朱 勇, 郭法濱

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230088)

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浮空雷達(dá)高精度探測(cè)分析

朱 勇, 郭法濱

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230088)

浮空雷達(dá)探測(cè)精度主要受平臺(tái)姿態(tài)變化引起的定位誤差和傳感器自身的探測(cè)誤差影響。文章針對(duì)2類(lèi)誤差的影響因素進(jìn)行了分析,提出了采用寬信號(hào)發(fā)射波形和高精度定位的方法來(lái)降低雷達(dá)探測(cè)誤差,結(jié)合高精度船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)信息自動(dòng)校準(zhǔn)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)浮空雷達(dá)高精度探測(cè)。工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明,該方法取得了較好的效果。

浮空雷達(dá);高精度探測(cè);誤差校準(zhǔn);船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)

0 引 言

浮空雷達(dá)系統(tǒng)是以飛艇、系留氣球等浮空器為載體,將雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)升至幾百到幾萬(wàn)米的空中,使其不受地球曲率、遮蔽物和地面氣流的影響,具有較強(qiáng)的低空探測(cè)能力,尤其是對(duì)超低空飛行的小目標(biāo),甚至巡航導(dǎo)彈都具有相當(dāng)好的探測(cè)能力[1-3]。浮空器雷達(dá)正以其低空探測(cè)能力好、留空時(shí)間長(zhǎng)、使用效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)土防空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

由于浮空平臺(tái)懸浮在高空,受氣流影響,平臺(tái)始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，航向、姿態(tài)等一直變化,導(dǎo)致所搭載雷達(dá)的系統(tǒng)誤差隨之變化,影響了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的性能[4]。本文針對(duì)該實(shí)際問(wèn)題,從浮空雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)誤差分析入手,對(duì)減小和校正系統(tǒng)誤差、提高浮空雷達(dá)探測(cè)精度進(jìn)行了探討。

1 浮空雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)誤差分析

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)精度主要受2種類(lèi)型的誤差影響,即隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差[5-8]。隨機(jī)誤差可以通過(guò)各種濾波技術(shù)進(jìn)行消除;而系統(tǒng)誤差是一種確定性的誤差,無(wú)法通過(guò)濾波方法去除,本文主要針對(duì)浮空雷達(dá)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析。

浮空雷達(dá)的系統(tǒng)誤差主要包括:① 雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)誤差,主要是雷達(dá)本身因技術(shù)體制局限、設(shè)計(jì)缺陷、器件老化等引起的測(cè)量偏差,主要包括測(cè)距偏差、測(cè)向偏差等;② 浮空平臺(tái)定位誤差,主要是由平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的偏差引起的,包括對(duì)平臺(tái)的位置、姿態(tài)(俯仰、橫滾、航向)等的測(cè)量偏差。

1.1 雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)誤差

(1)

其中,r、θ、ε分別為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)距離、方位、仰角的測(cè)量值;rt、θt、εt為相應(yīng)的真值;Δr、Δθ、Δε分別為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)距離、方位、仰角的測(cè)量誤差。傳感器測(cè)量誤差可以表示為偏差常量加上隨機(jī)噪聲,因此傳感器的距離、方位角和仰角的測(cè)量誤差可以分別表示為:

(2)

其中,Δrb、Δθb、Δεb分別為相應(yīng)的高斯白噪聲;Δrn、Δθn、Δεn分別為相應(yīng)的測(cè)量偏差。

雷達(dá)測(cè)量得到的距離、方位和俯仰三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系的關(guān)系如下：

(3)

在誤差較小的情況下,對(duì)傳感器測(cè)量誤差進(jìn)行一階泰勒展開(kāi),即

G(r-Δr,θ-Δθ,ε-Δε)=

(4)

其中

1.2 浮空平臺(tái)定位誤差

近年來(lái)，中央及各地政府機(jī)構(gòu)加大財(cái)政投入，加強(qiáng)資源整合，在農(nóng)村地區(qū)開(kāi)展衛(wèi)生治理、村莊環(huán)境建設(shè)、道路修建等一系列基礎(chǔ)建設(shè)工作，使得鄉(xiāng)村呈現(xiàn)出天藍(lán)、水綠、村民安居樂(lè)業(yè)的美好景象。

平臺(tái)地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地心地固(earth centered earth fixed,ECEF)直角坐標(biāo)系,結(jié)果如下:

(5)

其中,B、L、H分別為經(jīng)度、緯度、高度;C的表達(dá)式為:

(6)

其中，Eq為地球祁有球的長(zhǎng)半軸；e為第一偏心率。

平臺(tái)定位偏差較小時(shí),在地理坐標(biāo)系下,對(duì)傳感器平臺(tái)偏差進(jìn)行泰勒一階展開(kāi)分析,即

F(B-ΔB,L-ΔL,H-ΔH)≈

(7)

其中

JF=

(8)

則有

(9)

假設(shè)Δz=0,目標(biāo)位置為x、y,則平臺(tái)定位誤差引起的測(cè)距偏差為:

-Δxsinθ-Δycosθ

(10)

平臺(tái)定位誤差引起的測(cè)向偏差為:

(11)

2 誤差校準(zhǔn)

雷達(dá)系統(tǒng)存在的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差,使雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)位置偏離了目標(biāo)的真實(shí)位置。因此，必須對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)估計(jì),并對(duì)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償,即系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)。如果存在目標(biāo)高精度定位數(shù)據(jù),那么可以借助同一個(gè)目標(biāo)的高精度定位值和雷達(dá)帶有誤差的探測(cè)值來(lái)估計(jì)雷達(dá)的系統(tǒng)偏差。

(12)

(13)

E(ΔRs)=E(ΔRs)=ΔRs;

E(Δθs)=E(Δθs)=Δθs

(14)

當(dāng)點(diǎn)數(shù)足夠多時(shí),有

E(ΔRs)=ΔRs,

E(Δθs)=Δθs

(15)

當(dāng)樣本數(shù)足夠多時(shí),雷達(dá)測(cè)量值與目標(biāo)的高精度值之差的樣本均值趨于雷達(dá)的系統(tǒng)偏差。

3 高精度測(cè)量

由上文分析可知,雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)誤差主要是由雷達(dá)本身引起的,提高雷達(dá)本身性能(如減少距離分辨單元內(nèi)的雜波、提高信雜比)，采用更高的帶寬信號(hào)發(fā)射波形,減小距離分辨單元以提高距離分辨和測(cè)距精度,都能減小雷達(dá)系統(tǒng)自身的測(cè)量誤差,實(shí)現(xiàn)浮空雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)距離精度的提高。測(cè)量誤差為：

(16)

不同的帶寬發(fā)射波形影響如圖1所示。其中，圖1a瞬時(shí)工作帶寬為2.5 MHz，圖1b瞬時(shí)工作帶寬為10 MHz。由圖1可知，瞬時(shí)工作帶寬提升4倍，則雜波等效面積降低至原來(lái)的1/4。

浮空平臺(tái)定位誤差主要受平臺(tái)定位精度影響,可以設(shè)計(jì)采用高精度定位測(cè)量設(shè)備有效降低浮空平臺(tái)定位誤差，以提高浮空雷達(dá)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的精度。

浮空雷達(dá)裝配的高精度設(shè)備如船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automotic identification system,AIS)等可以接收海面目標(biāo)包括經(jīng)度、緯度、高度等信息。由于AIS信息中船舶位置精度可達(dá)米級(jí)[9],將其位置信息坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化為浮空雷達(dá)坐標(biāo)系下的位置，包括距離、方位、高度等信息與雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)位置信息進(jìn)行融合校準(zhǔn)。利用AIS融合功能,根據(jù)基于多因素量化匹配的海面目標(biāo)AIS點(diǎn)跡與雷達(dá)航跡融合相關(guān)算法,將AIS位置信息與一次雷達(dá)海面目標(biāo)航跡進(jìn)行配對(duì),綜合多批多幀數(shù)據(jù)后統(tǒng)計(jì)和計(jì)算雷達(dá)的系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差,實(shí)時(shí)自動(dòng)校正一次雷達(dá)系統(tǒng)誤差,提高測(cè)量精度。

圖1 不同帶寬發(fā)射波形影響

將上述方法應(yīng)用于某型雷達(dá),通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，應(yīng)用本文方法后，浮空雷達(dá)的探測(cè)精度得到了提升，將雷達(dá)探測(cè)獲取的距離和方位值與高精度差分GPS獲取的目標(biāo)距離和方位真值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩值基本吻合；計(jì)算距離和方位測(cè)量誤差可以得到，距離探測(cè)誤差降至25.5 m，方位測(cè)量誤差降至0.192°。

圖2 某浮空雷達(dá)實(shí)測(cè)距離誤差和實(shí)測(cè)方位誤差

4 結(jié) 論

由于浮空平臺(tái)受氣流影響,其航向、姿態(tài)等一直變化,導(dǎo)致所搭載雷達(dá)的系統(tǒng)誤差隨之變化,影響了雷達(dá)目標(biāo)的探測(cè)性能。本文對(duì)影響浮空雷達(dá)探測(cè)精度的系統(tǒng)誤差和平臺(tái)誤差進(jìn)行了分析,提出了一種減小系統(tǒng)誤差和誤差自動(dòng)校準(zhǔn)的方法,并在某型雷達(dá)上成功應(yīng)用。測(cè)量結(jié)果表明,該方法有效地提高了浮空雷達(dá)的探測(cè)精度。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

Analysis of high precision detection for aerostat-borne radar

ZHU Yong, GUO Fabin

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, No.38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei 230088, China)

The detection performance of the aerostat-borne radar suffers from the aerostat platform positioning biases and sensor’s detecting biases. The effect of these two kinds of biases is analyzed and the high precision detection method is presented. The technique adopts the transmit waveform of the wideband signals and employs the high precision location to reduce the error of radar detection, where the automatic identification system(AIS) automatic calibration is used for error compensation. The results of processing engineering application measurement data show that this method is effective.

aerostat-borne radar; high precision detection; error compensation; automatic identification system(AIS)

2017-01-15；

2017-02-28

朱 勇(1975-),男,安徽潛山人,中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所高級(jí)工程師; 郭法濱(1979-),男,山東泰安人,博士,中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所高級(jí)工程師,通訊作者，E-mail:guofabin@163.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.014

TN959.73

A

1003-5060(2017)07-0930-04