shù)據(jù)同步及匹配

由于GPS設(shè)備和艦載雷達(dá)在傳輸數(shù)據(jù)上的速度是不同的，因此在系統(tǒng)誤差標(biāo)校前，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)匹配［13］。

數(shù)據(jù)同步主要是為保證試驗(yàn)期間目標(biāo)真值與雷達(dá)測(cè)量之間時(shí)間的統(tǒng)一。時(shí)間同步技術(shù)可分為三類(lèi)：基于發(fā)送者的同步模型；基于發(fā)送者和接受者交互的同步模型；基于接收者交互的同步模型。本文以GPS時(shí)間作為艦載雷達(dá)和GPS設(shè)備同步的時(shí)間基準(zhǔn)［14～15］。

采樣率是指數(shù)據(jù)獲取的頻率，艦載雷達(dá)的數(shù)據(jù)采樣率和GPS設(shè)備的采樣率是不一樣的，并且在測(cè)量數(shù)據(jù)記錄的過(guò)程中，可能會(huì)有某個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)沒(méi)有記錄到，所以在確定統(tǒng)一授時(shí)單元后還需要對(duì)采樣信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。本文采用常規(guī)的標(biāo)量插值對(duì)距離參數(shù)進(jìn)行重采樣，采用矢量差值對(duì)角度參數(shù)進(jìn)行重采樣，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣率對(duì)齊。

3.3.3 誤差分析

當(dāng)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系、時(shí)間和采樣率上都對(duì)齊后，計(jì)算雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的一次差得到動(dòng)態(tài)標(biāo)校誤差數(shù)據(jù)。雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)為(Ri,Ai,Ei)，GPS數(shù)據(jù)為()，誤差數(shù)據(jù)為，它們之間的關(guān)系為

艦載雷達(dá)的標(biāo)校誤差數(shù)據(jù)包含了粗大誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，獲取誤差數(shù)據(jù)后通過(guò)“剔野”消除其中的粗大誤差，通過(guò)“去噪”對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行分離，最后得到系統(tǒng)誤差，根據(jù)系統(tǒng)誤差對(duì)雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 試驗(yàn)測(cè)試

標(biāo)校過(guò)程中，無(wú)人機(jī)在艦船的右舷方向，由10km左右向艦船飛行，其飛行速度在135m/s～145m/s，高度在160m～200m之間，飛機(jī)的方位角在320°～360°之間，在8km處雷達(dá)能穩(wěn)定地跟蹤目標(biāo)。對(duì)艦載雷達(dá)及GPS設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系、時(shí)間和采樣率上對(duì)齊后，作差得到雷達(dá)標(biāo)校的原始誤差數(shù)據(jù)。圖3和圖4分別是標(biāo)校誤差數(shù)據(jù)中的方位角原始誤差數(shù)據(jù)和俯仰角原始誤差數(shù)據(jù)。

對(duì)得到的原始誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行“剔野”“去噪”處理，消除原始誤差里的粗大誤差和隨機(jī)誤差，得到艦載雷達(dá)標(biāo)校的系統(tǒng)誤差。圖5和圖6分別為得到的方位角系統(tǒng)誤差和俯仰角系統(tǒng)誤差。

圖3 方位角原始誤差

圖5 方位角系統(tǒng)誤差

圖6 俯仰角系統(tǒng)誤差

得到雷達(dá)的系統(tǒng)誤差后對(duì)雷達(dá)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分解，得到各子系統(tǒng)誤差，然后將各子系統(tǒng)誤差與誤差模型進(jìn)行特征對(duì)比，得到各子系統(tǒng)誤差與雷達(dá)各誤差源之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找到誤差產(chǎn)生的源頭，最后有針對(duì)性的對(duì)雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后重新測(cè)量得到雷達(dá)新的系統(tǒng)誤差數(shù)據(jù)，對(duì)比校準(zhǔn)前后的系統(tǒng)誤差數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)雷達(dá)的系統(tǒng)誤差明顯減小，說(shuō)明依據(jù)此方法能成功地完成對(duì)艦載雷達(dá)的標(biāo)校。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)艦載雷達(dá)傳統(tǒng)標(biāo)校技術(shù)的不足，提出了一種基于無(wú)人機(jī)和差分GPS的艦載雷達(dá)標(biāo)校方法，采用搭載GPS定位設(shè)備和龍伯球的無(wú)人直升機(jī)作為標(biāo)定源，以差分定位獲取目標(biāo)真值和艦船姿態(tài)，同時(shí)用測(cè)得的艦船姿態(tài)修正雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)。文中對(duì)整個(gè)方案的系統(tǒng)組成和標(biāo)校的基本流程進(jìn)行了深入研究，對(duì)真值的獲取、艦船姿態(tài)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)進(jìn)行了全面分析。經(jīng)試驗(yàn)證明，該方法標(biāo)校精度高，通用性好，靈活度高，經(jīng)濟(jì)適用，實(shí)施條件寬松，對(duì)提高艦載雷達(dá)保障水平、降低保障成本具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。