郭 健,許 慶,劉洪林,姜晶莉
(航天工程大學(xué) 士官學(xué)校, 北京 102200)
脈沖測(cè)量雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱雷達(dá))服務(wù)于航天運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈的外彈道跟蹤測(cè)量任務(wù),用以獲得目標(biāo)位置測(cè)量參數(shù),是航天測(cè)控任務(wù)中重要的裝備。雷達(dá)標(biāo)校如同射擊任務(wù)前對(duì)槍械的校準(zhǔn)一樣,是提升雷達(dá)測(cè)量精度的重要手段。目前主要的雷達(dá)標(biāo)校方法為常規(guī)標(biāo)校與衛(wèi)星標(biāo)標(biāo)校2種。其中,雷達(dá)常規(guī)標(biāo)校是利用方位標(biāo)、標(biāo)校源、標(biāo)校塔等設(shè)施,通過(guò)配置在隨雷達(dá)天線共同運(yùn)動(dòng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的光軸為基準(zhǔn)和中介,標(biāo)定雷達(dá)機(jī)械軸和電軸之間的系統(tǒng)誤差,是雷達(dá)長(zhǎng)期和廣泛使用的標(biāo)校方法。常規(guī)標(biāo)校通常需要建立3~4個(gè)方位標(biāo)和1個(gè)標(biāo)校塔,占用地方大,需要設(shè)備多,且人工操作繁瑣。衛(wèi)星標(biāo)校是用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行的雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校。利用準(zhǔn)確的站址和精確的衛(wèi)星位置,根據(jù)設(shè)備的誤差模型求解設(shè)備的軸系誤差和零值誤差,但是衛(wèi)星過(guò)頂?shù)拇翱诖螖?shù)有限且不能進(jìn)行目標(biāo)距離值的標(biāo)定校準(zhǔn)。
隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展,已經(jīng)具備實(shí)現(xiàn)差分北斗定位技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱差分BDS)完成雷達(dá)絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量精度的校驗(yàn)。與常規(guī)標(biāo)校、衛(wèi)星標(biāo)校方法相比,具有動(dòng)態(tài)標(biāo)校趨于實(shí)戰(zhàn)任務(wù)、不受場(chǎng)地條件的影響、不受時(shí)間窗口的約束、技術(shù)自主可控、成本低、操作便捷等優(yōu)勢(shì),研究?jī)r(jià)值日益凸顯。
雷達(dá)標(biāo)校又稱校驗(yàn),分為標(biāo)定和校準(zhǔn)2項(xiàng)內(nèi)容。其中,標(biāo)定是對(duì)給定的目標(biāo),由被標(biāo)校的雷達(dá)測(cè)出目標(biāo)的測(cè)量值,由此得到數(shù)據(jù)樣本的算術(shù)平均值。由標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)出目標(biāo)的真值。校準(zhǔn)是根據(jù)系統(tǒng)誤差對(duì)雷達(dá)距離零值和角度零值進(jìn)行修正,完成對(duì)雷達(dá)的校準(zhǔn)[1]。
雷達(dá)常規(guī)標(biāo)定利用方位標(biāo)精確的大地測(cè)量值作為雷達(dá)的方位和俯仰基準(zhǔn)值,然后與雷達(dá)光軸對(duì)方位標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì),實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的標(biāo)定。雷達(dá)的常規(guī)標(biāo)定需要建設(shè)多個(gè)方位標(biāo)和一個(gè)標(biāo)校塔[2]。
在理想條件下,標(biāo)校塔與雷達(dá)天線的距離應(yīng)當(dāng)滿足的關(guān)系如下:
(1)
式中:R0為標(biāo)校塔距雷達(dá)天線距離;D為雷達(dá)天線口徑;λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)。
經(jīng)統(tǒng)計(jì),在滿足常規(guī)標(biāo)校條件下,雷達(dá)在C波段,頻率范圍在4~8 GHz,天線口徑分別為2.5 m、5 m 、10 m、20 m、40 m,天線俯仰角為1°時(shí),標(biāo)校塔距雷達(dá)天線距離R0和標(biāo)校塔相對(duì)天線中心的高度H參考值如表1所列[3]。隨著天線口徑大于10 m,標(biāo)校塔的距離和高度就難以實(shí)現(xiàn),因此僅適用于中、小口徑天線的雷達(dá)標(biāo)校,對(duì)于大口徑天線必須尋找新的標(biāo)校方法,從而克服場(chǎng)地條件制約的問(wèn)題。
表1 C波段雷達(dá)標(biāo)校塔的距離和高度參考值
差分BDS技術(shù)以廣泛應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(real-time kinematic,RTK)技術(shù)為代表。工作原理如圖1所示,是將一臺(tái)北斗接收機(jī)安裝在位置已經(jīng)精確測(cè)定的基準(zhǔn)站,這臺(tái)接收機(jī)的偽距觀測(cè)值經(jīng)過(guò)計(jì)算的精確距離值比較,得到北斗接收機(jī)的偽距修正值[4]。再將這個(gè)修正值經(jīng)過(guò)信通鏈路傳遞給目標(biāo)上的北斗接收機(jī),作為目標(biāo)上北斗的偽距修正值。利用了基準(zhǔn)站接收機(jī)和目標(biāo)上接收機(jī)共同觀視衛(wèi)星星座的相關(guān)性,消除其公共誤差,提高了定位精度[5]。目標(biāo)上的北斗利用修正后的偽距,實(shí)時(shí)解算出某一時(shí)刻目標(biāo)在空中的位置坐標(biāo),并加時(shí)標(biāo)后傳回雷達(dá),同時(shí)基準(zhǔn)站北斗的時(shí)間系統(tǒng)同步雷達(dá)的同步器。由雷達(dá)同步器對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通道進(jìn)行同步采樣取數(shù),得到同一時(shí)刻雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù),并與目標(biāo)上北斗傳回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比,得到雷達(dá)的絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量精度[6]。
圖1 差分BDS定位工作原理示意圖Fig.1 Differential BDS positioning principle
基準(zhǔn)站通過(guò)測(cè)量出可視衛(wèi)星的偽距,并與自身所在位置數(shù)據(jù)比較,給出可視衛(wèi)星偽距修正值和BDS系統(tǒng)的秒脈沖。偽距修正值經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制后,由短波通信機(jī)發(fā)送給目標(biāo)載BDS系統(tǒng),并接收目標(biāo)載BDS系統(tǒng)發(fā)回的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo),經(jīng)解調(diào)譯碼后送計(jì)算機(jī)。雷達(dá)同步器接受BDS系統(tǒng)的秒脈沖同步,并對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)通道同步采集取數(shù),送給計(jì)算機(jī),使雷達(dá)采集的目標(biāo)數(shù)據(jù)與BDS系統(tǒng)獲得的目標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)[7]?;鶞?zhǔn)站BDS采用12通道相位平滑型偽距差分接收機(jī),并采用高增益接受天線。計(jì)算機(jī)將BDS系統(tǒng)獲得的目標(biāo)數(shù)據(jù)變換成極坐標(biāo)數(shù)據(jù),與雷達(dá)測(cè)量的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,完成誤差分析,得出雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)距離、方位角和俯仰角的精度[8]。
移動(dòng)站通過(guò)通信天線接收基準(zhǔn)站傳來(lái)的可視衛(wèi)星偽距的修正值,BDS天線接收可視衛(wèi)星的偽距,用計(jì)算機(jī)對(duì)偽距進(jìn)行修正,并對(duì)修正后的多顆衛(wèi)星的偽距進(jìn)行解算,得到目標(biāo)精算的空間位置[9]。將目標(biāo)位置數(shù)據(jù)加時(shí)標(biāo)、編碼和調(diào)制,由短波電臺(tái)通信機(jī)發(fā)給雷達(dá)基準(zhǔn)站。BDS天線采用目標(biāo)載動(dòng)態(tài)天線。BDS接收機(jī)采用雙頻帶差分輸入口的接收機(jī),以便減小接收通道的信號(hào)時(shí)延。
差分BDS基準(zhǔn)站與雷達(dá)相配合,利用已知大地測(cè)量成果點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè),確定雷達(dá)站點(diǎn)坐標(biāo)和地標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),使其坐標(biāo)點(diǎn)的精度達(dá)到毫米級(jí)[10]。在地標(biāo)點(diǎn)上位置信標(biāo)與雷達(dá)相配合,并利用這兩點(diǎn)基線的指向定標(biāo)雷達(dá)的方位,完成定北。并且可以同時(shí)校準(zhǔn)天線的電軸。
利用無(wú)人機(jī)標(biāo)球載差分BDS標(biāo)定可以精確測(cè)量目標(biāo)位置作為雷達(dá)標(biāo)定的基準(zhǔn),取代了雷達(dá)常規(guī)標(biāo)校以光軸中介及其引入的標(biāo)定誤差,可直接標(biāo)定雷達(dá)電軸與機(jī)械軸的偏差。差分BDS校驗(yàn)脈沖測(cè)量雷達(dá)精度的標(biāo)校設(shè)計(jì)主要由無(wú)人機(jī)球載差分BDS移動(dòng)站接收機(jī)、地面差分BDS基準(zhǔn)站接收機(jī)、時(shí)統(tǒng)、數(shù)據(jù)錄取處理設(shè)備以及坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量組成。如圖2所示,對(duì)標(biāo)校球在某段時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,首先由BDS和時(shí)統(tǒng)設(shè)備提供精準(zhǔn)的時(shí)間,再由差分BDS系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)校球的空間位置,數(shù)據(jù)錄取處理設(shè)備將其測(cè)量的地心坐標(biāo)(L,B,H)變換成大地球坐標(biāo)(R,A,E),作為標(biāo)?;鶞?zhǔn)值。同時(shí),雷達(dá)跟蹤標(biāo)校球,獲得標(biāo)校球的空間(Rc,Ac,Ec)的測(cè)量值。最后由數(shù)據(jù)錄取處理標(biāo)校球坐標(biāo)的測(cè)量值和基準(zhǔn)值,得到雷達(dá)坐標(biāo)的系統(tǒng)誤差,作為雷達(dá)測(cè)量的校正量。
圖2 差分BDS標(biāo)校設(shè)備組成框圖Fig.2 Differential BDS calibration equipment
利用差分BDS系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量精度進(jìn)行檢驗(yàn),是以差分BDS有高定位精度為基礎(chǔ),因此要對(duì)差分BDS系統(tǒng)設(shè)備,必須進(jìn)行定位精度檢驗(yàn)[11]。按照先靜態(tài)測(cè)量,再動(dòng)態(tài)測(cè)量的步驟完成差分BDS自檢。
靜態(tài)測(cè)量是將差分BDS基準(zhǔn)站安裝在已知坐標(biāo)點(diǎn)上,移動(dòng)站放置在一個(gè)固定點(diǎn)上(LPo,BPo),使它們都投入正常工作,記錄其坐標(biāo)數(shù)據(jù)(LPi,BPi)連續(xù)觀測(cè)30 min,然后計(jì)算公式計(jì)算點(diǎn)位誤差。求出每一觀測(cè)值與固定點(diǎn)經(jīng)度、緯度的誤差,即(ΔLPi,ΔBPi)=(LPo-LPi,BPo-BPi),然后統(tǒng)計(jì)出經(jīng)度、緯度和定位位置的誤差。
經(jīng)度誤差為:
(2)
緯度誤差為:
(3)
定位位置誤差為:
(4)
動(dòng)態(tài)測(cè)量是將差分BDS基準(zhǔn)站安裝在已知坐標(biāo)點(diǎn)f上,差分BDS移動(dòng)站放置無(wú)人機(jī)載標(biāo)校球上。設(shè)置若干個(gè)固定點(diǎn)位,組成閉合環(huán)形。移動(dòng)站在運(yùn)動(dòng)中測(cè)量,每到一個(gè)固定點(diǎn)位記錄經(jīng)度和緯度,沿環(huán)形路線重復(fù)記錄N次,統(tǒng)計(jì)在同一點(diǎn)上N次記錄的一致性及偏差。取數(shù)據(jù)的中值近似為真值,即
(5)
然后利用式(1)~式(3)和移動(dòng)狀態(tài)記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)量定位精度。
差分BDS技術(shù)采用的是大地坐標(biāo)系(B,L,H),而雷達(dá)系統(tǒng)通常采用以雷達(dá)為原點(diǎn)的站心極坐標(biāo)(R,A,E)。因此在標(biāo)校前必須完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的步驟包括:大地坐標(biāo)(B,L,H)轉(zhuǎn)換為空間大地直角坐標(biāo)(X,Y,Z);空間大地直角坐標(biāo)(X,Y,Z)轉(zhuǎn)換為站心直角坐標(biāo)(x,y,z);站心直角坐標(biāo)(x,y,z)轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)(R,A,E)。這樣才能將機(jī)載差分移動(dòng)站BDS所輸出的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)作為真值與被測(cè)試?yán)走_(dá)所測(cè)目標(biāo)機(jī)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算其精度。
無(wú)人機(jī)標(biāo)球載差分BDS標(biāo)定除了能夠完成雷達(dá)常規(guī)標(biāo)定的方位軸不垂直于地平面(大盤水平度)測(cè)量、距離零值、方位角零值、俯仰角零值、重力下垂角的測(cè)定、角度定向靈敏度、俯仰軸不垂直于方位軸(方位軸、俯仰軸正交度)測(cè)量等項(xiàng)目外[12],還擴(kuò)展了包括:雷達(dá)接收通道幅度、相位、大氣折射誤差、雷達(dá)散射截面積RCS測(cè)量、雷達(dá)威力測(cè)量等雷達(dá)目標(biāo)和大氣環(huán)境影響測(cè)定的項(xiàng)目。
雷達(dá)正常工作,無(wú)人機(jī)載標(biāo)校球起飛。利用差分BDS測(cè)量標(biāo)校球的方位角A(t)、俯仰角E(t)作為基準(zhǔn)值。掃描控制天線方位角AC(t)=A(t)+θA/2、俯仰角EC(t)=E(t)+θE/2,其中,分別是雷達(dá)方位和俯仰的波束寬度。記錄統(tǒng)計(jì)接收機(jī)和、差、差三通道信號(hào)的幅度和相位數(shù)據(jù)均值。掃描控制天線方位角AC(t)=A(t)-θA/2、俯仰角EC(t)=E(t)-θE/2。再次記錄統(tǒng)計(jì)接收機(jī)和、差、差三通道信號(hào)的幅度和相位數(shù)據(jù)均值。將2次記錄統(tǒng)計(jì)三通道信號(hào)的幅度和相位數(shù)據(jù)均值再取平均。將方位、俯仰差通道幅度、相位值與和通道幅度、相位值分別進(jìn)行比較,將其差值存儲(chǔ),作為雷達(dá)跟蹤測(cè)量時(shí)的幅度、相位校正量。
在差分BDS標(biāo)定的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算機(jī)建立校正模型,實(shí)時(shí)進(jìn)行解算。記差分BDS定位解算和雷達(dá)的實(shí)際測(cè)量標(biāo)校球的坐標(biāo)數(shù)據(jù),為了減小雷達(dá)天線控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)滯后對(duì)測(cè)量系統(tǒng)誤差的影響,系統(tǒng)采用軸向跟蹤的跟蹤方式,使雷達(dá)電軸始終對(duì)準(zhǔn)標(biāo)校球。雷達(dá)接收機(jī)跟蹤獲得的角誤差與經(jīng)系統(tǒng)誤差修正后的碼盤輸出值相加,由站心極坐標(biāo)系到大地直角坐標(biāo)系變換,大地直角坐標(biāo)系進(jìn)行濾波預(yù)測(cè),再由直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系變換得到預(yù)測(cè)值。預(yù)測(cè)值與系統(tǒng)誤差修正后的碼盤輸出值相減,控制天線伺服驅(qū)動(dòng),獲得雷達(dá)對(duì)標(biāo)校球的測(cè)量值。以測(cè)量值為基準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)測(cè)量精度得到系統(tǒng)誤差,將系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正,重復(fù)對(duì)標(biāo)校球跟蹤,直到獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差,并記錄一組差分BDS解算和雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
利用校正模型按照最小二乘法[13]進(jìn)行回歸解算,獲得機(jī)械軸與電軸的方位、俯仰偏差以及天線重力下垂偏差,最終匯總雷達(dá)位置標(biāo)校的系統(tǒng)誤差、起伏誤差以及對(duì)目標(biāo)測(cè)量后需要的精準(zhǔn)校正值。
雷達(dá)與差分BDS系統(tǒng)同時(shí)跟蹤同一個(gè)目標(biāo),事后將同一時(shí)段該目標(biāo)的精確軌道作為比較標(biāo)準(zhǔn)反算至設(shè)備測(cè)量元素,與雷達(dá)設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得出設(shè)備測(cè)量元素的誤差特性。用精確坐標(biāo)反算測(cè)量坐標(biāo)系中的測(cè)量[14],已知:
精確坐標(biāo)經(jīng)部位修正后的目標(biāo)在發(fā)射坐標(biāo)系中的坐標(biāo):tj,xgj,ygj,zgj。
測(cè)站在發(fā)射坐標(biāo)系中站址坐標(biāo):xok,yok,zok,k=1,2,…,m。
雷達(dá)經(jīng)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的資料:tj,Rj,βj,αj
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
雷達(dá)數(shù)據(jù)減去標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的一次差為:
測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式如下:
誤差均值:
(11)
式中,Xj為上式中的ΔRj,Δβj,Δαj,(下同)。
總誤差σZWC:
(12)
隨機(jī)誤差σSJWC:
(13)
系統(tǒng)誤差σXTWC:
(14)
用變量差分法和最小二乘法擬合殘差法統(tǒng)計(jì)隨機(jī)誤差[15],此方法直接利用雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)雷達(dá)的測(cè)量誤差,以評(píng)定雷達(dá)測(cè)量的距離、角度、徑向速度的精密度。
變量差分法公式:
(15)
(16)
式中:P為差分階數(shù);L為差分步長(zhǎng)。
最小二乘法擬合殘差法公式:
(17)
式中:
(18)
S=(s1,s2,…,sN)T
(19)
(20)
式中,P為擬合多項(xiàng)式階數(shù)[16]。
當(dāng)所統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差均不大于雷達(dá)研制任務(wù)書要求指標(biāo)時(shí),評(píng)定雷達(dá)測(cè)量的精度為合格,否則為不合格。
實(shí)例采用大疆M600 PRO型6軸無(wú)人機(jī)搭載并聯(lián)機(jī)械臂下攜直徑為300 mm的標(biāo)準(zhǔn)金屬球。將差分BDS移動(dòng)站設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸和電源安裝在標(biāo)準(zhǔn)金屬球內(nèi)。BDS天線由金屬球的上方伸出,電臺(tái)通信天線由金屬球的下方伸出。差分BDS設(shè)備采用QFRTK-B5微型基準(zhǔn)站、QFRTK-B5微型移動(dòng)站。雷達(dá)工作C波段,天線口徑5 m。實(shí)例借助北京無(wú)線電測(cè)量研究所駐河北易縣試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證。
如圖3所示,雷達(dá)與差分BDS系統(tǒng)同時(shí)跟蹤無(wú)人機(jī)載標(biāo)校金屬球,事后將同一時(shí)段無(wú)人機(jī)的精確軌道作為比較標(biāo)準(zhǔn)反算至設(shè)備測(cè)量元素,與經(jīng)過(guò)誤差修正的雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法得出雷達(dá)的誤差特性綜合分析。
圖3 數(shù)據(jù)錄取處理過(guò)程Fig.3 Data admission process
根據(jù)表2可知,通過(guò)對(duì)經(jīng)校準(zhǔn)前后的常規(guī)標(biāo)校、差分BDS標(biāo)校以及雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作比較,得到經(jīng)校準(zhǔn)后雷達(dá)對(duì)距離、方位角、俯仰角的測(cè)量數(shù)據(jù)精度合格,并有效地保持在精度范圍內(nèi)并且優(yōu)于常規(guī)標(biāo)校測(cè)量值,從而證實(shí)了差分BDS校驗(yàn)雷達(dá)精度的可行性。
表2 標(biāo)校數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)
1) 采用無(wú)人機(jī)球載差分BDS移動(dòng)站與地面差分BDS基準(zhǔn)站組成的系統(tǒng)代替雷達(dá)常規(guī)標(biāo)校塔的標(biāo)校方案,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)動(dòng)態(tài)標(biāo)校,解決了大口徑天線雷達(dá)標(biāo)校中場(chǎng)地條件制約的難題,工程應(yīng)用前景廣闊。
2) 通過(guò)某型C波段脈沖測(cè)量雷達(dá)開展標(biāo)校試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該方法切實(shí)可行,尤其是針對(duì)俯仰定向靈敏度、方位定向靈敏度以及天線大盤不水平度的標(biāo)定滿足脈沖測(cè)量雷達(dá)校驗(yàn)精度的要求。
3) 采用差分BDS標(biāo)校方法的工作流程具有極高自動(dòng)化能力,有效避免了常規(guī)標(biāo)校中觀察員通過(guò)光學(xué)目鏡標(biāo)定這類人為因素對(duì)于標(biāo)校系統(tǒng)的影響,提高了標(biāo)校數(shù)據(jù)的參考價(jià)值。