王建富，吳金海，鈕俊清，郭佳意

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230088； 2.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 030027)

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一種雷達(dá)衛(wèi)星標(biāo)校中的野值剔除方法

王建富1，吳金海2，鈕俊清1，郭佳意1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230088； 2.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 030027)

通過(guò)衛(wèi)星標(biāo)校方式提高雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度時(shí)，雷達(dá)獲取的測(cè)量點(diǎn)跡對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響巨大，尤其存在野值點(diǎn)的情況下，雷達(dá)系統(tǒng)誤差標(biāo)定可能失效。提出了基于雷達(dá)衛(wèi)星標(biāo)校的野值剔除方法，首先將測(cè)量值與真實(shí)星歷值對(duì)比，得到雷達(dá)的初始系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，并以此確定測(cè)量點(diǎn)跡的波動(dòng)范圍，排除部分野值；然后利用剔除野值后的數(shù)據(jù)，以同樣的方式確定波動(dòng)范圍，對(duì)測(cè)量點(diǎn)跡重新進(jìn)行野值剔除；最后利用過(guò)濾后的測(cè)量點(diǎn)跡進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)誤差的標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法得到的雷達(dá)系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差變小，能夠提高雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度。

衛(wèi)星標(biāo)校；野值剔除；系統(tǒng)誤差

0 引 言

系統(tǒng)標(biāo)定是確保雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其中通過(guò)衛(wèi)星對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定是目前一種常規(guī)且先進(jìn)的方法。該方法通過(guò)比對(duì)近地軌道衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)與精密星歷(即精軌數(shù)據(jù))，分析解算出各項(xiàng)誤差系數(shù)，既能克服天氣等因素的影響，又適應(yīng)了雷達(dá)的動(dòng)態(tài)技術(shù)狀態(tài)[1]。

但是在實(shí)際的觀測(cè)任務(wù)中，雷達(dá)接收的信號(hào)，由于雜波、噪聲或人為干擾，可能存在或多或少的點(diǎn)跡，在距離、方位或仰角上與觀測(cè)目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)行軌跡相去甚遠(yuǎn)，此類(lèi)點(diǎn)我們稱(chēng)為野值點(diǎn)。盡管現(xiàn)代雷達(dá)采用了諸多信號(hào)處理技術(shù)，但是總會(huì)遺漏一小部分雜波或干擾信號(hào)，從而構(gòu)成野值點(diǎn)，在衛(wèi)星標(biāo)校計(jì)算時(shí)，這些野值點(diǎn)可能造成系統(tǒng)誤差系數(shù)無(wú)法反映雷達(dá)真實(shí)的測(cè)量精度，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差標(biāo)定失效。本文針對(duì)如何剔除野值、提高雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度的問(wèn)題展開(kāi)研究。

1 野值介紹

在各種數(shù)據(jù)處理問(wèn)題中，由于傳感器本身或者數(shù)據(jù)傳輸中的種種原因，都可能造成測(cè)量序列中包含某些錯(cuò)誤的測(cè)量值，工程上稱(chēng)為野值[2]。在雷達(dá)系統(tǒng)中，接收的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、恒虛警檢測(cè)等一系列處理后輸出的信號(hào)如果超過(guò)某個(gè)設(shè)定的檢測(cè)門(mén)限，便可判斷為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)[3]。

通過(guò)設(shè)定門(mén)限的方法排除干擾產(chǎn)生的信號(hào)，是一種常規(guī)方式。但是門(mén)限的設(shè)定難以把握，門(mén)限設(shè)定低會(huì)造成較多虛警，門(mén)限設(shè)定高可能將真實(shí)目標(biāo)排除。雖然信號(hào)處理可以過(guò)濾絕大多數(shù)的虛假信號(hào)，但是虛警信號(hào)的遺漏無(wú)法避免，因而形成的野值點(diǎn)會(huì)給雷達(dá)數(shù)據(jù)處理工作帶來(lái)十分不利的影響。

1.1 野值成因

野值的出現(xiàn)來(lái)自多方面的影響，主要因素如下[4]：

(1) 操作和記錄時(shí)的過(guò)失，以及數(shù)據(jù)復(fù)制和計(jì)算處理時(shí)所出現(xiàn)的過(guò)失性錯(cuò)誤，由此產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為過(guò)失誤差；

(2) 探測(cè)環(huán)境的變化，探測(cè)環(huán)境的突然改變使得部分?jǐn)?shù)據(jù)與原先樣本的模型不符合，例如雷達(dá)跟蹤時(shí)應(yīng)答機(jī)工作狀態(tài)的不穩(wěn)定等；

(3) 實(shí)際采樣數(shù)據(jù)中也可能出現(xiàn)另一類(lèi)異常數(shù)據(jù)，它既不是來(lái)自操作和處理的過(guò)失，也不是由突發(fā)性強(qiáng)影響因素導(dǎo)致的，而是某些服從長(zhǎng)尾分布的隨機(jī)變量作用的結(jié)果。

1.2 野值對(duì)系統(tǒng)標(biāo)校的影響

無(wú)論對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理還是事后數(shù)據(jù)分析，野值的存在都會(huì)造成處理結(jié)果失真。衛(wèi)星標(biāo)校中的野值點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差劇烈波動(dòng)，不同的觀測(cè)任務(wù)下得到的系統(tǒng)誤差相差較大，無(wú)法反映雷達(dá)系統(tǒng)的正常狀態(tài)和測(cè)量精度，因此對(duì)于野值的剔除是十分必要的。但是如果野值剔除算法選擇不當(dāng)，可能造成野值剔除不理想或者將部分非野值點(diǎn)錯(cuò)剔的情況。

2 野值剔除算法

本文提出的野值剔除算法對(duì)比測(cè)量點(diǎn)跡和精軌數(shù)據(jù)，通過(guò)多次篩選達(dá)到剔除野值的目的。流程如圖1所示。

2.1 計(jì)算初始系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差

雷達(dá)初始系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的計(jì)算過(guò)程如圖2所示。

首先獲取雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星編號(hào)的精密軌道綜合預(yù)測(cè)格式(CPF)或大地坐標(biāo)系(WGS)精軌數(shù)據(jù)。由于精軌數(shù)據(jù)采樣周期比較長(zhǎng)，所以需要對(duì)精軌數(shù)據(jù)進(jìn)行插值：以測(cè)量點(diǎn)跡時(shí)間為基準(zhǔn)，通過(guò)拉格朗日多項(xiàng)式對(duì)CPF或WGS精軌數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，得到與每個(gè)測(cè)量點(diǎn)跡相對(duì)應(yīng)的精軌數(shù)據(jù)[5]，拉格朗日插值為：

(1)

式中：li(t)為插值基函數(shù)；n為階數(shù)；ln(t)為內(nèi)插衛(wèi)星精軌的位置；t即為觀測(cè)時(shí)刻；xi為精密星歷給出的ti時(shí)刻的衛(wèi)星三維坐標(biāo)(R，A，E)。

然后對(duì)精軌數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將插值后地心直角坐標(biāo)系下的精軌數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到雷達(dá)站心坐標(biāo)系，與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

(2)

(3)

2.2 一次野值剔除

得到初始系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差后，進(jìn)行第1次野值剔除，具體算法流程如圖3所示。

根據(jù)初始系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，首先通過(guò)公式(2)、(3)分別得到原始測(cè)量點(diǎn)跡的波動(dòng)范圍。其中ymin和ymax為測(cè)量點(diǎn)跡的距離、方位和仰角的上限與下限，系數(shù)k用于調(diào)節(jié)波動(dòng)范圍，一般取值3～5：

(4)

然后根據(jù)ymin和ymax依次對(duì)測(cè)量點(diǎn)跡進(jìn)行篩選，對(duì)于不能同時(shí)滿(mǎn)足條件(5)的點(diǎn)跡剔除，從而完成第1次野值剔除：

(5)

2.3 二次野值剔除及系統(tǒng)誤差標(biāo)定

同第1次野值剔除處理相同，在進(jìn)行第2次野值剔除時(shí)首先通過(guò)公式(4)確定原始測(cè)量點(diǎn)跡的波動(dòng)范圍；然后根據(jù)條件(5)對(duì)所有的原始點(diǎn)跡進(jìn)行野值判斷；最后根據(jù)篩選得到的測(cè)量點(diǎn)跡以及對(duì)應(yīng)的精軌數(shù)據(jù)通過(guò)公式(2)、(3)得到最終的雷達(dá)系統(tǒng)誤差和隨機(jī)差。具體流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)效果

已知某脈沖測(cè)量雷達(dá)安裝調(diào)試后參數(shù)如下：

(1) 雷達(dá)參數(shù)：最大作用距離R≥ 3 000 km；測(cè)距隨機(jī)誤差σR=5 m；測(cè)角隨機(jī)誤差σθ=0.15 mrad；目標(biāo)發(fā)現(xiàn)仰角E=5°。

(2)衛(wèi)星參數(shù)：衛(wèi)星NASA，編號(hào)39451、39452、39453。

在野值剔除之前得到測(cè)量點(diǎn)跡和精軌數(shù)據(jù)的一次差結(jié)果如圖5所示，存在比較明顯的野值點(diǎn)。通過(guò)本文的算法篩選后，各個(gè)變量下的野值都被排除，k=5。具體結(jié)果如表1所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，野值剔除后雷達(dá)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差顯著穩(wěn)定，有助于提升雷達(dá)測(cè)量精度。

表1 野值剔除前后雷達(dá)系統(tǒng)誤差和隨機(jī)差的比較

4 結(jié)束語(yǔ)

野值的存在對(duì)于雷達(dá)數(shù)據(jù)處理非常不利，嚴(yán)重影響雷達(dá)誤差標(biāo)定的效果。為了更加可靠地得到雷達(dá)的系統(tǒng)誤差，本文提出一種野值剔除方法，該方法根據(jù)測(cè)量值與真實(shí)星歷值，首先得到雷達(dá)的初始系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，并以此完成第1次野值剔除，進(jìn)而以同樣的方式利用剔除野值后的測(cè)量點(diǎn)跡與真實(shí)星歷值進(jìn)行二次野值剔除，并得到最終的雷達(dá)系統(tǒng)誤差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的有效性，同時(shí)也證明了野值剔除的必要性。野值的剔除能夠使標(biāo)校結(jié)果更為客觀、準(zhǔn)確、可信。

[1] 郭佳意，鈕俊清.雷達(dá)衛(wèi)星標(biāo)校的工程實(shí)現(xiàn)研究[J].空軍預(yù)警學(xué)院學(xué)報(bào),2014,28(3):165-167.

[2] 秦勤.雷達(dá)目標(biāo)跟蹤濾波算法的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2006.

[3] 何友.雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[4] 胡紹林,孫國(guó)基.靶場(chǎng)外測(cè)數(shù)據(jù)野值點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)診斷技術(shù)[J].宇航學(xué)報(bào),1999,20(2)：68-74.

[5] 趙輝, 張書(shū)畢, 張秋昭,等.基于質(zhì)心拉格朗日插值的GPS軌道標(biāo)準(zhǔn)化方法[J].全球定位系統(tǒng)，2011,36(2):15-18.

AnOutlierEliminationMethodinSatelliteCalibrationforRadar

WANG Jian-fu1,WU Jin-hai2,NIU Jun-qing1,GUO Jia-yi1
(1.Key Lab of Aperture Array and Space Application,No.38 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China; 2.Taiyuan Satellite Launch Center,Taiyuan 030027,China)

In the process of improving the measurement precision of radar system through satellite calibration mode,the original measured trace obtained from radar has a great influence on the calibration results.Especially with outliers existing,the calibration for the radar system error ceases to be effective.In this paper,an outlier elimination method based on satellite calibration for radar is proposed.Firstly,by contrasting the measured value to real value of the same satellite track,the initial radar system error and random error are achieved,which is used to get the fluctuate range of measured trace and further to remove partial outliers.Then in the same way,uses the measured trace after outlier elimination,the new fluctuate range is determined and used to eliminate outliers.At last the satellite calibration of radar system error is carried on by using the measured value after the second outlier elimination.Experimental results show that the radar system error and random error achieved by the proposed approach become small,which can improve the measurement precision of radar system.

satellite calibration;outlier elimination;system error

2017-03-06

TN957.51

：A

：CN32-1413(2017)03-0054-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.013