練學輝，李 偉，蔡文彬

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003;2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

在雷達動態(tài)標校過程中，需要通過硬件或軟件的方法對雷達測量的目標距離、方位、仰角的系統(tǒng)誤差進行修正，以提高測量精度。目前，常用的方法是通過校準雷達和真值設備的系統(tǒng)時間，然后根據(jù)數(shù)據(jù)時戳匹配雷達測量數(shù)據(jù)和真值數(shù)據(jù)，并對真值數(shù)據(jù)進行坐標轉換，再通過匹配后數(shù)據(jù)得到測量值與真值的誤差并計算出系統(tǒng)誤差，根據(jù)系統(tǒng)誤差進行誤差修正［1-2］。這種方法簡單方便，易于實現(xiàn)，但前提是必須保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時戳精度在可容忍范圍內。對于處于相鄰位置的兩個系統(tǒng)來說，只需要建立數(shù)據(jù)通信，進行時間對時就可以完成時間同步，使兩個系統(tǒng)的時間誤差在可容忍的范圍內;但對于架設在不同區(qū)域的設備來說，上述方法不易實現(xiàn)。同時，即使實現(xiàn)了系統(tǒng)之間的時間對時，但每個設備內部的時間延時也需要考慮，如不能正確估量則延時的程度不同所引起的誤差也不盡相同。為了避免不可估量的時戳精度對系統(tǒng)差的影響，本文提出一種曲線匹配的方法。這種方法不以時間作為匹配條件，而是將目標運動參數(shù)曲線進行匹配，通過使目標運動軌跡重合，得到系統(tǒng)誤差，進行誤差修正［3］。

圖1 修正前和修正后的雷達目標與真值目標軌跡圖

1 時間匹配法

目前，雷達標校一般采用時間匹配法，是通過比較兩個系統(tǒng)跟蹤目標的數(shù)據(jù)時戳，使用數(shù)據(jù)率較高的真值數(shù)據(jù)的時間匹配數(shù)據(jù)率較低的雷達測量數(shù)據(jù)，查找時間差最小的兩組數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)雷達時戳將真值數(shù)據(jù)插值到相同時間進行真值比較。

采用時間匹配法標校的過程一般有以下幾個步驟:

(1）系統(tǒng)對時 由雷達向真值設備發(fā)送時統(tǒng)報文，真值設備根據(jù)時統(tǒng)報文進行時間校準;

(2）目標跟蹤雷達發(fā)現(xiàn)目標并穩(wěn)定跟蹤后，向真值設備發(fā)送目標參數(shù)，引導真值設備跟蹤同批目標;

(3）數(shù)據(jù)記錄雷達和真值設備各自發(fā)送跟蹤的目標信息至數(shù)據(jù)采集設備，目標信息一般包括系統(tǒng)時間、目標標識、距離、方位、仰角等信息;

(4）坐標轉換 由于雷達與真值設備的架設位置不同，所跟蹤的目標數(shù)據(jù)之間存在位置偏差，需要根據(jù)架設位置的差值將真值設備跟蹤的數(shù)據(jù)進行坐標轉換;

(5）數(shù)據(jù)分析 對采集的雷達數(shù)據(jù)和真值數(shù)據(jù)進行匹配，計算雷達與真值設備跟蹤參數(shù)的誤差。

在分析數(shù)據(jù)時，首先將超差的個別異常數(shù)據(jù)剔除。需要剔除的異常數(shù)據(jù)包括:

(1）初始建航但航跡尚未穩(wěn)定的數(shù)據(jù);

(2）航跡即將丟失時的數(shù)據(jù);

(3）誤差大于3 倍精度的數(shù)據(jù)。

然后，通過計算真值方位和雷達方位、真值仰角和雷達仰角的差值，得到方位差和仰角差數(shù)據(jù)。然后，對方位差和仰角差數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)有效數(shù)據(jù)的方位差和仰角差計算出方位和仰角的系統(tǒng)誤差。接著，根據(jù)系統(tǒng)差對雷達的方位和仰角進行修正，修正后再進行標校。此時，標校結果的系統(tǒng)誤差應趨向于0，否則系統(tǒng)誤差修正不成功，需重新標校修正。

2 曲線匹配法

曲線匹配法是在直角坐標系中用散點圖繪制目標運動軌跡，分別以方位、仰角為橫軸和縱軸，在同一幅圖中分別繪制雷達目標運動軌跡和真值目標運動軌跡［4］?？梢允褂肊xcel 或Matlab 繪制，然后比較兩條曲線是否重合;如果不重合，說明兩個系統(tǒng)之間存在系統(tǒng)差，需要通過修正系統(tǒng)差將兩條運動軌跡匹配，如圖1所示。

從圖1(a）可看出，兩條曲線沒有完全重合，接下來就是通過對雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差進行修正，使雷達目標運動軌跡圖與真值目標運動軌跡圖重合，如圖1(b）所示。

本文設計了曲線匹配算法來計算系統(tǒng)誤差并完成曲線匹配，具體算法如下:

(1）遍歷雷達測量數(shù)據(jù)，針對雷達測量數(shù)據(jù)Zi在真值數(shù)據(jù)中尋找與其距離差值最小的n 條真值數(shù)據(jù);

(2）將n 條數(shù)據(jù)各自與Zi的距離差值與門限值λ 進行比較，將大于門限λ的數(shù)據(jù)去除;

(3）計算Zi與門限判斷后剩余數(shù)據(jù)的X 誤差和Y 誤差均值，求得相對于雷達測量數(shù)據(jù)Zi的AveXi和AveYi;

(4）遍歷所有雷達數(shù)據(jù)，對每條數(shù)據(jù)都進行上述處理，然后計算所有AveXi和AveYi的均值，求得AveX和AveY，即系統(tǒng)誤差。

3 兩種方法的對比與分析

使用曲線匹配法的優(yōu)點就是無須兩個系統(tǒng)的精確對時，只要記錄兩個系統(tǒng)跟蹤的目標數(shù)據(jù)，然后將它們的跟蹤數(shù)據(jù)對應為相同目標，來實現(xiàn)系統(tǒng)誤差標校工作。在試驗中，通過移動雷達目標運動曲線，使兩條軌跡重合，此時方位上、仰角上移動的數(shù)值即為方位系統(tǒng)差和仰角系統(tǒng)差。

以相同航路上兩批目標為例，圖2 是使用時間匹配法計算出誤差后繪制的誤差折線圖，圖3為使用曲線匹配法繪制的目標運動軌跡圖。

從圖2中可以觀察到，由于雷達系統(tǒng)與真值系統(tǒng)的時間之間存在誤差，因此使用時間匹配法計算出的方位、仰角誤差較大，并且左右兩圖中方位和仰角的系統(tǒng)差不一致。

從圖3中可以觀察到，使用曲線匹配法將兩條曲線匹配之后并沒有出現(xiàn)圖2中所示的誤差特別大的點。因此，使用曲線匹配法時無須考慮兩個系統(tǒng)的量測數(shù)據(jù)時戳是否完全同步。

圖2 時間匹配法計算的誤差

圖3 曲線匹配法計算的誤差圖

同時，對比圖2和圖3，分別對比左右兩圖，可以看到圖2左右兩圖計算的系統(tǒng)差差別較大，而圖3中顯示兩目標得出的系統(tǒng)差非常接近。系統(tǒng)差數(shù)值見表1。此外，使用曲線匹配法時還可以觀察到目標航跡的跟蹤是否穩(wěn)定，如圖4和圖5所示。

表1 相同航路兩批目標的系統(tǒng)差

圖4(a）為修正前軌跡圖，圖4(b）為修正后軌跡圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩條曲線不能完全重合，原因是跟蹤數(shù)據(jù)異常，因此此組數(shù)據(jù)不能用來統(tǒng)計系統(tǒng)差。而如果采用時間匹配，發(fā)現(xiàn)此段數(shù)據(jù)并沒有超差，僅從做差數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)不了跟偏的問題。如果將此段跟偏數(shù)據(jù)代入計算系統(tǒng)差，將會影響系統(tǒng)差的準確性。同樣，圖5中在方位239°及245°時跟蹤偏離的問題也可以在比較的同時發(fā)現(xiàn)，也不會影響對使用曲線匹配法計算的系統(tǒng)差。

但是，曲線匹配法并不能通過任何目標運動軌跡計算出系統(tǒng)差。當目標的運動軌跡是直線或近似直線時，由于使兩條軌跡重合的系統(tǒng)差不唯一，此時無法確定系統(tǒng)差的值。圖6為一次試驗中雷達目標與真值目標的運動軌跡圖。因為兩條曲線幾乎呈平行直線的關系，所以無法通過曲線匹配法進行修正。因此，使用曲線匹配法需要目標的運動軌跡不能為直線，最好選擇過頂飛行目標或方位有轉向的航路上的目標。

圖4 目標運動軌跡(一）

圖5 目標運動軌跡(二）

圖6 目標運動軌跡(三）

4 結束語

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，在兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時戳精確匹配的情況下，時間匹配法簡單有效，只需要將兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一一對應，直接做差，即可得出系統(tǒng)差。而如果兩個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)時戳精度較差時，時間匹配法將不使用。此時，曲線匹配法能夠很好地計算出系統(tǒng)差，可將目標運動軌跡進行匹配，而無須剔點，從而能夠發(fā)現(xiàn)雷達跟蹤過程是否穩(wěn)定。它能夠應用于所有場合，但目標參數(shù)曲線必須要有拐點。

曲線匹配法是通過移動曲線進行曲線重合匹配以達到誤差修正的目的，通過數(shù)據(jù)修正處理，使得雷達目標軌跡圖和真值目標軌跡圖重合。本方法已在某雷達與ADS 真值系統(tǒng)的動態(tài)標校試驗中得到應用，效果良好，后續(xù)將進行曲線自動匹配算法的進一步探索與研究。

［1］羅軍，商允力，等.應用AIS信息進行岸基對海雷達標校［J］.電訊技術，2009(9）.

［2］朱起悅.應用差分GPS技術進行雷達標校［J］.電訊技術，2006(1）.

［3］田偉.雷達精度試驗中GPS 數(shù)據(jù)坐標轉換及誤差分析［J］.雷達與對抗，2007(2）.

［4］苑文亮，唐小明，等.基于ADS-B 數(shù)據(jù)的雷達標校新方法［J］.艦船電子工程，2010(3）.