彭曉剛　李景巖

(91404部隊(duì)　秦皇島　066000)

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艦載雷達(dá)精度試驗(yàn)誤差源分析及真值數(shù)據(jù)處理方法研究*

彭曉剛李景巖

(91404部隊(duì)秦皇島066000)

摘要艦載雷達(dá)測量精度較高,是探測和跟蹤目標(biāo)的主要裝備。雷達(dá)精度指標(biāo)的好壞,關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。試驗(yàn)中,考核雷達(dá)探測指標(biāo)精度是一項(xiàng)重要科目,探索雷達(dá)探測相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)處理方法,對艦船試驗(yàn)具有重要意義。論文立足艦船試驗(yàn),分析了艦載雷達(dá)精度試驗(yàn)中的影響結(jié)果評判的誤差來源,研究了適合試驗(yàn)的真值數(shù)據(jù)處理方法。研究結(jié)果在實(shí)踐中得到了驗(yàn)證,證明方法可行。

關(guān)鍵詞艦載雷達(dá); 精度試驗(yàn); 誤差源; 真值處理

Class NumberTN959

1引言

艦載雷達(dá)具有較高的測量精度,是探測運(yùn)動目標(biāo)距離、方位、速度等參數(shù)并進(jìn)行跟蹤的主要裝備,是保證艦船充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能、關(guān)系武器命中概率的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)[1～3]。

雷達(dá)精度指標(biāo)的好壞,直接關(guān)系到武器系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。探測指標(biāo)的精度試驗(yàn)是其他裝設(shè)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)。艦船試驗(yàn)中,考核雷達(dá)探測指標(biāo)精度是一項(xiàng)重要科目,探索雷達(dá)探測相關(guān)參數(shù)真值數(shù)據(jù)處理方法,對艦船試驗(yàn)具有重要意義。本文將立足實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境,分析艦載雷達(dá)精度試驗(yàn)中的影響結(jié)果評判的誤差來源,研究適合艦船試驗(yàn)的真值數(shù)據(jù)處理方法。

2相關(guān)坐標(biāo)系

2.1艦船載體坐標(biāo)系和雷達(dá)探測坐標(biāo)系

艦船載體坐標(biāo)系O-XYZBFS的原點(diǎn)O為艦船數(shù)據(jù)歸算中心;YBFS軸位于艦船零位基準(zhǔn)面,指向艦艏方向;XBFS軸位于艦船零位基準(zhǔn)面,垂直于YBFS軸,指向艦船右舷;ZBFS軸與XBFS軸和YBFS軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。在該坐標(biāo)系中,只要測量出各個裝備相對于歸算中心的參數(shù),就能確定其位置關(guān)系。

艦載雷達(dá)探測的坐標(biāo)系O-XYZR是以艦船平臺為基礎(chǔ)的站心直角坐標(biāo)系。原點(diǎn)為雷達(dá)回轉(zhuǎn)中心;YR軸平行于艦船零位基準(zhǔn)面,指向艦艏方向;XR軸平行于零位基準(zhǔn)面,垂直于YR軸,指向艦船右舷;ZR軸與XR軸和YR軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

雷達(dá)的回轉(zhuǎn)中心在載體坐標(biāo)系O-XYZBFS中的位置參數(shù)在雷達(dá)裝艦時就固定,可以通過定期標(biāo)定測出,雷達(dá)探測解算時把安裝參數(shù)作為已知值[1～8]。由坐標(biāo)關(guān)系有:

(1)

2.2探測坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)厮矫孀鴺?biāo)系

(2)

由雷達(dá)探測坐標(biāo)系與艦船載體坐標(biāo)系關(guān)系,可以得到目標(biāo)在艦船載體坐標(biāo)系下的坐標(biāo):

(3)

由載體坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)厮矫孀鴺?biāo)關(guān)系,可以得到目標(biāo)在當(dāng)?shù)厮矫孀鴺?biāo)系中的坐標(biāo):

(4)

(5)

(6)

3誤差源分析及處理方法研究

由上述分析得知,式(6)計(jì)算的雷達(dá)探測數(shù)據(jù)中,既包含雷達(dá)自身探測誤差,同時又包含了艦載導(dǎo)航設(shè)備姿態(tài)誤差、雷達(dá)在艦船載體坐標(biāo)系中起算點(diǎn)誤差。為了考核雷達(dá)本身精度,需要剔除導(dǎo)航誤差和雷達(dá)起算坐標(biāo)誤差[2～6]。

3.1雷達(dá)探測系統(tǒng)誤差消除方法設(shè)計(jì)

艦船海上試驗(yàn)時,能夠直接獲取的雷達(dá)探測值為艦船當(dāng)?shù)厮矫孀鴺?biāo)系中的距離方位等(SLLS,ALLS,ELLLS)。由于艦船當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系是通過艦船導(dǎo)航參數(shù)轉(zhuǎn)換得到,其中包含了導(dǎo)航設(shè)備姿態(tài)誤差,為了與真實(shí)的當(dāng)?shù)厮矫孀鴺?biāo)系區(qū)分,本文稱之為“偽當(dāng)?shù)厮矫妗弊鴺?biāo)系,以符號“pLLS”表示。為了檢驗(yàn)雷達(dá)探測精度,需要得到雷達(dá)探測目標(biāo)在真實(shí)水平面坐標(biāo)系中的數(shù)據(jù),為此需要把pLLS中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到LLS坐標(biāo)系中[4～8]。設(shè)計(jì)具體轉(zhuǎn)換流程設(shè)計(jì)如圖1(a)所示。

根據(jù)式(2)～式(6),得到雷達(dá)探測目標(biāo)LLS計(jì)算值為

(7)

(8)

試驗(yàn)時,通過GPS測量雷達(dá)位置、運(yùn)動參數(shù)以及目標(biāo)運(yùn)動、位置參數(shù),通過空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、直角坐標(biāo)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,就可以得到雷達(dá)探測真值,如圖1(b)所示。得到雷達(dá)探真值和實(shí)測值,通過雷達(dá)數(shù)據(jù)處理,就能夠判斷雷達(dá)探測精度,分析裝備性能,判定其指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)需求[6]。

3.2雷達(dá)安裝參數(shù)偏差標(biāo)定研究

精度試驗(yàn)中,雷達(dá)安裝參數(shù)測定直接影響結(jié)果數(shù)據(jù)。根據(jù)定義,要求三軸指向與艦船平臺坐標(biāo)系平行,雷達(dá)在實(shí)際安裝中不可能做到完全安裝一致。另外,由于使用過程中,雷達(dá)基座、支架和轉(zhuǎn)臺等發(fā)生磨損變形,造成雷達(dá)探測坐標(biāo)系將發(fā)生偏差[5～10]。假設(shè)O-XYZ為理論探測坐標(biāo)系,O-X′Y′Z′為實(shí)際坐標(biāo)系。參照姿態(tài)參數(shù)定義,假設(shè)由坐標(biāo)系O-X′Y′Z′轉(zhuǎn)換到O-XYZ的三軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)為(α,β,γ),因此有:

XO-XYZ=R213(α,β,γ)XO-X′Y′Z′

(9)

得到雷達(dá)探測坐標(biāo)系偏差R213(α,β,γ)后,式(7)應(yīng)改寫為

(10)

寫成標(biāo)準(zhǔn)形式為

(11)

令:

(12)

得到

b=R213(α,β,γ)u

(13)

bi=R213(α,β,γ)uii=1,2,…,n

(14)

由上面得協(xié)因數(shù)陣Σui和Σbi。因此式(14)中,bi和ui為觀測值,未知數(shù)為(α,β,γ)。式(14)基于初始值(α0,β0,γ0)對(α,β,γ)的線性化方程為

(15)

平差得到三個旋轉(zhuǎn)角改正數(shù)(δα,δβ,δγ)的最小二乘解為

(16)

因而得到三軸旋轉(zhuǎn)參數(shù)的估計(jì)值和改正數(shù)的協(xié)方差矩陣:

(17)

(18)

式(17)中未知數(shù)的初始值可以通過姿態(tài)解算方法的直接算法計(jì)算得到。其初始值通常比較精確,因此最小二乘估計(jì)只需幾次迭代即可。

4驗(yàn)證

結(jié)合XX船設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)進(jìn)行了某雷達(dá)精度指標(biāo)試驗(yàn)項(xiàng)目,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理方法驗(yàn)證,如圖2所示。(由于某些限制,在此只給某段出曲線走勢,不給出具體數(shù)值)。

圖2　數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證示意圖

5結(jié)語

本文結(jié)合艦船試驗(yàn),分析了艦載雷達(dá)精度試驗(yàn)中的影響結(jié)果評判的誤差來源,研究了適合艦船試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法,推導(dǎo)了相關(guān)計(jì)算模型。研究的結(jié)果在試驗(yàn)中得到驗(yàn)證使用,證明了方法的可靠性和可行性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 呂遐東,李蕾,李維林,等.艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)雷達(dá)統(tǒng)一對準(zhǔn)模型及其誤差分析[J].中國艦船研究,2009,4(6):53-57.

Lü Xiadong, LI Lei, LI Weilin, et al. A Unified Radar Alignment Model with Error Analysis for Shipboard Combat System[J]. Chinese Journal of Ship Research,2009,4(6):53-57.

[2] 吳小強(qiáng),竇林濤,初陽,等.艦艇姿態(tài)對雷達(dá)測量誤差的影響分析[J].指揮控制與仿真,2011,33(6):102-105.

WU Xiaoqiang, DOU Lintao, CHU Yang, et al. Analysis of Effects on Radar Measurement Errors Due to Ship Attitude[J]. Command Control & Simulation,2011,33(6):102-105.

[3] 胡波,梁星霞,練學(xué)輝.雷達(dá)系統(tǒng)誤差的測量和修正方法[J].雷達(dá)與對抗,2005,(12):12-15.

HU Bo, LIANG Xingxia, LIAN Xuehui. Measurement and correction of radar system error[J]. Radar & ECM,2005,(12):12-15.

[4] 劉玉洲.艦艇搖擺對雷達(dá)測向精度及工作方式的影響[J].艦船電子對抗,2002,25(2):18-21.

LIU Yuzhou. The infection of Warship Rocking on Radar Direction-Finding Precision and Operation Modes[J]. Shipboard Electronic Warfare,2002,25(2):18-21.

[5] 李興民,趙修平,張良.艦載多雷達(dá)靜態(tài)零位統(tǒng)標(biāo)方法[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2011,26(6):663-666.

LI Xingmin, ZHAO Xiuping, ZHANG Liang. The Method for Carrier-Borne Multi-Radar Static zero Unified Calibration,2011,26(6):663-666.

[6] 彭曉剛.GPS姿態(tài)測量及其在海軍靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué),2011.

PENG Xiaogang. Study on GPS Attitude Determination and Its Application in Navy Shooting Ranges’ Experiment Data Processing[D]. Zhengzhou: PLA Information Engineering University,2011.

[7] 衣同勝,胡夢中.艦載測量雷達(dá)零值標(biāo)校方法研究[J].測控遙感與導(dǎo)航定位,2013,43(6):26-29.

YI Tongsheng, HU Mengzhong. Method of Zero Value Calibration for Ship-based Measurement Radar[J]. Radio Engineering,2013,43(6):26-29.

[8] 何小峰,丁軍,竇林濤.艦載雷達(dá)有源標(biāo)校方法研究[J].指揮控制與仿真,2010,32(1):92-95.

HE Xiaofeng, DING Jun, DOU Lintao. Shipborne Radar Active Calibration Method[J]. Command Control & Simulation,2010,32(1):92-95.

[9] 劉高峰,劉健.基于GPS定位系統(tǒng)的艦船雷達(dá)標(biāo)校系統(tǒng)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2006,28(6):100-114.

LIU Gaofeng, LIU Jian. Research on shipborne radar calibration system based on GPS positioning system[J]. Ship Science and Technology,2006,28(6):100-114.

[10] 趙馨,王世峰,佟首峰,等.艦載雷達(dá)零位標(biāo)校方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2009,37(2):119-123.

ZHAO Xin, WANG Shifeng, TONG Shoufeng, et al. Method on Zero Position Calibration of Shipborne Radar[J]. Modern Defence Technology,2009,37(2):119-123.

收稿日期:2016年1月12日,修回日期:2016年2月22日

基金項(xiàng)目:海軍試驗(yàn)基地創(chuàng)新科研基金(編號:2015012)資助。

作者簡介:彭曉剛,男,博士,高級工程師,研究方向:衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)處理。李景巖,男,高級工程師,研究方向:衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)處理。

中圖分類號TN959

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.011

Error Sources to Shipboard Radar Accuracy Test and True Data Processing Methods

PENG XiaogangLI Jingyan

(No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractShipboard radars are of high accuracy, and are the main equipments that using to detect target moving parameters and tracks. The test results of accuracy indexes directly affect the system test conclusion. In experiment environment, examining radar detecting accuracy indexes is the important subject. Studying the data processing methods of detect target moving parameter is of important meaning to our examining. Based on ship experiment environment, this article analyses the error sources in accuracy test of shipboard radars that may affect test conclusion, and studies the methods of true data processing. The study results are validated in really shooting ranges’ experiment, and the results are proved viable.

Key Wordsshipboard radar, accuracy test, error sources, true data processing