多雷達含缺損信息外彈道解算方法研究

姜大治,王不了,楊軍

(92941部隊,遼寧 葫蘆島 125000)

摘要:為解決雷達測量信息受地、海雜波的強烈干擾,導致雷達俯仰角測量難以構(gòu)成有效閉環(huán),目標俯仰角信息超差嚴重,并通過坐標系變換,向目標各維坐標傳導超差信息的問題,該文綜合考慮地、海雜波對方位角和斜距信息影響較小,以及海上靶場雷達測量網(wǎng)的布站特點,提出了一種利用多臺雷達共有段落的方位角和斜距信息,構(gòu)建聯(lián)合處理模型,解算目標彈道的方法。數(shù)據(jù)測試證明,該方法可以有效解決雷達部分測量信息超差問題,提高靶場雷達測量數(shù)據(jù)處理的精度和可靠性。

關(guān)鍵詞:雷達測量;雜波干擾;數(shù)據(jù)處理;外彈道

收稿日期:2013-11-13

作者簡介:姜大治(1977- ),男,工程師,碩士,研究方向為外測數(shù)據(jù)建模與處理。E-mail:jdzandwy@sina.com。

中圖分類號:TN959.6文獻標識碼:A

ResearchonAlgorithmforMultiradarTrajectoriesWithDefectInformation

JIANGDa-zhi,WANGBu-liao,YANGJun

(Unit92941ofPLA,Huludao125000,China)

Abstract:The radar measurement is interfered by the clutter of earth and sea,and the measurement of pitch angle is difficult to form an effective closed-loop,and the pitch angle information seriously exceeds the error tolerance,and transmits the error to every coordinates of the target through coordinate transformation.Aiming at this problem,the features of the radar distribution of sea range and the earth were taken into account,as well as the problem that the sea clutter information has less affect on azimuth and slope,and a combined processing model and algorithm were presented based on the common section of azimuth and slope information of multiradar.Test data show that this method can effectively solve the radar partial measurement information error tolerance problems and improve the precision and reliability of data processing of the measurement in sea range.

Keywords:radarmeasurement;clutter;dataprocessing;exteriortrajectory

隨著微電子和計算機技術(shù)的高速發(fā)展,測量雷達在目標識別、抗干擾、過捷處理和高精度測量等方面都有較快發(fā)展,技術(shù)性能不斷提高[1-3]。但是對于海上靶場陸海結(jié)合的復雜試驗環(huán)境,如何完成對低空、大射程、小型化、高動態(tài)的導彈類目標的測量,對靶場雷達測量網(wǎng)是一個巨大挑戰(zhàn)。為保證靶場雷達網(wǎng)的測量精度和可靠性,一般會在沿岸高點布設(shè)多部雷達。地形、雜波、遮擋和多路徑等多種因素的干擾,以及測量雷達自身的開環(huán)跟蹤模式,導致雷達俯仰角測量信息超差嚴重[5-7]。并且在雷達測量坐標系向目標發(fā)射坐標系或假定坐標系轉(zhuǎn)換過程中,大量誤差被傳遞到測量目標各維坐標中,使目標三維坐標均受到雷達俯仰角超差信息的影響。為克服雷達單個超差信息源對整體數(shù)據(jù)的影響,本文提出了一種利用多臺雷達共有段落的方位角和斜距信息,構(gòu)建聯(lián)合目標外彈道解算模型以解算目標軌跡的方法。數(shù)據(jù)測試結(jié)果證明了本文方法的正確性和有效性。

1方法模型

1.1　雙雷達定位

當待測目標被2臺雷達同時捕獲時,可使用一臺雷達的方位、斜距信息和另一臺雷達的斜距信息完成定位解算。以其中一臺雷達基準點為坐標原點建立基準坐標系,完成各雷達時間和空間的統(tǒng)一。設(shè)基準雷達測量值為(Ai,Ei,Ri),輔助雷達測量值為(Ahi,Ehi,Rhi),輔助雷達基準點坐標為(xh,yh,zh),待測目標坐標為(xti,yti,zti),其中,i表示數(shù)據(jù)序列,i=1,2,…;(A,E,R)為雷達測量坐標系下的球坐標值,其中,A為方向角,E為俯仰角,R為斜距;(x,y,z)為所定義直角坐標系下的三維坐標值;下標t表示采樣時刻。以下含義相同。

建立方程如下:

(1)

tanAi=-zti/xti

(2)

由式(1)可得:

xhxti+yhyti+zhzti=H

(3)

其中:

由式(1)～式(3)可得:

由于xti值存在2種可能,因此,需進行判斷。設(shè)雷達測量坐標系下雷達測量值為(Aci,Eci,Rci),待測目標坐標為(xci,yci,zci)。則對雷達測量網(wǎng)中任一雷達有如下關(guān)系成立:

xci=RcicosEcicosAcii=1,2,…,n

1.2　多雷達定位

當待測目標被2臺以上雷達同時捕獲時,由于斜距信息受測量環(huán)境干擾較小,且隨測量目標距離增加精度下降較小,因此可使用多R定位模式完成目標位置解算。設(shè)目標定位解算結(jié)果矩陣為V,將雷達網(wǎng)多R定位方程寫為矩陣形式:

V=GΔX-L

(4)

設(shè)目標位置的初始值為(x0,y0,z0),雷達站址坐標為(xj,yj,zj),其中j表示雷達序號,j=1,2,…,nR,nR表示有效跟蹤目標的雷達數(shù)量。當nR≥3時,計算目標位置修正值:

ΔX=(GTG)-1GTL

(5)

式中:

ΔX=(ΔxΔyΔz)T,

(Δx,Δy,Δz)為目標位置坐標的修正值。

則目標的新位置坐標為

(6)

2精度分析

以3臺雷達定位為例,設(shè)各雷達站雷達天線中心坐標為(xj,yj,zj),j=1,2,3,所測目標坐標為(xti,yti,zti)。對于各測量雷達均有:

(7)

式中:Ri表示t時刻目標與第i個雷達站之間的距離。式(7)可表示為

xti=f(xj,yj,zj,Ri)

將式(7)兩邊對xj求導,得:

同理可求出:

當xi(i=1,2,…)彼此獨立時,對于一般性函數(shù)y=f(x1,x2,x3,…,xi),其不確定度傳遞公式為

(8)

將計算結(jié)果代入到式(8)中可得:

其中:U(xti),u(xj),u(yj),u(zj),u(Ri)分別為xti,xj,yj,zj,Ri的不確定度。同理可求出:

為討論方便,做以下假設(shè):①雷達為同型測量雷達;②測量不受地球曲率影響;③電磁波傳播不受大氣層影響;④測量誤差服從正態(tài)分布。依據(jù)假設(shè)可得:

因此可知,距離誤差和雷達站址坐標誤差對定位結(jié)果的影響程度與各自的方差大小及對應(yīng)的坐標方向余弦有關(guān),方差越大,影響程度就越大。因此,通過增加雷達網(wǎng)測量雷達數(shù)量可提高定位結(jié)果精度;當雷達數(shù)量一定時,可通過合理布站降低誤差因子,提高雷達網(wǎng)測量精度。此外,應(yīng)盡量使雷達遠離強輻射區(qū)域,并將雷達布置在沿岸高點,以減少環(huán)境和地形帶來的影響。

3算法流程

①收集各雷達測量數(shù)據(jù)和相關(guān)信息;

②完成數(shù)據(jù)有效性判定和野點剔除等處理;

③完成共有段落統(tǒng)計及雷達同步采樣處理;

④依據(jù)鎖定目標雷達數(shù)量,確定計算模型;

⑤依據(jù)外彈道解算模型完成單雷達或多雷達定位;

⑥如果有3臺以上雷達包含斜距變化率信息,依據(jù)式(6)計算目標速度,否則微分求速;

⑦比較多雷達計算結(jié)果和各雷達單站解算結(jié)果,分析結(jié)果正確性;

⑧綜合全部信息,形成目標完整軌跡。

算法流程如圖1所示。

圖1　程序流程圖

4測試與分析

以某民用飛行器測量結(jié)果為例,忽略測量部位不一致誤差,以飛行器搭載的GNSS接收機(雙頻、20 Hz)記錄信息相位差分結(jié)果作為真值數(shù)據(jù)。共有5臺雷達參與測量,其中4臺記錄有斜距變化率信息,測量距離為60～130 km,選取全部雷達正常跟蹤段落作為測試數(shù)據(jù),目標位置和速度解算結(jié)果(假定坐標系)誤差統(tǒng)計情況如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

雙雷達聯(lián)合定位選取Radar-Ⅱ和Radar-Ⅳ,采用式(3)完成定位,交會角度為60°～105°;五雷達定位采用多R定位;與其它雷達裝備相比Radar-Ⅰ和Radar-Ⅴ有更多測量時間是在低仰角(俯仰角測量值小于3°)條件下完成的。分析可知,2種多雷達定位模式均避免了超差俯仰角數(shù)據(jù)對最終結(jié)果的影響。由于交會角度較好,并且未采樣超差較為嚴重的雷達裝備,因此,采用雙雷達定位改善效果更為明顯。由于Radar-Ⅰ和Radar-Ⅴ的斜距信息中含有較大誤差,導致五雷達最終定位結(jié)果誤差偏大。綜上可知,使用本文提出的多雷達聯(lián)合定位方法完成目標位置和速度解算,結(jié)果正確,位置和速度精度均得到提高。精度提高幅度與俯仰角測量誤差和斜距大小,以及雷達布站位置和目標特性等因素有關(guān)。實際目標測試證明了本文提出方法的正確性。

5結(jié)束語

本文從試驗實際需求出發(fā),綜合利用靶場雷測網(wǎng)信息資源,研制了多雷達定位模型,克服了俯仰角超差對最終位置結(jié)果的影響。因為雷達測距原理相對簡單,信息可靠性強,因此,使用多R定位模型可提高結(jié)果的可靠性,并在一定程上提高定位結(jié)果精度。由于各雷達跟蹤目標的部位不一致,因此直接使用本文方法可能會出現(xiàn)模型不收斂現(xiàn)象,而導致彈道解算失敗。多雷達定位精度同樣受雷達和目標幾何分布影響,當雙雷達定位交會角趨于0°或180°,或多斜距定位誤差因子過大時,均會導致模型發(fā)散。因此,實際應(yīng)用中應(yīng)盡可能修復雷達測量部位不一致誤差,并擇優(yōu)選取布站位置符合要求的雷達進行目標外彈道解算。

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