張 良，吳海兵，顧國(guó)華

(解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

雙向比對(duì)技術(shù)彈丸空間位置高精度測(cè)量方法

張 良，吳海兵，顧國(guó)華

(解放軍陸軍軍官學(xué)院，合肥 230031)

將彈丸作為未知目標(biāo)，測(cè)距精度受限，且具有較高的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；將彈丸作為合作目標(biāo)，提出了一種基于雙向比對(duì)技術(shù)的彈丸空間位置高精度測(cè)量方法，給出了相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；針對(duì)此體制的測(cè)距及測(cè)速理論和仿真分析結(jié)果表明：所提方法能夠顯著提高彈丸空間位置的測(cè)量精度，提高系統(tǒng)工作效能。

彈丸位置測(cè)量；雙向時(shí)間比對(duì)；合作目標(biāo)；測(cè)距及測(cè)速精度分析

在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，地面防空武器將面臨全天候入侵的各類(lèi)敵機(jī)、空地導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、制導(dǎo)炮彈等多種武器的嚴(yán)重威脅，防空系統(tǒng)是否能夠有效對(duì)空域來(lái)襲武器進(jìn)行攔截，將主要取決于對(duì)我方發(fā)射攔截彈丸和敵方來(lái)襲武器目標(biāo)空間位置的測(cè)量精度以及彈丸起爆位置的控制精度，而精確測(cè)量攔截彈丸自身的空間位置則是防空系統(tǒng)有效攔截目標(biāo)的前提和基礎(chǔ)[1]。同時(shí)，各國(guó)對(duì)測(cè)速和測(cè)距同步技術(shù)精度上的要求日趨高標(biāo)準(zhǔn)，使得高精度測(cè)速和測(cè)距技術(shù)成為了眾多軍事設(shè)備改良性能的關(guān)鍵因素[2]。

目前，解決防空彈藥對(duì)來(lái)襲目標(biāo)精確毀傷的手段主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是使用近炸引信[3]，另一類(lèi)是利用地面火控雷達(dá)實(shí)時(shí)探測(cè)目標(biāo)的空間位置，在對(duì)彈道進(jìn)行解算后，控制彈丸的發(fā)射時(shí)機(jī)以達(dá)到對(duì)目標(biāo)攔截[4]。對(duì)于近炸引信，尤其是無(wú)線電指令引信目前研究較多，其優(yōu)點(diǎn)是能大幅提高武器系統(tǒng)對(duì)空中目標(biāo)的毀傷概率，缺點(diǎn)是由于來(lái)襲目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度等的不確定性，使近炸引信容易受干擾，其毀傷效能受到較大限制[5]；對(duì)于測(cè)控雷達(dá)，目標(biāo)探測(cè)距離遠(yuǎn)、信號(hào)處理能力強(qiáng)，但由于雷達(dá)系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴且探測(cè)精度有限，無(wú)法大量普及應(yīng)用[6]。

無(wú)線電指令制導(dǎo)體制的優(yōu)點(diǎn)是彈丸的制導(dǎo)控制部分比較簡(jiǎn)單，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)比較容易，且價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是雷達(dá)對(duì)彈丸和來(lái)襲目標(biāo)的探測(cè)精度有限，而且隨著制導(dǎo)距離的增大，探測(cè)精度也越低，當(dāng)彈丸在空中飛行的速度達(dá)到1 000 m/s以上或者彈丸的雷達(dá)截面積(Radar Cross Section,RCS)小于0.4 m2時(shí)，很難精確定位[7]。

傳統(tǒng)對(duì)攔截彈丸定位技術(shù)通?；诜呛献髂繕?biāo)測(cè)定的方式，具有較高的解算復(fù)雜度且精度受限。本文將彈丸設(shè)計(jì)為合作目標(biāo)，提出一種基于雙向比對(duì)技術(shù)的彈丸空間位置高精度測(cè)量方法，并給出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。即利用現(xiàn)有地面雷達(dá)強(qiáng)大的目標(biāo)探測(cè)功能和信號(hào)處理能力以及彈丸的通信信道，提高對(duì)攔截彈丸的空間定位精度。合作方式用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位和測(cè)距主要應(yīng)用在航空衛(wèi)星測(cè)控領(lǐng)域，文獻(xiàn)[8]利用星座衛(wèi)星時(shí)間同步和星歷更新Kalman濾波器處理星間雙向測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)星座衛(wèi)星時(shí)間精密同步和高精度確定衛(wèi)星軌道，衛(wèi)星徑向軌道濾波收斂后的最大用戶測(cè)距誤差(URE)值小于6 m；文獻(xiàn)[9]分析了基于星間測(cè)距信息的星座自主導(dǎo)航方法，推導(dǎo)了星間測(cè)距信息的位置與時(shí)間解耦模型與條件，提出首先進(jìn)行位置更新，然后進(jìn)行時(shí)間更新的解算流程，最后根據(jù)狀態(tài)方程與量測(cè)方程的特點(diǎn)，推導(dǎo)了適合導(dǎo)航星座自主導(dǎo)航解算的分布式卡爾曼濾波算法；文獻(xiàn)[10]提出了一種利用改進(jìn)Kalman濾波融合動(dòng)力學(xué)信息和星間測(cè)距信息，并實(shí)時(shí)修正積分初值的自主定軌算法；文獻(xiàn)[11]提出利用少量地面發(fā)射源隨機(jī)工作的方式提供地面基準(zhǔn)，將星間測(cè)距和地面發(fā)射源信息融合進(jìn)行星座整網(wǎng)定軌，進(jìn)一步提高定軌精度。

文獻(xiàn)[8]到文獻(xiàn)[11]的研究重點(diǎn)是如何通過(guò)星間測(cè)距數(shù)據(jù)提高定軌精度和實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，對(duì)如何得到高精度的星間距離方面提及較少。本文在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，根據(jù)彈丸高速運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，應(yīng)用一種基于雙向偽碼測(cè)距技術(shù)，由地面微波雷達(dá)和安裝于彈丸上的小型應(yīng)答機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的彈丸空間位置精確測(cè)量方法；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)之間的時(shí)間同步，在雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)的全雙工通信終端中引入偽隨機(jī)碼直序擴(kuò)頻同時(shí)配置高穩(wěn)定度頻標(biāo)[13]，并選擇雙向時(shí)間比對(duì)方案建立兩地時(shí)鐘的嚴(yán)格同步，最終利用測(cè)控通信鏈路實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)之間的異步傳輸幀非相干擴(kuò)頻通信[7]，完成雙向單程非相干擴(kuò)頻偽距[14]、載波相位測(cè)量[15]以及測(cè)距測(cè)速運(yùn)算。然后依據(jù)彈載雙向通信系統(tǒng)的特性，提出了一種基于雙向?qū)Ρ人惴ǖ膹椡韪呔葴y(cè)速及測(cè)距方案，并進(jìn)行了詳細(xì)的性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提方案可明顯提高彈丸空間位置的測(cè)量精度。

1 信號(hào)模型

當(dāng)前目標(biāo)定位算法主要有到達(dá)時(shí)間定位法、測(cè)向定位法、多普勒頻率定位法等。其中，測(cè)向定位法、多普勒頻率定位法、方位/到達(dá)時(shí)間定位法的測(cè)量精度較低，鑒于彈丸在飛行過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性，本文采用適合高速運(yùn)動(dòng)體定位的到達(dá)時(shí)間定位法。雙向時(shí)間比對(duì)法作為到達(dá)時(shí)間定位法的重要一種，由于雙向比對(duì)過(guò)程中的鏈路對(duì)稱(chēng)，在通信過(guò)程中產(chǎn)生的諸多誤差因素都在最終的計(jì)算中消除，大大的提高了同步和定位精度。下面簡(jiǎn)要介紹彈載雙向比對(duì)算法的基本原理。

1.1 彈載雙向比對(duì)算法測(cè)量原理

本文提出的彈丸空間位置測(cè)量系統(tǒng)是由地面微波雷達(dá)和安裝于彈丸上的小型應(yīng)答機(jī)共同完成，通過(guò)在地面雷達(dá)和彈丸應(yīng)答機(jī)之間建立測(cè)控、測(cè)距和時(shí)間同步鏈路，實(shí)現(xiàn)測(cè)控信息的交互，并通過(guò)雷達(dá)、應(yīng)答機(jī)測(cè)距、時(shí)間同步等技術(shù)保證和提高系統(tǒng)測(cè)距及定位的精度。

偽碼測(cè)距不僅具有測(cè)距精度高、捕獲時(shí)間短、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且它避免了多次解距離模糊的復(fù)雜運(yùn)算，保密性和抗干擾性都得到了增強(qiáng)，并且可確保測(cè)距的實(shí)時(shí)性和實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)距原始觀測(cè)量進(jìn)行平滑處理計(jì)算，調(diào)制載波后可以與其他多種信號(hào)同時(shí)占用一個(gè)射頻帶寬。故本文采用雙向偽碼測(cè)距技術(shù)，利用測(cè)控?cái)U(kuò)頻碼作為測(cè)距碼；同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)之間的時(shí)間同步，本文選擇雙向時(shí)間比對(duì)方案建立兩地時(shí)鐘的嚴(yán)格同步。具體實(shí)現(xiàn)方法：在雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)的全雙工通信終端中引入偽隨機(jī)碼直序擴(kuò)頻并配置高穩(wěn)定度頻標(biāo)，利用測(cè)控通信鏈路實(shí)現(xiàn)雷達(dá)和應(yīng)答機(jī)之間的異步傳輸幀非相干擴(kuò)頻通信，完成雙向單程非相干擴(kuò)頻偽距、載波相位測(cè)量和測(cè)距測(cè)速運(yùn)算。

彈丸經(jīng)過(guò)加裝發(fā)射和接收設(shè)備后，對(duì)于地面雷達(dá)設(shè)備來(lái)說(shuō)可以等同于合作目標(biāo)。算法通過(guò)測(cè)量偽碼和載波相位等信息，計(jì)算得到相對(duì)偽距信息，再通過(guò)雙向比對(duì)的方法進(jìn)行測(cè)量并消除時(shí)鐘差，最終實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距功能。其工作原理如圖1所示。

圖1 雙向比對(duì)距離測(cè)量原理

地面雷達(dá)和彈丸應(yīng)答機(jī)分別以自身時(shí)鐘為基準(zhǔn)發(fā)射前向測(cè)距信號(hào)和后向測(cè)距信號(hào)，由于雙方時(shí)間不同步，雙方發(fā)射的測(cè)距信號(hào)幀同步之間存在時(shí)鐘差Δt，雷達(dá)通過(guò)捕獲跟蹤雙向測(cè)距信號(hào)可以得到前向測(cè)距信號(hào)幀同步與反向測(cè)距信號(hào)幀同步之間的時(shí)延T1，該時(shí)延包含彈丸與雷達(dá)天線間的電磁波傳輸時(shí)延τ外，還包含彈丸發(fā)射設(shè)備時(shí)延t2，雷達(dá)的接收設(shè)備時(shí)延r1以及彈丸與地面設(shè)備之間的鐘差Δt，其關(guān)系為

(1)

同理，通過(guò)計(jì)算亦可得到時(shí)延T2，其關(guān)系為

(2)

由以上兩式可得地面設(shè)備與彈丸之間的相對(duì)距離和鐘差分別為

(3)

(4)

設(shè)t12=t1+r2，t21=t2+r1，則：

(5)

(6)

實(shí)際工作中，彈丸與地面設(shè)備的測(cè)距、時(shí)間比對(duì)和數(shù)據(jù)交換過(guò)程完全相同，將地面設(shè)備的偽距測(cè)量結(jié)果代入式(4)，將接收到的彈丸傳輸幀偽碼數(shù)據(jù)代入式(5)，再通過(guò)式(6)即可計(jì)算出彈丸與地面設(shè)備之間的實(shí)時(shí)距離。

上述處理過(guò)程中的T1和T2分別由地面設(shè)備和彈丸的碼跟蹤環(huán)路提取，并嵌入到傳輸幀的數(shù)據(jù)區(qū)中，通過(guò)交換鏈路向?qū)Ψ桨l(fā)送，由于t12和t21可以通過(guò)標(biāo)校獲得，從而通過(guò)雙向比對(duì)測(cè)距可以得到高精度的距離測(cè)量信息。由于距離的一階微分對(duì)應(yīng)速度，因此求解式的導(dǎo)數(shù)即能得出彈丸相對(duì)基站的時(shí)差變化率，即相對(duì)頻率準(zhǔn)確度。

1.2 信號(hào)處理流程

彈載雙向通信系統(tǒng)工作時(shí)，地面雷達(dá)、彈丸應(yīng)答機(jī)分別發(fā)射由偽隨機(jī)碼調(diào)制的擴(kuò)頻測(cè)距信號(hào)，在捕獲和跟蹤到對(duì)方發(fā)射的信號(hào)后提取偽碼和載波相位，經(jīng)過(guò)雙向比對(duì)數(shù)據(jù)處理后最終得到地面雷達(dá)與彈丸之間的距離、速度等信息。圖2為彈丸應(yīng)答機(jī)-地面雷達(dá)通信與測(cè)量信號(hào)、信息處理流程圖。

信號(hào)接收流程：地面雷達(dá)接收信號(hào)經(jīng)射頻信道變頻到中頻，再經(jīng)正交下變頻后進(jìn)行A/D采樣處理，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻、擴(kuò)頻、解調(diào)出數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)提取幀時(shí)標(biāo)產(chǎn)生幀時(shí)標(biāo)脈沖與本地發(fā)射幀時(shí)標(biāo)進(jìn)行時(shí)差測(cè)量形成粗測(cè)距數(shù)據(jù)。同時(shí)，從解調(diào)出的數(shù)據(jù)中提取出應(yīng)答機(jī)測(cè)量偽距值(T2)、彈丸應(yīng)答機(jī)測(cè)量偽速值、本地測(cè)量偽距值(T1)、本地測(cè)量偽速值并按發(fā)射時(shí)刻配對(duì)解算后，最終形成精細(xì)測(cè)距數(shù)據(jù)輸出。

信號(hào)發(fā)送流程：接收信號(hào)擴(kuò)頻形成的偽碼鐘與本地發(fā)射偽碼鐘進(jìn)行相位比較，并經(jīng)累積平滑處理后得到偽碼相位的精測(cè)數(shù)據(jù)，由精測(cè)數(shù)據(jù)和粗測(cè)數(shù)據(jù)合成偽距數(shù)據(jù)值T1。偽距數(shù)值T1經(jīng)濾波、緩存，在下一發(fā)射時(shí)刻打包格式化到器間測(cè)控發(fā)射數(shù)據(jù)幀中，再經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻、調(diào)制最終由射頻BPSK調(diào)制發(fā)射信道發(fā)射出去。

圖2 彈載雙向通信系統(tǒng)信號(hào)處理流程

整個(gè)信號(hào)處理流程中，本地時(shí)間是發(fā)射信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)刻，以一定的系統(tǒng)時(shí)鐘工作，可以產(chǎn)生內(nèi)部發(fā)射時(shí)標(biāo)，并生成相干的1 PPS-T輸出信號(hào)作為系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)。系統(tǒng)在時(shí)標(biāo)外同步指令的驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間與外部輸入的1 PPS信號(hào)的同步；本地的時(shí)間單元在時(shí)標(biāo)調(diào)整指令、時(shí)間校準(zhǔn)指令的控制下，也可實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間的校準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 測(cè)速精度分析

在地面雷達(dá)與彈丸應(yīng)答機(jī)之間采取非相干擴(kuò)頻測(cè)距測(cè)速的情況下，雷達(dá)載波跟蹤環(huán)在兩個(gè)時(shí)刻的載波相位差對(duì)應(yīng)單程載波多普勒積分。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)刻的載波相位差便能夠得到彈丸的速度，所以有

(7)

PLL熱噪聲為

應(yīng)用專(zhuān)用計(jì)算軟件對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行背靠背起動(dòng)仿真計(jì)算，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流分別給定1.0(p.u.)，勵(lì)磁控制方式為恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式。所分析的起動(dòng)過(guò)程為壓水起動(dòng)，計(jì)算中考慮了各種損耗對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的阻力矩，包括發(fā)電機(jī)的上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承及推力軸承的損耗等等[7]。另外，起動(dòng)過(guò)程中水輪機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩給定22%Tn。電機(jī)的加速時(shí)間為104 s左右，即機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間(不包括同步并網(wǎng)的時(shí)間)見(jiàn)圖5。

(8)

熱噪聲引起的載波環(huán)跟蹤誤差與環(huán)路帶寬、環(huán)路載噪比的兩維關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 載波環(huán)跟蹤誤差與載噪比、環(huán)路帶寬的關(guān)系

其中當(dāng)載噪比固定為50 dB-Hz時(shí)，與環(huán)路帶寬的一維關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 載波環(huán)跟蹤誤差與環(huán)路帶寬的關(guān)系

當(dāng)環(huán)路帶寬固定為10 Hz、18 Hz時(shí)，與環(huán)路載噪比的一維關(guān)系曲線如圖5所示。

阿侖方差振蕩器相位噪聲(方案設(shè)計(jì)中選擇三階環(huán))為

(9)

動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差(三階環(huán))為

(10)

圖5 載波環(huán)跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系

所以PLL跟蹤誤差為

(11)

由式可以看出，載波跟蹤動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差與環(huán)路階數(shù)、環(huán)路帶寬和加速度動(dòng)態(tài)有關(guān)，由于地面雷達(dá)—彈丸應(yīng)答機(jī)相對(duì)距離變化率范圍在正負(fù)60 m/s范圍內(nèi)，加加速度動(dòng)態(tài)應(yīng)該不大，而且也只是瞬時(shí)的，因此載波環(huán)跟蹤動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差引起的測(cè)速誤差可以忽略不計(jì)。指標(biāo)估算時(shí)環(huán)路帶寬Bn選擇18 Hz(該帶寬可以滿足測(cè)量通信設(shè)備動(dòng)態(tài)要求)，阿侖方差σA(τ)為1×10-12(假設(shè)值)，測(cè)速時(shí)間間隔Ts選取為100 ms(方案暫定)，因此總測(cè)速誤差為

(12)

2.2 測(cè)距精度分析

采用偽碼測(cè)距體制，測(cè)距誤差主要來(lái)源于碼環(huán)對(duì)接收擴(kuò)頻信號(hào)的跟蹤誤差、傳輸路徑(含接收通道)附加時(shí)延不確定度、相對(duì)距離變化與時(shí)差引起的誤差以及由晶振頻率穩(wěn)定度帶來(lái)的測(cè)距誤差。

2.2.1 碼環(huán)(即DLL)跟蹤誤差

碼環(huán)跟蹤誤差主要由3部分組成：熱噪聲引起的距離跟蹤顫動(dòng)、由于跟蹤環(huán)路跟蹤目標(biāo)動(dòng)態(tài)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差和多徑誤差。通常情況下，碼環(huán)存在動(dòng)態(tài)跟蹤誤差，但由于碼多普勒頻率和載波多普勒頻率是成固定比關(guān)系的，采用載波環(huán)輔助碼環(huán)技術(shù)可以消除碼環(huán)大部分的動(dòng)態(tài)誤差，因而碼環(huán)的動(dòng)態(tài)跟蹤誤差很小，可以忽略不計(jì)。

非相干碼跟蹤環(huán)熱噪聲顫動(dòng)誤差(1σ)為

(13)

對(duì)于超前滯后相關(guān)器，有F1=1/2，F(xiàn)2=1，相關(guān)間隔選為1/2 chip，即d=1/2，碼速率為10.23 MHz，故式可表示為

(14)

其中，C/N0為載噪比，Bn為環(huán)路帶寬，T為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中選擇T=1 ms。由于碼跟蹤環(huán)由載波環(huán)輔助，因此只需很小的環(huán)路帶寬就可以完成對(duì)偽碼的精確跟蹤。熱噪聲引起的碼環(huán)跟蹤誤差與環(huán)路帶寬、環(huán)路載噪比的兩維關(guān)系曲線如圖6、圖7所示。

圖6 熱噪聲引起的碼環(huán)跟蹤誤差與環(huán)路帶寬的關(guān)系

圖7 熱噪聲引起的碼環(huán)跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系

其中當(dāng)載噪比固定為50dB-Hz時(shí)，與環(huán)路帶寬、環(huán)路載噪比的兩維關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 碼環(huán)跟蹤誤差與與載噪比、環(huán)路帶寬的關(guān)系

當(dāng)環(huán)路帶寬固定為0.1Hz時(shí)，與環(huán)路載噪比的一維關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 熱噪聲引起的碼環(huán)跟蹤誤差與載噪比的關(guān)系

容易看出：當(dāng)環(huán)路帶寬選為0.1Hz，偽碼速率為10.23MHz時(shí)，由熱噪聲引起的測(cè)距誤差(3σ)小于0.062 7m。多徑誤差與多路徑信號(hào)與直達(dá)路徑信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)延遲有關(guān)，而多路徑信號(hào)與直達(dá)路徑信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)延遲與接收天線和其所處的環(huán)境、使用條件有關(guān)，需根據(jù)具體情形綜合分析。

2.2.2 傳輸路徑(含接收通道)附加時(shí)延不確定度

傳輸路徑主要包含天線、收發(fā)通道，附加時(shí)延不確定度包含絕對(duì)時(shí)延不確定度和時(shí)延變化不確定度。天線和收發(fā)通道的絕對(duì)時(shí)延標(biāo)定不確定度，隨著入射角、溫度和信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)延變化不確定度，均會(huì)等效為測(cè)距誤差。

天線和收發(fā)通道的絕對(duì)時(shí)延不確定度(即微波雷達(dá)系統(tǒng)距離差或稱(chēng)微波雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)標(biāo)校值)可通過(guò)校準(zhǔn)通道實(shí)時(shí)標(biāo)校得到，即利用通道時(shí)延自校環(huán)路，可以估計(jì)得到通道時(shí)延，與正常接收通道間的偽距測(cè)量值進(jìn)行相減從而消除零值的漂移。

2.2.3 相對(duì)距離變化與鐘差引起的誤差

地面雷達(dá)和彈丸應(yīng)答機(jī)有各自不同的時(shí)鐘基準(zhǔn)，因此必然帶來(lái)它們之間時(shí)鐘同步問(wèn)題，即存在鐘差，影響測(cè)距精度。在鐘差Δt期間地面雷達(dá)—彈丸應(yīng)答機(jī)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即相對(duì)距離變化將帶來(lái)相對(duì)距離測(cè)量的偏差。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)速度為60m/s時(shí)，鐘差Δt為0.1ms，即可保證由此引入的測(cè)距誤差小于0.006m。

2.2.4 晶振頻率穩(wěn)定度對(duì)測(cè)距的影響

由于測(cè)距頻標(biāo)的輸出頻率并不是標(biāo)稱(chēng)頻率，但系統(tǒng)仍然按照標(biāo)稱(chēng)頻率計(jì)算距離，由此引起一定的距離測(cè)量誤差。距離越大，誤差越大，對(duì)于本方案中系統(tǒng)參數(shù)，頻標(biāo)穩(wěn)定度引起的測(cè)距誤差估算如下，對(duì)于100km作用距離，測(cè)量誤差約為

(15)

這對(duì)于10m左右的測(cè)距精度指標(biāo)而言，是可以忽略不計(jì)的。

根據(jù)以上分析，測(cè)距總誤差可表示為

(16)

(17)

(18)

其中：Δρ為測(cè)距誤差；Δρ0為測(cè)距系統(tǒng)誤差，經(jīng)標(biāo)校后剩余誤差可以認(rèn)為0.03 m；Δρn為環(huán)路跟蹤誤差，即3σtDLL，為碼跟蹤環(huán)熱噪聲引起的3σ隨機(jī)測(cè)距誤差；Bn=0.1 Hz，碼環(huán)噪聲帶寬；C/N0，載噪比，用dB-Hz表示；c=2.997 924 58×108m/s為真空中光速；λcc=2.997 924 58×108/10.23×106=29.305 2 m/chip；T=1 ms，為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間。

圖10給出了1.5 m～100 km時(shí)，本文方法測(cè)距精度仿真值與系統(tǒng)指標(biāo)的對(duì)比曲線。根據(jù)鏈路計(jì)算結(jié)果可知，在各工作距離段均能滿足指標(biāo)要求。在實(shí)際設(shè)備工作中，存在系統(tǒng)零值標(biāo)定誤差和零值漂移影響等因素，近距離下通過(guò)零值校準(zhǔn)，測(cè)距精度可以控制在0.1 m之內(nèi)，遠(yuǎn)距離下不經(jīng)零值校準(zhǔn)測(cè)距精度仍可以控制在1 m之內(nèi)。這一指標(biāo)遠(yuǎn)高于目前傳統(tǒng)彈丸位置測(cè)量精度。

圖10 本文方法的測(cè)距誤差仿真值與指標(biāo)要求對(duì)比

3 結(jié)論

本文提出了一種基于雙向?qū)Ρ人惴ǖ膹椡韪呔葴y(cè)距及測(cè)速方法，并給出了相應(yīng)的測(cè)距及測(cè)速方案。理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果表明了所提方法的可行性。在最低載噪比47dBHz，環(huán)路帶寬為18Hz情形下，測(cè)速誤差優(yōu)于2e-3m/s，測(cè)距精度優(yōu)于1m。將所提方法應(yīng)用到高速?gòu)椡璧奈恢脺y(cè)量，可以較好地解決傳統(tǒng)基于非合作測(cè)量方式的不利影響，明顯提高系統(tǒng)性能。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Novel Method for Exact Position Calculation of ProjectileUsing Bidirectional Time Alignment Technology

ZHANG Liang, WU Hai-bing, GU Guo-hua

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031, China)

In this paper, a high precision method for projectile position measurement based on bidirectional time alignment technique was proposed firstly. Then the corresponding system implementation scheme was designed. Both theoretical and simulated results show that the proposed method can improve measurement precision and working efficiency of the system.

projectile position measurement; bidirectional time alignment; cooperative target; accuracy analysis of distance and velocity measurement.

2016-11-27；

2016-12-25

國(guó)防裝備預(yù)研共用技術(shù)

基金項(xiàng)目(9140A05020114JB91064)

張良(1984—)，男，博士，講師，主要從事兵器科學(xué)與技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.04.002

張良，吳海兵，顧國(guó)華.雙向比對(duì)技術(shù)彈丸空間位置高精度測(cè)量方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):8-13.

format:ZHANG Liang, WU Hai-bing, GU Guo-hua.Novel Method for Exact Position Calculation of Projectile Using Bidirectional Time Alignment Technology[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):8-13.

TN957；TJ01

A

2096-2304(2017)04-0008-06