劉冬利，張 驛，龐海濱，楊 輝

(1.大連海事大學 信息工程學院，遼寧 大連116026;2.海軍大連艦艇學院信息作戰(zhàn)系，遼寧 大連116018;3.海軍駐中國西南電子技術研究所軍事代表室，成都610036;4.海軍大連艦艇學院研究生管理大隊，遼寧 大連116018)

1 引言

三坐標雷達在提供目標方位、距離的同時，還通過測量目標仰角提供高度值，是非常重要的對空預警探測裝備[1]。為保持三坐標雷達良好的工作狀態(tài)，需定期對其測量精度進行標定。文獻[2－5]分別介紹了以標校塔、高空氣球、移動高架有源應答源、軍用飛機或民航ADS－B系統(tǒng)作為雷達精度標定源的標定方法。這些方法各有不足之處:標校塔和高空氣球的位置固定，資源稀少，進行標定需要雷達轉場，組織實施不方便;移動高架有源應答源高度有限，雷達可測量的仰角范圍小;軍用飛機申請程序復雜，標定周期長，實施成本高;民航ADS－B系統(tǒng)提供的仰角真值與雷達測量值時間對準困難，標定精度差。另外，這些方法普遍依賴GPS獲取真值，戰(zhàn)時無法保證工作可靠性。現(xiàn)有三坐標雷達標定系統(tǒng)的標定源和真值獲取設備存在的上述問題影響了它們的推廣和應用，無法滿足日益增長的雷達裝備保障需求。因此，本文通過優(yōu)化標定源設計，重新選擇真值獲取設備，提出了一種利用旋翼無人機標定三坐標雷達精度的新方法。

2 總體方案

2.1 系統(tǒng)設計

標定系統(tǒng)主要由標定源、真值獲取系統(tǒng)、雷達數(shù)據(jù)錄取及解算設備三部分組成。下面分別對這三部分進行設計。

為使標定源具有良好的機動性和可探測性，標定源設計采用旋翼無人機搭載龍伯球角反射體。采用旋翼無人機具有以下優(yōu)點:連續(xù)飛行時間長，可保證標定期間采集足夠的真值數(shù)據(jù);飛行距離遠，飛行高度可達1000 m，可標定的距離和仰角范圍大;通過飛控設備操縱，既可隨時改變飛行姿態(tài)，又能夠實現(xiàn)懸停，便于飛行航路規(guī)劃，不需要調整艦艇姿態(tài)即可標定艦載三坐標雷達的所有陣面。無人機本身雷達反射截面積較小，通過加載龍伯球角反射體能夠顯著提高雷達回波強度，使其雷達散射截面積在2 m2以上。

為保證真值數(shù)據(jù)的精度和可靠性，真值獲取系統(tǒng)采用3臺可實時獲取位置數(shù)據(jù)并進行存儲的衛(wèi)星定位接收機組成的局域差分定位系統(tǒng)[6]。衛(wèi)星定位系統(tǒng)采用由我國自主發(fā)展、獨立運行的“北斗”定位系統(tǒng)，能夠確保真值獲取系統(tǒng)良好的可靠性和安全性。差分系統(tǒng)采用事后差分處理方式:標定時，以一臺“北斗”終端作為差分定位系統(tǒng)的基準站放置在岸上開闊地帶，另外兩臺作為移動站分別安置在旋翼無人機和艦艇等效中心處，3臺“北斗”終端同時記錄數(shù)據(jù)。標定結束后，將基準站和移動站記錄數(shù)據(jù)導出，匯總解算出標定源的精確位置。值得注意的是，基準站與移動站的距離在有效范圍內應盡可能拉大，以提高差分定位精度。

為提高標定系統(tǒng)的簡潔性和可操作性，將雷達測量數(shù)據(jù)錄取與預處理、真值處理、雷達測量誤差解算等功能全部整合到雷達數(shù)據(jù)錄取及解算設備中，上述功能及人機交互界面通過運行采用VC語言編寫的“雷達標定系統(tǒng)軟件”實現(xiàn)。雷達數(shù)據(jù)錄取及解算設備通過串口等網(wǎng)絡通信端口與雷達和真值設備建立連接，進行數(shù)據(jù)交換。它在無人機飛行過程中通過網(wǎng)絡通信端口自動接入艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)實時截取雷達測量值，在無人機飛行結束后由3臺“北斗”終端導入真值數(shù)據(jù)。對獲取的測量值和真值進行必要的處理后，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計相關理論最終解算出雷達系統(tǒng)誤差。

綜上所述，本文提出的三坐標雷達標定系統(tǒng)組成結構如圖1所示。

圖1 標定系統(tǒng)組成結構Fig.1 The calibration system structure

根據(jù)以上的系統(tǒng)結構功能分析，圖2給出了整個標定工作流程。

圖2 標定工作流程Fig.2 The calibration work process

2.2 真值獲取系統(tǒng)精度需求分析

雷達精度標定要求真值精度至少是雷達測量精度的3倍以上。由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的差分定位數(shù)據(jù)精度優(yōu)于1 m，因此由其獲取的距離真值能夠滿足標定要求。下面對仰角真值精度需求進行分析。

仰角真值數(shù)據(jù)的誤差Δα主要受真值設備的高度測量誤差Δh和標定源與雷達的距離R影響，它們之間的關系可以用下式表示:

假設高度測量誤差Δh分別為1 m、5 m、10 m，對目標距離R和仰角測量精度Δα之間的關系進行仿真分析，結果見圖3。

圖3 不同高度測量誤差下仰角真值誤差與標定源距離的關系Fig.3 The relationship between elevation true value error and distance of calibration resource with different height measurement error

可以看出，為使Δα小于特定值，當Δh增大，R的最小值也必須增大。為便于標定的組織實施，應利用差分技術使Δh最小，降低標定對R最小值的要求。另外，雷達標定還要求R的最小值需同時大于雷達遠場條件和雷達距離探測盲區(qū)。由于三坐標雷達的遠場條件一般小于其距離探測盲區(qū)，因此，艦載三坐標雷達與標定源距離R的最小值為其距離探測盲區(qū)。如圖3所示，當 Δh為1 m時，R大于1.2 km，則 Δα 小于0.05°。R 為1.2 km時標定源在三坐標雷達的距離探測盲區(qū)之外，而且Δα為0.05°時高于雷達仰角測量精度數(shù)倍，此時仰角真值數(shù)據(jù)的精度可以滿足標定要求。由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的差分定位精度Δh小于1 m，因此利用其獲取目標仰角真值精度能夠滿足三坐標雷達仰角標定的要求。同理，也可證明利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取的方位真值數(shù)據(jù)精度能夠滿足三坐標雷達方位標定的要求。

3 關鍵技術

3.1 標定源的航路規(guī)劃及一體化設計

標定源的航路規(guī)劃就是對標定源的航跡及飛行時間進行規(guī)劃，主要考慮以下三個方面因素:一是為確保在標定時獲取足夠的雷達測量數(shù)據(jù)有效點數(shù);二是要滿足三坐標雷達標定對于標定源仰角和距離的要求;三是便于標定活動的組織實施，保證飛行安全。為此，一般選擇無人直升機飛行高度在300～500 m(不需要航空管制申請)，飛行速度為50 km/h(保持飛行的穩(wěn)定性)，連續(xù)有效飛行10 min左右(獲取足夠的雷達測量數(shù)據(jù)有效點數(shù))。標定源的一體化設計就是采用合理的龍伯球角反射器加載方式，使其與無人直升機的散射中心重合。那么對被標雷達而言，無人直升機仍然是“點目標”，易被標定雷達可靠發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定跟蹤。

3.2 真值數(shù)據(jù)處理技術

真值數(shù)據(jù)處理分為差分定位、坐標轉換和插值處理三個步驟。差分技術分為偽距差分和載波相位差分兩種[7]。大地測量和工程測量上常采用載波相位差分技術，就是把基準站采集的載波相位實時發(fā)給用戶接收機，通過求差解算位置坐標。載波相位差分的定位精度可達厘米級，經(jīng)過坐標轉換后能夠獲取較高的目標仰角、方位角和距離真值精度。差分后的目標真值數(shù)據(jù)所在坐標系為大地坐標系，而雷達測量值為站心極坐標系。為解算雷達測量系統(tǒng)誤差，需統(tǒng)一真值數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)的坐標系，先將真值數(shù)據(jù)由大地坐標系轉換到空間直角坐標系，再轉換到站心極坐標系。“北斗”真值設備的數(shù)據(jù)采集頻率可達5 Hz，通過插值處理，能夠進一步增加單位時間內的真值數(shù)據(jù)密度，減小真值數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)的時間對準誤差，使其能夠最優(yōu)逼近雷達測量值時刻真值。

3.3 雷達測量數(shù)據(jù)提取

對雷達測量數(shù)據(jù)的錄取主要有三種方式:一是通過數(shù)據(jù)錄取終端接入水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)，然后截獲作戰(zhàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡上雷達發(fā)送的目標探測數(shù)據(jù)報文;二是從帶目標探測數(shù)據(jù)存儲功能的雷達顯控終端上下載目標航跡數(shù)據(jù);三是通過和雷達輸出接口匹配的數(shù)據(jù)錄取設備獲得目標點跡數(shù)據(jù)。為保證錄取設備的通用性，上述三種方式均應考慮。在標定過程中，雷達數(shù)據(jù)錄取設備與三坐標雷達對接，接收雷達送出的目標數(shù)據(jù)，記錄在移動存儲介質上。雷達標定系統(tǒng)的測量值與真值必須采用統(tǒng)一的時間基準，本系統(tǒng)以“北斗”時間作為時間基準。為保證雷達測量數(shù)據(jù)的有效點數(shù)，標定時還需合理設置雷達掃描速率和數(shù)據(jù)率。

3.4 雷達測量數(shù)據(jù)預處理

在雷達標定過程中，受海況、艦船搖蕩、轉動慣性等因素的影響，雷達測量數(shù)據(jù)存在一定的噪聲和異常的跳變點，即通常所稱的“野值”。為避免“野值”對雷達標定精度造成的不利影響，應當通過雷達測量數(shù)據(jù)的預處理將“野值”予以剔除[2]。為保證標定過程的有效性及標定精度，根據(jù)雷達測量信號的特點，測量數(shù)據(jù)預處理采取如下方法和步驟:先利用“小波閾值法”消除噪聲數(shù)據(jù)，再利用“外推擬合法”有效剔除野值。其中，野值剔除采用了“3σ”準則，即從一次差中查出大于3倍標準誤差的誤差點。這里說的3倍標準差的標準有兩種做法，一種是用雷達指標的標準誤差做標準，另一種是以雷達實測值的標準誤差作為標準。為更好地貼近雷達實際狀況，應采用后一種做法。

4 試驗測試

4.1 試驗條件簡介

根據(jù)該方案制成的樣機已對停靠在碼頭上的艦艇進行了某型雷達精度標定試驗。在航路上設置4個航路點構成近似平行四邊形形狀，使無人直升機沿著“1”→“2”→“3”→“4”4個航路點定高(300 m)飛行。無人直升機飛行過程中距離艦艇最遠4.8 km左右，整個飛行時間30 min。無人直升機的飛行航路如圖4所示。

圖4 無人直升機飛行航路Fig.4 The flying route of unmanned gyroplane

4.2 試驗結果與分析

試驗完畢后，“雷達標定系統(tǒng)軟件”先對提取出的雷達測量數(shù)據(jù)進行消除噪聲和剔除野值處理，得到有效的測量值，并依次對由“北斗”真值設備獲取的原始數(shù)據(jù)進行差分、坐標轉換和插值處理，得到目標真值。本次試驗對雷達的仰角、方位角和距離測量誤差進行了標定，這里只對仰角標定的試驗結果進行介紹。

圖5顯示了雷達測量數(shù)據(jù)經(jīng)過噪聲消除后產生的變化。消除噪聲后，再根據(jù)“3σ”準則對測量數(shù)據(jù)中的野值進行剔除。圖6為野值剔除后剩余的測量數(shù)據(jù)與真值數(shù)據(jù)的對比。

圖5 噪聲消除前后的目標仰角測量值對比Fig.5 The comparison of target elevation observed value before and after noise elimination

圖6 剔除野值后目標仰角測量值與真值對比Fig.6 The comparison of target elevation observed value and true value after outliers eliminating

為保證雷達試驗結果的準確、可靠，必須獲取足夠的測量點數(shù)。雷達試驗的最小測量點數(shù)與測量值估計精度和試驗對象設備的精度有關[8]。根據(jù)本次試驗對象的技術性能參數(shù)，計算得出標定所需最小測量點數(shù)為25。這里選取目標仰角變化較大的30個連續(xù)測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過野值剔除后剩余28個測量數(shù)據(jù)，能夠滿足雷達標定對于測量點數(shù)的要求。

在完成對目標仰角測量值和真值的一系列預處理過程后，通過解算得出了三坐標雷達仰角測量的系統(tǒng)誤差，證明了該系統(tǒng)的可用性。三坐標雷達的維修保障人員可以根據(jù)標定結果對雷達仰角測量的系統(tǒng)誤差進行校正。

5 結束語

本文針對三坐標雷達在實際使用中及維修后缺乏精度標定設備，對三坐標雷達精度標定方法及工程實現(xiàn)進行了研究，提出了采用搭載龍伯球和“北斗”定位系統(tǒng)的旋翼無人機作為標定源，以差分定位為真值獲取手段的雷達標定新方法。該方法獲取的真值精度高，標定結果準確可靠，能夠如實反映雷達系統(tǒng)誤差大小。與傳統(tǒng)雷達標定方法相比，該方法使用成本低，組織工作簡潔，實施條件寬松，能夠實現(xiàn)對三坐標雷達全高度、全方位的標定，而且可以通過對旋翼無人機的飛行控制實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)兩種標定方式，具有較高的軍事和經(jīng)濟效益。

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