李 龍 萬 軍 武 斌

(中國兵器裝備集團(成都)火控技術(shù)中心 成都 611731)

0 引言

精密跟蹤雷達作為防空火控跟蹤雷達，是近程火控防御系統(tǒng)的關(guān)鍵武器設(shè)備，是一種具有較高跟蹤精度的單目標跟蹤雷達，其主要任務(wù)就是提供目標精確的距離、方位和俯仰(R、A、E)坐標位置。隨高新科技的發(fā)展，作為現(xiàn)代近程防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)對象的各種高性能飛機及彈類攻擊性武器也得到迅猛發(fā)展，對跟蹤雷達的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能如穩(wěn)定跟蹤能力和測量精度提出了更高的要求。為精確提供目標位置信息(即高精度的距離、角度信息)，跟蹤雷達的軸系精度也需提高，才能為解算目標信息提供精確的基準。因此跟蹤雷達總調(diào)過程中的軸系校準至關(guān)重要，其測試條件、調(diào)試過程、驗收等各環(huán)節(jié)必須給予重視。隨著武器安裝平臺的多樣化，跟蹤雷達天線安裝形式也隨之變化，軸系標校難度增加，操作性程度減弱，隨著光學測量儀器精度的提高，利用高精度的全站儀對跟蹤雷達天線俯仰零位進行校準，簡化測量方法并且降低測量難度。通過某型號精密跟蹤雷達的系統(tǒng)凋試過程驗證了其實用性和有效性，經(jīng)工程實踐試驗數(shù)據(jù)分析，證明此零位校準方法具有良好的工作效能。

1 跟蹤雷達軸系組成

跟蹤雷達天線經(jīng)轉(zhuǎn)接板安裝在天線座方位-俯仰倒“π”字型支撐架上，保護天線的玻璃鋼天線罩安裝在天線前端。跟蹤雷達天線安裝狀態(tài)如圖1所示。跟蹤雷達天線陣面機械軸的標校，其目的是要找出平面天線陣輻射面法線方向(即平面天線陣輻射法線的方位和俯仰零位值)。

圖1 跟蹤雷達天線安裝狀態(tài)示意圖

跟蹤雷達的軸系[1-2](如圖2所示)一般意義上包括光軸、電軸和機械軸。一般對光軸、電軸和機械軸的定義如下：

1)光軸：校靶鏡中心與從校靶鏡中觀察到的十字分劃中心所對準的遠距離點之問的連線方向被稱為天線的光軸(即校靶鏡的視準軸)，光軸的理想位置與電軸平行。

2)電軸：當跟蹤雷達對點目標自動跟蹤，目標誤差信號等于零時(即天線精確對準目標的情況下)，天線和被自動跟蹤目標之間的假想連線被稱為天線的電軸，電軸的理想位置應(yīng)與機械軸重合。

3)機械軸：由天線系統(tǒng)機械元件決定的，位于與俯仰軸(天線俯仰轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)軸心線)垂直的平面內(nèi)的設(shè)計計算電軸(即電軸的理想方向)。

圖2 跟蹤雷達軸系示意圖

2 標校方法

2.1 標校要求

光軸是跟蹤雷達的坐標(方位、俯仰)基準，光軸的理想位置與電軸平行，標校的目的實質(zhì)上就是要保證跟蹤雷達光軸、電軸和機械軸保持一致。根據(jù)近程火控防御武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需要，要保證一定精度范圍的軸系一致性，這就是跟蹤雷達的標校精度要求。

跟蹤雷達機械加工制造裝配過程中，要先在天線座方位-俯仰倒“π”字型支撐架上安裝一只校靶鏡，天線座俯仰軸嚴格垂直于光軸。跟蹤雷達校靶鏡的俯仰軸在光電軸匹配校準過程中完成，校靶鏡的方位軸利用光學方法校準，光軸標校后，不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力。由于校靶鏡的視準軸作為跟蹤雷達的基準軸，光軸代表了跟蹤雷達俯仰、方位坐標的基準，跟蹤雷達系統(tǒng)調(diào)試過程中的標定、檢查，要以光軸為基準。跟蹤雷達出廠之前，軸系需經(jīng)過嚴格的校準和檢驗。

2.2 全站儀組成

全站儀[3-4]，即全站型電子測距儀，由測角、測距、數(shù)據(jù)處理、通訊、顯示屏和電源等組成，是集距離、水平角、俯仰角、高程差測量功能于一體的高技術(shù)測繪儀器系統(tǒng)。與光學經(jīng)緯儀相比，電子經(jīng)緯儀為光電掃描度盤，能自動記錄和顯示讀數(shù)，使測量操作簡單化，可避免產(chǎn)生人為的讀數(shù)誤差。根據(jù)水平角、俯仰角測角精度，電子全站儀可分為0.1″、0.2″、0.5″、1″、2″和5″等幾個等級。

2.3 測量原理

測量原理如圖3所示，利用跟蹤雷達的校靶鏡和全站儀的望遠鏡。光軸(校靶鏡)標校后，不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力，校靶鏡的視準軸作為跟蹤雷達的基準軸。在跟蹤雷達和全站儀都進行調(diào)平后，觀測者利用跟蹤雷達的校靶鏡和全站儀的望遠鏡互相對瞄，當兩觀測者同時瞄準對方物鏡的“+”中心點處，此時分別記錄兩者俯仰角讀數(shù)，一個為跟蹤雷達俯仰值Eradar(單位為mil)，另一個為全站儀俯仰角值Etotalstation(單位為XX°XX′XX″)。若跟蹤雷達俯仰零位(即跟蹤雷達俯仰值為0mil)為大地坐標系下的絕對零位，則兩者讀數(shù)跟蹤雷達俯仰值的絕對值|Eradar|和全站儀俯仰角值的絕對值|Etotalstation|之和應(yīng)為90°，即為式(1)(讀數(shù)要進行相應(yīng)單位的換算)。

圖3 測量原理示意圖

(1)

3 標校步驟

3.1 光軸標校

1)跟蹤雷達天線對準信號源信標喇叭時，理論上方位、俯仰的角誤差值都應(yīng)為0。首先要進行“找零點”，穩(wěn)定跟蹤伺服控制跟蹤雷達天線對準標信號源信標喇叭，并保持當前角度不變，信標喇叭發(fā)出信標信號(與跟蹤雷達工作頻率相同的連續(xù)波)。

2)跟蹤信號處理采集和、方位差和俯仰差通道間的中頻信號，獲取相位信息后自動完成相位修正標校。

3)跟蹤信號處理加載標校得到的相位，穩(wěn)定跟蹤伺服控制跟蹤雷達天線檢查天線方向圖、測角誤差線性和測角誤差極性是否正常。若不正常，則重復(fù)步驟1)～2)。

4)切換跟蹤雷達工作的各個頻點，重復(fù)步驟1)～3)，遍歷所有工作頻點。

跟蹤信號處理校相功能主要由斜率修正單元和相位校正單元實現(xiàn)，保證滿足跟蹤雷達測角精度的要求。斜率修正單元實質(zhì)上就是一個系數(shù)可變的乘法器，其功能由DSP(數(shù)字信號處理器)完成；相位校正單元通過數(shù)字移相器對和信號進行相位修正。光軸標校后，不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力，校靶鏡的視準軸作為跟蹤雷達的基準軸。

3.2 俯仰軸與零位夾角的測定

光軸標校后，需對跟蹤雷達天線機械軸(方位和俯仰)零位基準進行測定和修正。機械軸方位零位[6]基準通常是以正北(大地基準點)為參照，測量出天線機械軸方位零位與正北的夾角，即可對方位零位進行修正。主要講述利用全站儀對天線俯仰零位進行測定的過程，測定過程簡述如下。

1)分別對跟蹤雷達和全站都進行調(diào)平，兩者相距100m左右。

2)利用跟蹤雷達的校靶鏡和全站儀的望遠鏡互相對瞄，當兩觀測者同時瞄準對方物鏡的“+”中心點處，記錄兩者俯仰角讀數(shù)(Eradar和Etotalstation)，為消除人為讀數(shù)誤差，可重復(fù)進行3次。

3)為消除跟蹤雷達調(diào)平帶來水平誤差，在跟蹤雷達不同方位處(可均勻選擇3個點位)重復(fù)步驟2)。

4)依據(jù)多組記錄數(shù)據(jù)(Eradar和Etotalstation)，經(jīng)|Eradar|°+|Etotalstation|°=90°計算，即可得出俯仰軸與零位的夾角(需進行均值處理)。

以某部精密跟蹤雷達試驗數(shù)據(jù)(見表1)為例，進行俯仰軸與零位夾角的測定說明。

表1 跟蹤雷達俯仰軸與零位夾角的測定試驗數(shù)據(jù)

以點位A序號1的數(shù)據(jù)(Eradar=-2.920mil、Etotalstation=89°45′53″)為例，經(jīng)計算Etotalstation-90°=89°45′53″-90°≈-3.921mil，則可得俯仰軸與零位的夾角為Eradar-(Etotalstation-90°)=1.013mil。

3.3 俯仰零位修正

俯仰零位修正，實質(zhì)上就是要完成對俯仰零位的校準。俯仰軸與零位夾角測定后，若俯仰軸與零位的夾角不為0，則需對俯仰零位進行修正。以上述的某部精密跟蹤雷達試驗數(shù)據(jù)(見表1)為例，經(jīng)計算可得俯仰軸與零位的夾角(見表2)。

表2 跟蹤雷達俯仰軸與零位的夾角數(shù)據(jù)

序號俯仰軸與零位的夾角點位A點位B點位C備注11.013mil0.951mil1.009mil20.926mil1.038mil1.009mil31.009mil0.951mil0.921mil

對此9組數(shù)據(jù)(見表2)進行均值計算得俯仰軸與零位的夾角為0.981mil。根據(jù)測試結(jié)果(均值計算的俯仰軸與零位夾角)，可通過顯控終端對俯仰零位進行修正。

俯仰零位修正后，可通過第3.2節(jié)“俯仰軸與零位夾角的測定”的步驟1)～4)，對俯仰軸與零位的夾角進行復(fù)測，復(fù)測結(jié)果(即均值計算得到的俯仰軸與零位夾角的絕對值)應(yīng)≤0.1mil。

4 結(jié)束語

跟蹤雷達軸系的校準存在精度差、成本高等問題，對跟蹤雷達系統(tǒng)至關(guān)重要，軸系校準的精度要求很高，但實際上又難以保證。本文提出的基于全站儀的精密跟蹤雷達俯仰零位校準方法，已在某精密跟蹤雷達產(chǎn)品的調(diào)試中使用，得到了實際的驗證，尤其是在外場測量中更能體現(xiàn)出其簡單、準確的特性，具有極大的現(xiàn)實應(yīng)用價值。