潘佳梁 衣同勝 李 兵

（92941部隊(duì)91分隊(duì) 葫蘆島 125000）

1 引言

連續(xù)波雷達(dá)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，測(cè)距精度高，可同時(shí)測(cè)速等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的用于航天飛行器、導(dǎo)彈、軌道衛(wèi)星等的測(cè)量和控制，為鑒定武器系統(tǒng)的精度提供可靠的依據(jù)［1～4］，艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了艦載動(dòng)平臺(tái)外彈道測(cè)量應(yīng)用，拓展了測(cè)量雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用方式。然而，由于艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)采用固態(tài)有源陣列天線，為非相控模式，天線波束指向通過(guò)伺服控制，因此自主捕獲能力較弱，采用外引導(dǎo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)艦載連續(xù)波雷達(dá)捕獲目標(biāo)后進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤測(cè)量。同時(shí)，由于艦載平臺(tái)本身的位置移動(dòng)和姿態(tài)晃動(dòng)特性，對(duì)外引導(dǎo)的數(shù)據(jù)處理提出了新的要求，需要在坐標(biāo)變換過(guò)程中消除船體位置移動(dòng)和姿態(tài)搖晃所帶來(lái)的誤差，而且引導(dǎo)數(shù)據(jù)為裝備測(cè)量數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行外推和剔野處理。

文獻(xiàn)［5］介紹了程序引導(dǎo)和數(shù)據(jù)引導(dǎo)的區(qū)別，并實(shí)現(xiàn)了程序引導(dǎo)與數(shù)據(jù)引導(dǎo)互相備份的功能；文獻(xiàn)［6］提出了基于數(shù)據(jù)融合的方式實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)試設(shè)備穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的方法；文獻(xiàn)［7］對(duì)引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了誤差分析，并通過(guò)分析誤差調(diào)整數(shù)據(jù)處理模型中的濾波參數(shù)，從而達(dá)到穩(wěn)定引導(dǎo)跟蹤目標(biāo)。本文提出了一種實(shí)時(shí)快速數(shù)據(jù)處理方法，能夠在引導(dǎo)數(shù)據(jù)有效條件下快速引導(dǎo)雷達(dá)捕獲跟蹤目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中證明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

2 雷達(dá)接收引導(dǎo)數(shù)據(jù)預(yù)處理

艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)主要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲跟蹤和測(cè)量，由于雷達(dá)測(cè)量是在雷達(dá)極坐標(biāo)上進(jìn)行，指控中心傳輸給雷達(dá)的數(shù)據(jù)為以地心為坐標(biāo)原點(diǎn)的地心直角坐標(biāo)系。連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)根據(jù)中心傳輸?shù)牡匦南迪碌腦、Y、Z值進(jìn)行剔除野值、外推后轉(zhuǎn)換為雷達(dá)極坐標(biāo)系下的R、A、E送跟蹤控制器后控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行隨動(dòng)，使目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)波束從而捕獲跟蹤目標(biāo)。

為了保證剔除野值和外推時(shí)，目標(biāo)地心位置坐標(biāo)X、Y、Z與速度值不相關(guān)，在進(jìn)行剔除野值和外推時(shí)，位置和速度分別做剔除野值和外推。這樣可以保證在某一個(gè)數(shù)值出現(xiàn)誤碼時(shí)不至于影響到其他數(shù)據(jù)的剔野和外推，但出現(xiàn)誤碼會(huì)對(duì)后續(xù)坐標(biāo)變換時(shí)產(chǎn)生影響，通信誤碼的產(chǎn)生受通信信道傳輸?shù)挠绊?，因此無(wú)法控制。由于雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)捕獲跟蹤時(shí)，對(duì)于數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求很高，因此實(shí)際應(yīng)用中采用了一系列簡(jiǎn)化快速的外引導(dǎo)數(shù)據(jù)擬合外推算法，保證了雷達(dá)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求。從艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用中證實(shí)了此種方法的有效性和可行性。算法流程如圖1所示。

圖1 艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)接收中心數(shù)據(jù)引導(dǎo)流程圖

2.1 引導(dǎo)數(shù)據(jù)格式

指控中心傳輸給艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)的引導(dǎo)數(shù)據(jù)為各個(gè)其他測(cè)控裝備測(cè)量獲得的目標(biāo)空間坐標(biāo)值，指控中心將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后得到當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)的地心空間坐標(biāo)XYZ以及目標(biāo)速度并發(fā)送給各個(gè)測(cè)控裝備作為引導(dǎo)信息源。為滿足實(shí)時(shí)引導(dǎo)需求，引導(dǎo)信息數(shù)據(jù)幀速率為20幀／秒。數(shù)據(jù)格式見(jiàn)表1所示。

表1 引導(dǎo)數(shù)據(jù)信息字段

2.2 引導(dǎo)數(shù)據(jù)剔野外推方法

1）中心引導(dǎo)先積累5幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 積累5幀中心引導(dǎo)信息表

3）求出5幀數(shù)據(jù)的均方根誤差δX、δY、δZ、δVx、δVy、δVz

由于時(shí)間等間隔，因此均方根公式可以簡(jiǎn)化為公式（2）所示，δY、δZ、δVx、δVy、δVz也同δX一樣進(jìn)行處理：

4）確定判定野值的標(biāo)準(zhǔn)

收到第6幀中心數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)地心位置X、Y、Z和地心速度Vx、Vy、Vz分別進(jìn)行野值判定，判定標(biāo)準(zhǔn)分別為：10δVz。只要X、Y、Z、Vx、Vy、Vz存在一個(gè)為野值時(shí)，則此幀數(shù)據(jù)為野值數(shù)據(jù)，連續(xù)野值標(biāo)記增加1。

5）野值處理過(guò)程

若為野值，則丟棄該幀，用積累的5幀數(shù)據(jù)擬合出下一幀的值來(lái)代替野值并存入堆棧用于后續(xù)外推?？紤]到擬合的實(shí)效性和準(zhǔn)確性，采用線性加權(quán)擬合的方式，由于為等間隔時(shí)間，因此擬合方法如公式（3）所示，α、β、χ、γ為權(quán)重系數(shù)，考慮到引導(dǎo)信息中時(shí)間最近點(diǎn)的先驗(yàn)信息對(duì)于目標(biāo)下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置貢獻(xiàn)較之前的先驗(yàn)信息要大，因此分配權(quán)重時(shí)，α＞β＞χ＞γ，為了便于計(jì)算機(jī)快速實(shí)時(shí)處理，實(shí)際應(yīng)用時(shí)取α＝4，β＝3，χ＝2，γ＝1，Y6、Z6、Vx6、Vy6、Vz6也同X6一樣進(jìn)行野值處理。

在依法治國(guó)的背景下，有法可依是黨和政府做一切事情的前提。只有厘清該責(zé)任制的法律和政策依據(jù)，才使得該責(zé)任制的建立具備了合法性和正當(dāng)性，進(jìn)而才能有落實(shí)和推廣的基礎(chǔ)。

6）連續(xù)野值處理

考慮到中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)突然中斷后恢復(fù)，或者傳輸目標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)發(fā)生計(jì)算機(jī)認(rèn)為的連續(xù)野值現(xiàn)象。但此時(shí)可能不為連續(xù)野值，只是由于通信中斷后恢復(fù)時(shí)，數(shù)值變化較大而導(dǎo)致的。因此，這種情況需要重新累計(jì)5幀數(shù)據(jù)用于外推引導(dǎo)。根據(jù)（4）中野值判定標(biāo)準(zhǔn)，如果連續(xù)野值標(biāo)記大于5時(shí)，返回步驟（1），重新積累5幀數(shù)據(jù)，然后再開(kāi)始進(jìn)行剔野外推。

7）外推到當(dāng)前時(shí)刻送跟蹤控制器

在進(jìn)行野值處理完成后，獲取當(dāng)前B碼時(shí)間Tcurrent，將堆棧中最新的5幀數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)外推至當(dāng)前時(shí)刻的地心坐標(biāo)位置和速度。α、β、χ、γ為權(quán)重系數(shù)，同樣考慮到引導(dǎo)信息中時(shí)間最近點(diǎn)的先驗(yàn)信息對(duì)于目標(biāo)下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置貢獻(xiàn)較之前的先驗(yàn)信息要大，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)取α＝4，β＝3，χ＝2，γ＝1，由于中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔相等Δt＝50ms，外推公 式 可 以 簡(jiǎn) 化 公 式 （4）所 示，Ycurrent、Zcurrent、Vxcurrent、Vycurrent、Vzcurrent也同Xcurrent一樣進(jìn)行外推處理。

3 雷達(dá)接收引導(dǎo)數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換

坐標(biāo)系是空間數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)，坐標(biāo)變化是使引導(dǎo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)能夠驅(qū)動(dòng)伺服的數(shù)據(jù)，不同的坐標(biāo)系定義不同，之間相互轉(zhuǎn)換的方法也不同［8～9］。在本文里中心的外引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，首先要將地心空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地直角坐標(biāo)，也就是北天東坐標(biāo)；然后將穩(wěn)定的大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的以船為平臺(tái)的雷達(dá)直角坐標(biāo)（實(shí)現(xiàn)船搖隔離）；經(jīng)過(guò)坐標(biāo)平移消除坐標(biāo)系中心的位置偏差；最后將雷達(dá)直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)極坐標(biāo)并控制天線伺服的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外部引導(dǎo)數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖如圖2所示。

圖2 艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)引導(dǎo)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖

3.1 地心空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地直角坐標(biāo)

如圖3所示，小黑點(diǎn)表示雷達(dá)，經(jīng)緯高分別為L(zhǎng)、B、H。地心空間直角坐標(biāo)系某點(diǎn)為（xdx，ydx，zdx），大地直角坐標(biāo)系某點(diǎn)為（xc，yc，zc）。

設(shè)雷達(dá)中心位置在大地直角坐標(biāo)系中的值為（x0，y0，z0），則：

對(duì)于地心空間直角坐標(biāo)系下的某點(diǎn)（xdx，ydx，zdx），若轉(zhuǎn)換到大地直角坐標(biāo)系下，則需要經(jīng)過(guò)平移和坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)兩個(gè)步驟。

圖3 地心空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地直角坐標(biāo)（北天東）

第1步，平移：將坐標(biāo)系中心從地心移動(dòng)到雷達(dá)中心。

第2步，坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)：首先將空間點(diǎn)（xdx，ydx，zdx）繞Y軸旋轉(zhuǎn)－90°，再繞X軸旋轉(zhuǎn)－（90－L）°，最后繞Z軸旋轉(zhuǎn)－B°。再將坐標(biāo)中心從地心移動(dòng)到雷達(dá)中心，即完成了變換。

3.2 大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定平臺(tái)的雷達(dá)直角坐標(biāo)

如圖4所示，現(xiàn)在要將穩(wěn)定的大地直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以船為平臺(tái)的不穩(wěn)定的雷達(dá)直角坐標(biāo)，以消除艦船航向，縱、橫搖的影響。

圖4 從穩(wěn)定的大地直角坐標(biāo)到不穩(wěn)定的以船為平臺(tái)的雷達(dá)直角坐標(biāo)

我們用三個(gè)量來(lái)衡量船體的方向和晃動(dòng)。航向角：X軸和正北方向之間的夾角，當(dāng)航向右偏離正北方向時(shí)為正；縱搖角：X軸向上為正；橫搖角：Z軸向下為正。

設(shè)航向角為a，縱搖角為p，橫搖角為r。則大地直角坐標(biāo)系下某點(diǎn)（xc，yc，zc）先繞Y軸旋轉(zhuǎn)－a°，再繞Z軸旋轉(zhuǎn)p°，最后繞X軸旋轉(zhuǎn)r°即得到以船為平臺(tái)的雷達(dá)直角坐標(biāo)（xr，yr，zr）。

3.3 將以GPS為中心的雷達(dá)坐標(biāo)平移到天線中心

如圖5所示。前面我們所講的雷達(dá)坐標(biāo)，實(shí)際上是以GPS接收天線為中心（還記得我們通過(guò)經(jīng)緯高算出雷達(dá)在大地直角坐標(biāo)系中的位置嗎？那里的經(jīng)緯高就是通過(guò)GPS得到的），如果要用外引導(dǎo)數(shù)據(jù)引導(dǎo)伺服轉(zhuǎn)動(dòng)，則必須使得圖5 將以GPS為中心的雷達(dá)坐標(biāo)平移到天線中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)以雷達(dá)天線為中心，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)平移。將以GPS為中心的空間點(diǎn)（xr，yr，zr）平移到以天線為中心的空間點(diǎn)（xa，ya，za），轉(zhuǎn)換公式如（8）所示。

其中（Δx，Δy，Δz）表示天線在以GPS為中心的直角坐標(biāo)系中的位置。

3.4 將雷達(dá)直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)極坐標(biāo)

將以天線為中心的雷達(dá)直角坐標(biāo)系下的點(diǎn)（xa，ya，za）轉(zhuǎn)換為以天線為中心的大地球坐標(biāo)系（R，Az，E）。

4 艦載連續(xù)波雷達(dá)應(yīng)用分析

對(duì)上述外引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，應(yīng)用與某艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)，雷達(dá)接收天線的主波束寬度為1°×0.5°，因此中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后必須能夠引導(dǎo)雷達(dá)使目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)波束內(nèi)方能捕獲跟蹤目標(biāo)。某艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)采用本文提出的引導(dǎo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理方法，能夠快速引導(dǎo)雷達(dá)捕獲并跟蹤目標(biāo)。

事后對(duì)雷達(dá)跟蹤目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)與中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比分析，由于中高空目標(biāo)與低空目標(biāo)對(duì)于艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)捕獲能力和跟蹤精度有一定的差別，分別對(duì)比艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)跟蹤中高空目標(biāo)和低空目標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

從引導(dǎo)數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)分析，中心引導(dǎo)數(shù)據(jù)通過(guò)本文提出的方法進(jìn)行處理后，實(shí)時(shí)方位角與俯仰角誤差均小于0.1°，小于艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)接收波束寬度，能夠保證目標(biāo)引導(dǎo)進(jìn)入雷達(dá)波束從而滿足雷達(dá)捕獲跟蹤條件。但從數(shù)據(jù)對(duì)比看出，中高空目標(biāo)誤差均要小于低空目標(biāo)誤差，這是由于雷達(dá)跟蹤測(cè)量精度低空目標(biāo)受多徑干擾以及海雜波的影響導(dǎo)致，誤差的增大主要是雷達(dá)低空測(cè)角精度的降低所致。圖6與圖7分別為中高空目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)和低空目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差對(duì)比曲線圖。從圖中可以看到，引導(dǎo)信息經(jīng)過(guò)處理后實(shí)時(shí)提供給艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)作為目標(biāo)指示，其精度完全滿足雷達(dá)測(cè)量要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的外引導(dǎo)數(shù)據(jù)快速處理方法是有效可行的。

表3 引導(dǎo)數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)精度對(duì)比表

圖6 中高空目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差曲線圖

圖7 低空目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù)與雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種外引導(dǎo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)快速處理方法，對(duì)中心提供的地心系下的XYZ坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)剔野外推預(yù)處理后，再通過(guò)實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換至雷達(dá)極坐標(biāo)系下的R、A、E送跟蹤控制器后控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行隨動(dòng)，使目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)波束從而捕獲跟蹤目標(biāo)。在艦載連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)引導(dǎo)精度滿足雷達(dá)捕獲條件，能夠有效輔助雷達(dá)捕獲跟蹤目標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中證明了其有效性和可行性。

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