一種艦載一維相控陣二次雷達(dá)高精度算法

左航洲，余 苗，毛夢(mèng)月，鄭 剛

一種艦載一維相控陣二次雷達(dá)高精度算法

左航洲，余 苗，毛夢(mèng)月，鄭 剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)發(fā)展，特別是相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的引入，高精度已成為雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。船搖、航向?qū)ε炤d雷達(dá)精度都帶來(lái)了一定的影響，本文基于艦載一維相控陣二次雷達(dá)提出一種高精度算法，以實(shí)現(xiàn)艦載二次雷達(dá)的精密穩(wěn)定跟蹤，提高跟蹤精度。

艦載雷達(dá)；一維相控陣；二次雷達(dá)；高精度

0 引言

二次雷達(dá)[1-2]起源于空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)，采用詢(xún)問(wèn)應(yīng)答協(xié)同式工作原理。近年來(lái)美軍將二次雷達(dá)技術(shù)引入艦載武器裝備系統(tǒng)[3]，作為艦載敵我識(shí)別系統(tǒng)[4]的切實(shí)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也將二次雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到國(guó)防、通信等領(lǐng)域，二次雷達(dá)的詢(xún)問(wèn)、應(yīng)答特點(diǎn)相對(duì)傳統(tǒng)一次雷達(dá)具備更高精度，特別是相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[5]的發(fā)展，高精度、高速掃描成為雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

艦載一維相控陣二次雷達(dá)采用協(xié)同測(cè)量可提供艦船成員之間的舷角和距離，艦船的搖擺對(duì)艦載雷達(dá)高度所引起的變化，對(duì)艦載一維相控陣?yán)走_(dá)的測(cè)量精度[6-7]帶來(lái)了一定的影響，本文針對(duì)艦載一維相控陣二次雷達(dá)，提出一種基于高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換迭代算法（Altitude based Coordinate Transformation Iterative Algorithm，A-CTI）。

A-CTI算法是基于艦船雷達(dá)安裝時(shí)建立的各成員艦載雷達(dá)天線安裝高度位置要素表格，采用垂直捷聯(lián)實(shí)時(shí)測(cè)量各成員雷達(dá)天線姿態(tài)信息，通過(guò)雷達(dá)天線互相發(fā)射各成員雷達(dá)天線的姿態(tài)信息，最終可解算出各成員雷達(dá)天線的實(shí)時(shí)高度，采用高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換迭代算法，有效地提高了艦載一維相控陣二次雷達(dá)的舷角測(cè)量精度。

1 A-CTI算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

A-CTI算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

步驟1：讀取安裝基線信息

各成員艦載雷達(dá)天線安裝時(shí)建立各成員艦載雷達(dá)天線安裝基線信息表格，使用時(shí)通過(guò)成員編號(hào)查找安裝基線信息表格，讀取相應(yīng)編號(hào)成員艦載雷達(dá)天線安裝基線信息。

步驟2：捷聯(lián)測(cè)量天線姿態(tài)信息

垂直捷聯(lián)和雷達(dá)天線安裝的艦船同一水平基面，可實(shí)時(shí)測(cè)量雷達(dá)天線的姿態(tài)信息。

步驟3：雷達(dá)天線發(fā)射互測(cè)成員姿態(tài)信息

艦載二次雷達(dá)按照時(shí)分和頻分工作，各成員艦載雷達(dá)之間互相跟蹤測(cè)量，雷達(dá)在跟蹤測(cè)量時(shí)，互相交換雷達(dá)天線姿態(tài)信息給對(duì)方，以便解算出互測(cè)成員的雷達(dá)天線姿態(tài)信息。

步驟4：解算互測(cè)成員雷達(dá)天線高度

讀取本艦雷達(dá)天線安裝基線中高度信息，通過(guò)本艦的垂直捷聯(lián)測(cè)量出本艦雷達(dá)天線姿態(tài)信息，可解算出本艦雷達(dá)天線的海拔高度；讀取被測(cè)編號(hào)成員艦載雷達(dá)天線安裝基線中高度信息，通過(guò)雷達(dá)天線接收到被測(cè)編號(hào)成員艦載雷達(dá)天線姿態(tài)信息，可解算出被測(cè)編號(hào)成員艦載雷達(dá)天線的海拔高度。最終可計(jì)算出成員艦載雷達(dá)天線的海拔高度差值0。

步驟5：基于高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換迭代計(jì)算。

圖1 基于高度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換迭代算法流程圖

轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定直角坐標(biāo)如式（2）所示：

轉(zhuǎn)換穩(wěn)定甲板直角坐標(biāo)到不穩(wěn)定甲板直角坐標(biāo)如式（3）所示：

式中，艦艇不穩(wěn)定甲板坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣如式（4）所示：

轉(zhuǎn)換到不穩(wěn)定甲板球坐標(biāo)，得到相掃角如式（5）所示：

按照布相，即可實(shí)現(xiàn)大地等速掃描。

跟蹤在不穩(wěn)定甲板坐標(biāo)系下進(jìn)行閉環(huán)，跟蹤后得到角度，距離，假定俯仰角為（初始設(shè)為0）。

轉(zhuǎn)換到不穩(wěn)定直角坐標(biāo)系（以下小寫(xiě)表示不穩(wěn)定坐標(biāo)，大寫(xiě)表示穩(wěn)定坐標(biāo)）如式（6）所示：

再轉(zhuǎn)換到穩(wěn)定甲板直角坐標(biāo)如式（7）所示：

通過(guò)A-CTI算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的步驟1～4可解算出0為互測(cè)成員艦載雷達(dá)天線高度差值，用0代替式（7）中的后，變回到不穩(wěn)定甲板坐標(biāo)系如式（8）所示：

艦艇不穩(wěn)定甲板坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到艦艇穩(wěn)定甲板坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣如式（9）所示：

艦艇穩(wěn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)艦艇不穩(wěn)定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣為M的逆陣如式（10）所示：

計(jì)算如式（11）～式（12）所示：

把sin1和cos1代替式（6）中sin和cos進(jìn)行迭代運(yùn)算。經(jīng)仿真，迭代6次，在最大搖擺條件橫搖22.5°、縱搖7.5°情況下，計(jì)算誤差不超過(guò)0.0001°，如表1和表2所示。

迭代6次后，再轉(zhuǎn)為穩(wěn)定甲板球坐標(biāo)如式（13）所示：

即可得到系統(tǒng)需要的穩(wěn)定甲板球坐標(biāo)。式中，0為互測(cè)成員艦載雷達(dá)天線高度差值，通過(guò)A-CTI算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程的步驟1～4可解算出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)架設(shè)甲、乙兩站，雷達(dá)天線為4面陣一維相控陣二次雷達(dá)，每個(gè)天線陣面相掃±47°，4個(gè)陣面覆蓋360°全方位掃描。轉(zhuǎn)臺(tái)模擬航向，搖擺臺(tái)模擬船搖，捷聯(lián)輸出天線姿態(tài)信息。

圖2 實(shí)驗(yàn)雷達(dá)天線架設(shè)圖

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用Matlab按照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，方位精度單位為度。A-CTI算法迭代1～6次計(jì)算可得出實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如表1～表2所示。

2.2 結(jié)果分析

甲乙兩站相距2 km時(shí)，目標(biāo)方位角度越大忽略高度方位精度越差；A-CTI算法迭代數(shù)次越多方位精度越高，該算法收斂性好。

表1 甲乙兩站相距2 km、天線高度差10 m、目標(biāo)方位0°時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 甲乙兩站相距2 km、天線高度差0 m、目標(biāo)方位45°時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

艦載一維相控陣?yán)走_(dá)只能測(cè)量方位和距離，不能測(cè)量俯仰角度，當(dāng)艦船搖擺量小時(shí)，方位精度是能保障的；當(dāng)艦船搖擺量很大、目標(biāo)遠(yuǎn)離天線法線方向時(shí)，方位精度會(huì)很差。

A-CTI算法是基于艦載雷達(dá)安裝時(shí)建立的雷達(dá)天線安裝基線表，采用二次雷達(dá)詢(xún)問(wèn)、應(yīng)答原理發(fā)射成員艦載雷達(dá)天線姿態(tài)信息，可對(duì)艦載一維相控陣?yán)走_(dá)高度進(jìn)行迭代計(jì)算，隨著迭代次數(shù)越多雷達(dá)測(cè)量方位精度越高。由此可知，該算法收斂性好。

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High Precision Algorithm for Shipboard One-Dimensional Phased Array Secondary radar

ZUO Hangzhou, YU Miao, MAO Mengyue, ZHENG Gang

With the development of modern radar technique, especially the introduction of phased array radar technique, high precision has become the inevitable trend of radar technique development. Ship rolling and heading have a certain impact on the accuracy of shipboard radar. A high-precision algorithm based on shipboard one-dimensional phased array secondary radar is proposed to realize the precise and stable tracking of shipboard secondary radar and improve the tracking accuracy.

Shipboard Radar; One-Dimensional Phased Array; Secondary Radar; High Precision

TN959.6

A

1674-7976-(2021)-03-213-04

2021-01-29。左航洲（1988.07-），陜西咸陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)據(jù)處理及顯控開(kāi)發(fā)。