消除水平度誤差對(duì)雷達(dá)俯仰角精度影響的方法研究

呂紅娟 郝坤鵬 陳明哲 姬淑娟

(1.西安昆侖工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西安 710043；2.西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

影響武器系統(tǒng)射擊精度的誤差源按類型可分為：武器系統(tǒng)誤差、人員誤差、條件誤差，其中武器系統(tǒng)誤差包括：制造誤差、原理誤差、調(diào)整校正誤差和工作誤差。為實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)對(duì)來襲目標(biāo)的有效毀傷，研制過程中對(duì)遠(yuǎn)離誤差按照系統(tǒng)精度指標(biāo)分解至各單機(jī)設(shè)備，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備跟蹤雷達(dá)的角度、速度、距離的測(cè)量精度均有明確的指標(biāo)要求。在樣機(jī)試制時(shí)通常通過系統(tǒng)檢飛試驗(yàn)，檢查跟蹤雷達(dá)各項(xiàng)測(cè)量精度(即雷達(dá)跟蹤精度)是否滿足指標(biāo)要求。

某車載火炮武器系統(tǒng)集探測(cè)、跟蹤、火控解算、火力打擊及作戰(zhàn)/運(yùn)載平臺(tái)于一體，可獨(dú)立完成低空近程防空反導(dǎo)的作戰(zhàn)任務(wù)。本文針對(duì)該車載火炮武器系統(tǒng)在某次檢飛試驗(yàn)中兩個(gè)架次的跟蹤精度評(píng)定中出現(xiàn)的“跟蹤雷達(dá)俯仰測(cè)角精度超差”問題，進(jìn)行了深入排查及原因分析，將問題原因定位為：在系統(tǒng)方位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平度間誤差超差。雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差屬于制造誤差范疇，在系統(tǒng)方位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)雷達(dá)俯仰測(cè)角精度的影響無法消除，因此本文提出了精度評(píng)定時(shí)在雷達(dá)俯仰角度值中引入一種修正方法，以盡可能減小該誤差對(duì)雷達(dá)俯仰角測(cè)量精度評(píng)定的影響。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局及工作原理

該車載火炮武器系統(tǒng)集探測(cè)、跟蹤、火控解算、火力打擊及作戰(zhàn)/運(yùn)載平臺(tái)于一體，主要組成包括：雷達(dá)、火炮、火控計(jì)算機(jī)及拖車底盤等設(shè)備。雷達(dá)集成光電系統(tǒng)，兩者采用共伺服系統(tǒng)的方式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局示意見圖1所示。

圖1 某車載火炮武器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局示意圖

系統(tǒng)作戰(zhàn)時(shí)，雷達(dá)完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤，提供目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)高精度的目標(biāo)現(xiàn)在點(diǎn)坐標(biāo)信息；火控計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)在點(diǎn)坐標(biāo)信息進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化完成射擊諸元解算，并控制火炮隨動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)指向未來點(diǎn)，雷達(dá)伺服在火炮隨動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)。作戰(zhàn)平臺(tái)水平度由拖車底盤上的調(diào)平裝置保證。

當(dāng)調(diào)平裝置傳感器采集的車體水平面(火炮安裝面)向、向不大于2′時(shí)，即可認(rèn)為雷達(dá)安裝面水平度滿足水平度要求，此種狀態(tài)下，進(jìn)行雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平的標(biāo)定。標(biāo)定完成，在系統(tǒng)方位運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，車體調(diào)平水平度、火炮回轉(zhuǎn)面水平度及雷達(dá)回轉(zhuǎn)面水平度疊加后引起雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差依然存在且動(dòng)態(tài)變化。設(shè)計(jì)時(shí)在雷達(dá)天線座內(nèi)安裝了一個(gè)水平度傳感器用于對(duì)其回轉(zhuǎn)平面水平度進(jìn)行測(cè)量。

2 雷達(dá)跟蹤精度評(píng)定基本方法

雷達(dá)跟蹤精度是指雷達(dá)跟蹤目標(biāo)時(shí)，測(cè)量值與目標(biāo)真值之差的統(tǒng)計(jì)值。通常樣機(jī)裝調(diào)完成后通過檢飛試驗(yàn)檢查雷達(dá)各項(xiàng)跟蹤精度的滿足情況，從評(píng)定角度出發(fā)，把雷達(dá)測(cè)量值與真值的一次差作為測(cè)量系統(tǒng)誤差；把各種情況產(chǎn)生的雷達(dá)誤差取均方根值，作為測(cè)量隨機(jī)誤差。試驗(yàn)時(shí)選取合適的目標(biāo)機(jī)按照系統(tǒng)作戰(zhàn)典型航路進(jìn)行等速直線飛行(獲取飛行過程中位置數(shù)據(jù)作為真值)，系統(tǒng)跟飛過程中對(duì)各設(shè)備間交互數(shù)據(jù)進(jìn)行錄取，事后對(duì)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)及真值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲取雷達(dá)測(cè)量精度。

3 雷達(dá)俯仰角系統(tǒng)精度超差原因分析

3.1 問題概述

檢飛試驗(yàn)兩個(gè)架次該車載火炮武器系統(tǒng)進(jìn)行處于同一位置，兩個(gè)架次目標(biāo)航向一致。且每個(gè)架次試驗(yàn)前進(jìn)行車體調(diào)平，確保水平度滿足向、向均不大于2′。統(tǒng)計(jì)兩個(gè)架次6個(gè)進(jìn)入雷達(dá)俯仰角精度結(jié)果見表1所示。

表1 某次檢飛雷達(dá)俯仰角精度結(jié)果

從表1中看出：兩個(gè)架次6個(gè)進(jìn)入航次傳感器(跟蹤雷達(dá)、電視/紅外)俯仰角系統(tǒng)誤差均在-1.5 mrad左右，超出了不大于0.8 mrad的指標(biāo)要求；6個(gè)進(jìn)入航次傳感器(跟蹤雷達(dá)、電視/紅外)俯仰角隨機(jī)誤差均滿足指標(biāo)要求。

3.2 問題排查及原因分析

根據(jù)雷達(dá)工作原理可知，影響跟蹤雷達(dá)測(cè)角、測(cè)距精度的因素很多。主要有:

1)目標(biāo)誤差類：包括目標(biāo)閃爍、動(dòng)態(tài)滯后誤差；

2)雷達(dá)誤差類：包括接收機(jī)噪聲、相移誤差、幅度不一致誤差、耦合誤差、零飄誤差、發(fā)射脈沖前沿抖動(dòng)、伺服噪聲等；

3)轉(zhuǎn)換誤差類：包括量化誤差、標(biāo)定誤差等；

4)傳播誤差：包括多路徑誤差、雜波剩余誤差等。

根據(jù)第一章描述該火炮系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局及工作原理，綜合分析認(rèn)為本次引起雷達(dá)俯仰測(cè)角精度系統(tǒng)誤差超差的原因可能為以下3個(gè)方面：

1)傳感器跟蹤角誤差；

2)雷達(dá)光電軸軸系不一致；

3)雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差。

3.2.1 傳感器跟蹤角誤差

傳感器跟蹤誤差即目標(biāo)偏離電軸、光軸的誤差。雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤時(shí)視頻畫面見圖2所示。

圖2 雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤的視頻畫面

從圖2畫面上可看出：雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤時(shí)視頻畫面上目標(biāo)始終處于十字線中線，俯仰上未存在明顯偏差，因此認(rèn)為此項(xiàng)不是引起俯仰角系統(tǒng)誤差超差的原因。

3.2.2 軸系不一致誤差

1)從表1各航次的精度結(jié)果可以看出：雷達(dá)俯仰角系統(tǒng)誤差均在負(fù)向1.5 mrad±0.1 mrad，誤差的一致性非常好；

2)從雷達(dá)和電視/紅外跟蹤精度結(jié)果對(duì)比可以看出：跟蹤雷達(dá)電軸、電視光軸和紅外光軸的一致性非常好，各軸之間誤差小于0.1 mrad。

因此認(rèn)為此項(xiàng)不是引起俯仰角系統(tǒng)誤差超差的原因。

3.2.3 雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平零位間的誤差

首先進(jìn)行車體調(diào)平，確保車體水平度滿足向、向不大于2′,檢查跟蹤雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差。

3.2.3.1 采用經(jīng)緯儀與雷達(dá)對(duì)瞄的方法檢查跟蹤雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差，并分析誤差規(guī)律。

具體方法為：

1)根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)，跟蹤目標(biāo)時(shí)，火炮和跟蹤雷達(dá)指向一致，按照檢飛航線方位角變化區(qū)間(在從目標(biāo)進(jìn)入方位角到航捷點(diǎn)方位角)選取火炮七個(gè)典型位置；

2)將經(jīng)緯儀架設(shè)在距離火炮大于100 m遠(yuǎn)的地方并調(diào)平，將火炮指向調(diào)整為0 mil、500 mil、1000 mil、1500 mil、2000 mil、2500 mil、3000 mil七個(gè)典型位置上，用經(jīng)緯儀與跟蹤雷達(dá)互瞄，讀取跟蹤雷達(dá)俯仰架位及經(jīng)緯儀水平度值；

3)將雷達(dá)俯仰架位與經(jīng)緯儀讀數(shù)取反后做差求取跟蹤雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平的誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 經(jīng)緯儀與雷達(dá)對(duì)瞄計(jì)算誤差結(jié)果

從表2測(cè)試數(shù)據(jù)可看出：在火炮指向0 mil時(shí)跟蹤雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平的誤差最大，為-1.6 mil，且誤差大小及方向均與表1中6個(gè)架次的俯仰角系統(tǒng)誤差大小及方向相吻合。

3.2.3.2 讀取跟蹤雷達(dá)天線座內(nèi)的水平度傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算跟蹤雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間的誤差，并分析誤差規(guī)律。

具體方法為：

1)分別將火炮指向?yàn)? mil、500 mil、1000 mil、1500 mil、2000 mil、2500 mil、3000 mil七個(gè)典型位置，讀取雷達(dá)天線與火炮同向(0 mil)、雷達(dá)天線與火炮反向(3000 mil)兩個(gè)位置時(shí)天線座內(nèi)的水平度傳感器數(shù)據(jù)；

2)計(jì)算雷達(dá)回轉(zhuǎn)平面水平度值，測(cè)試數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 水平度傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算誤差結(jié)果

從表3中測(cè)試數(shù)據(jù)可看出：水平度傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算的雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平誤差與表2中雷達(dá)與經(jīng)緯儀對(duì)瞄計(jì)算的誤差數(shù)值基本一致，誤差方向一致。

兩組試驗(yàn)方法誤差對(duì)比見圖3所示。

圖3 兩組試驗(yàn)計(jì)算誤差對(duì)比

從表1、表2測(cè)試數(shù)據(jù)及圖3誤差曲線可以看出：雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平的誤差隨火炮指向不同而不同，在車載火炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過程時(shí)，火炮及雷達(dá)處于方位隨動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，該誤差亦為動(dòng)態(tài)變化的。

3.3 解決措施及驗(yàn)證

3.3.1 解決措施

為了消除車載火炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過程火炮及雷達(dá)隨動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，動(dòng)態(tài)變化的雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平間誤差對(duì)雷達(dá)俯仰角測(cè)量精度的影響，將天線座內(nèi)水平傳感器發(fā)送的向、向水平度數(shù)據(jù)，修正至目標(biāo)空間位置量(、、)上。

3.3.2 仿真驗(yàn)證

對(duì)表1中6個(gè)航次的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)及傳感器的水平度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，重新進(jìn)行精度評(píng)定，驗(yàn)證補(bǔ)償方法的可行性。

具體方法為：

1)按照檢飛試驗(yàn)時(shí)火炮架位運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，靜態(tài)測(cè)量火炮方位指向0 mil和1500 mil時(shí)雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平零位的誤差。

2)火炮指向0 mil，分別讀取跟蹤雷達(dá)在火炮0 mil及3000 mil兩種狀態(tài)下的水平傳感器的數(shù)值，兩值相減除以2，即為火炮0 mil時(shí)跟蹤雷達(dá)相對(duì)大地的水平度；火炮指向1500 mil，分別讀取跟蹤雷達(dá)在火炮1500 mil及4500 mil兩種狀態(tài)下的水平傳感器的數(shù)值，兩值相減除以2，即為火炮90°時(shí)跟雷達(dá)相對(duì)大地的水平度。

3)數(shù)據(jù)處理：按照公式(×cos方位角+×sin方位角)計(jì)算對(duì)應(yīng)方位角度下的誤差值，并將該誤差值修正在雷達(dá)俯仰角測(cè)量值上。

4)重新進(jìn)行精度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果見表4所示。

表4 誤差修正后俯仰角精度

各航次修正前、后誤差曲線對(duì)比見圖4至圖7所示。

圖4 1-1航次修正前后俯仰誤差曲線對(duì)比

圖5 1-2航次修正前后俯仰誤差曲線對(duì)比

圖6 2-1航次修正前后俯仰誤差曲線對(duì)比

圖7 2-2航次修正前后俯仰誤差曲線對(duì)比

從表4、圖4至圖7可以看出：用水平傳感器數(shù)據(jù)對(duì)雷達(dá)俯仰角測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償后，跟蹤雷達(dá)俯仰角系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差均不大于0.8 mil,滿足指標(biāo)要求。

3.3.3 檢飛驗(yàn)證

后續(xù)檢飛試驗(yàn)中，進(jìn)行跟蹤雷達(dá)測(cè)量精度評(píng)定，俯仰角精度未再出現(xiàn)超差現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

通過采用前期檢飛數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真驗(yàn)證及后續(xù)檢飛試驗(yàn)結(jié)果表明：

在進(jìn)行雷達(dá)跟蹤精度評(píng)定時(shí)，通過將安裝在雷達(dá)天線座內(nèi)的水平度傳感器采集到的雷達(dá)回轉(zhuǎn)平面向、向水平度數(shù)據(jù)修正至雷達(dá)輸出的目標(biāo)空間位置量(、、)上，以減小雷達(dá)俯仰零位與絕對(duì)水平誤差對(duì)雷達(dá)俯仰角測(cè)量精度影響的方法是可行的。

該修正方法對(duì)其他雷達(dá)精度評(píng)定、誤差分析、設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。