任 強 王 偉 高一棟

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

無人作戰(zhàn)平臺已被應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭，是軍事強國不可或缺的作戰(zhàn)力量[1]。隨著無人作戰(zhàn)平臺日趨成熟和工程化應(yīng)用的深入，其上安裝載荷的工作自主化也得到深入發(fā)展。雷達系統(tǒng)作為安裝在無人作戰(zhàn)平臺上的主要探測設(shè)備，其工作自主化能力對無人作戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)效能有著非常重要的影響。裝有雷達的無人作戰(zhàn)平臺自身有較強的電子偵察監(jiān)視能力，可對戰(zhàn)場環(huán)境進行24h不間斷動態(tài)監(jiān)視，并記錄和回傳戰(zhàn)場動態(tài)信息。監(jiān)視范圍包括大范圍廣域搜索和局部位置重點跟蹤。本文從實際應(yīng)用出發(fā)，提出無人作戰(zhàn)平臺用雷達進行定位探測方法，針對戰(zhàn)場局部位置目標(biāo)進行搜索跟蹤，實時掌握目標(biāo)位置坐標(biāo)信息，提供給指揮系統(tǒng)進行戰(zhàn)場決策。

1 方法原理

控制雷達對戰(zhàn)場局部位置進行準(zhǔn)確跟蹤監(jiān)視，需要提供給雷達待監(jiān)視的局部目標(biāo)區(qū)域位置中心大地坐標(biāo)，雷達位置大地坐標(biāo)，以及安裝雷達的無人作戰(zhàn)平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)(航向角，縱搖角，橫滾角)。雷達根據(jù)自身和監(jiān)視局部位置中心的大地坐標(biāo)(經(jīng)度，緯度，高度)，經(jīng)過一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，解算出雷達坐標(biāo)系下的針對待監(jiān)視目標(biāo)區(qū)域的中心位置的波束指向。然后根據(jù)無人作戰(zhàn)平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)對該波束指向進行補償修正，從而得到指向待監(jiān)視目標(biāo)區(qū)域中心位置的準(zhǔn)確的雷達波束指向。整個解算過程隨著無人作戰(zhàn)平臺的運動實時動態(tài)刷新。

雷達定位探測數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

圖1 雷達定位探測數(shù)據(jù)流圖

1.1 雷達信息輸入

雷達工作輸入包括兩部分：監(jiān)視的局部目標(biāo)位置中心大地坐標(biāo)(目標(biāo)經(jīng)度，目標(biāo)緯度，目標(biāo)海拔高度)作為雷達工作參數(shù)，可從雷達系統(tǒng)人機交互界面輸入。雷達自身大地坐標(biāo)(雷達經(jīng)度，雷達緯度，雷達海拔高度)和無人作戰(zhàn)平臺的姿態(tài)數(shù)據(jù)(橫滾角，縱搖角，航向角)有該平臺上安裝的組合慣導(dǎo)給出。

1.2 雷達波束指向確定

雷達系統(tǒng)波束指向確定分為波束解算和波束穩(wěn)定兩部分組成。波束解算根據(jù)雷達和待探測目標(biāo)區(qū)域中心的大地坐標(biāo)求出雷達波束在雷達坐標(biāo)系中指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的角度。波束穩(wěn)定解決無人作戰(zhàn)平臺姿態(tài)變化對雷達波束指向精度的影響問題，也就是要補償裝有雷達的無人作戰(zhàn)平臺因自身姿態(tài)變化(航向變化，縱搖變化，橫滾變化)引起的波束指向偏差。

1.3 搜索目標(biāo)輸出

雷達監(jiān)視的局部目標(biāo)位置信息，根據(jù)不同的功能雷達探測的信息有所不同，主要包括目標(biāo)坐標(biāo)，目標(biāo)識別信息，SAR數(shù)據(jù)，以及氣象數(shù)據(jù)等等。

2 算法設(shè)計

坐標(biāo)變換完成將大地坐標(biāo)系下的雷達位置坐標(biāo)和待探測目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為雷達坐標(biāo)系下的待探測目標(biāo)區(qū)域中心相對雷達的坐標(biāo)。整個轉(zhuǎn)換過程包括將雷達位置和待探測目標(biāo)區(qū)域中心大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)，然后將地心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系(又稱東北天坐標(biāo)系(ENU)[2]，最后解算出在雷達坐標(biāo)系下的波束指向。

2.1 大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地心直角坐標(biāo)系

大地坐標(biāo)系(緯度φ，經(jīng)度λ，高度h)轉(zhuǎn)換到地心地固直角坐標(biāo)系(x，y，z)[2-3]的變換公式：

x=(N+h)cosφcosλ

(1)

y=(N+h)cosφsinλ

(2)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(3)

(4)

(5)

涉及具體參數(shù)說明如下：

N：基準(zhǔn)橢球體的卯酉圓曲率半徑；

e：橢球偏心率；

a：基準(zhǔn)橢球體長半徑；

b：基準(zhǔn)橢球體短半徑。

2.2 地心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成站心坐標(biāo)

根據(jù)2.1中式(1)、式(2)和式(3)，求出的地心直角坐標(biāo)系下的雷達坐標(biāo)(無人作戰(zhàn)平臺)和待探測目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)，求出站心坐標(biāo)系下雷達到待探測目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)的矢量。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣S為：

(6)

若地心直角坐標(biāo)系下雷達指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的矢量為

(7)

其中，Φ為大地坐標(biāo)維度；λ為大地坐標(biāo)經(jīng)度；

(xr,yr,zr)為待探測目標(biāo)區(qū)域中心在地心直角坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)；(x0,y0,z0)為雷達在地心直角坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)。

則站心坐標(biāo)系下的雷達指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的矢量為

(8)

2.3 波束穩(wěn)定

波束穩(wěn)定是為了解決無人作戰(zhàn)平臺本身抖動造成的雷達波束指向誤差。無人作戰(zhàn)平臺本身抖動主要有航向角α變化、縱搖角β變化和橫滾角γ變化三個方面。統(tǒng)籌這三個角度的影響，生成波束穩(wěn)定變換矩陣T，T的推導(dǎo)過程如下[3]：

首先，計算航向角α的變化對波束矢量的影響，影響矩陣Tα為：

(9)

其次，計算縱搖角β的變化對波束矢量的影響，影響矩陣Tβ為：

(10)

最后，計算橫滾角γ的變化對波束矢量的影響，影響矩陣Tγ為：

(11)

由式(9)、式(10)及式(11)得到波束穩(wěn)定變換矩陣T，見下面矩陣所示。

(12)

經(jīng)過T變換后，得到波束穩(wěn)定后的指向矢量，見式(13)所示。

(13)

最后，再將站心直角坐標(biāo)系下的雷達對待探測目標(biāo)區(qū)域中心的波束指向矢量轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)系(即雷達極坐標(biāo)系)下的雷達指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的距離、方位角和俯仰角，就得到了正確的雷達穩(wěn)定波束指向。轉(zhuǎn)換公示見式(14)、式(15)及式(16)所示，

(14)

(15)

(16)

式(14)-(16)中，參數(shù)說明如下：

R：雷達指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的距離；

azi：雷達指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的方位角；

ele：雷達指向待探測目標(biāo)區(qū)域中心的俯仰角。

3 算法實現(xiàn)

3.1 算法環(huán)境

無人作戰(zhàn)平臺使用雷達進行定點探測方法的實現(xiàn)軟件在某型無人飛艇載毫米波雷達的嵌入式運行平臺上進行了實現(xiàn)并投入使用。平臺通信及數(shù)據(jù)流見圖2所示。毫米波雷達安裝在無人駕駛飛艇上，顯控終端安裝在地面車輛的顯控終端中，雷達和顯控終端之間的通信通過安裝在無人飛艇和地面上的無線通信鏈路系統(tǒng)進行。

圖2 通信及數(shù)據(jù)流

該嵌入式運行平臺安裝在信處機箱中，平臺的硬件環(huán)境為基于PowerPC的單板機和AD采樣處理板，以及數(shù)據(jù)/信號處理板，單板機上設(shè)計有標(biāo)準(zhǔn)的RS-422異步串口，自適應(yīng)10M/100M/1000M以太網(wǎng)絡(luò)接口，AD采樣處理板上設(shè)計有高速同步串口。平臺上運行的軟件環(huán)境為嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)以及該系統(tǒng)上運行的雷達中心控制軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和信號處理軟件。

地面車輛中運行的顯控終端運行在window及其兼容的系統(tǒng)平臺上，作為待探測目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)的輸入人機接口(通過鼠標(biāo)和鍵盤交互)，并以圖文方式顯示雷達探測到的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息。

3.2 算法流程圖

無人作戰(zhàn)平臺使用雷達進行定位探測方法的算法流程見圖3所示。

圖3 算法流程

4 結(jié)束語

無人作戰(zhàn)平臺使用雷達進行定位探測方法在某電子裝備試驗基地?zé)o人駕駛飛艇上得到了驗證。該無人駕駛飛艇安裝有機載毫米波雷達，該毫米波雷達采用Ka波段，掃描方式為俯仰機械掃描，方位相位控制掃描體制。驗證過程針對該雷達特點而不失一般性，方法的結(jié)論分析分為兩方面：波束指向計算和波束穩(wěn)定。波束計算只要按照理論分析和計算公式進行解算就能得到準(zhǔn)確結(jié)果。而波束穩(wěn)定則需要試驗驗證文中波束穩(wěn)定補償算法的正確性。

驗證以雷達俯仰角控制為例，驗證采用的數(shù)據(jù)為載有毫米波雷達的無人駕駛飛艇實測數(shù)據(jù)。驗證結(jié)果見圖4和圖5所示。圖4中，雷達指定俯仰角度變化范圍為(-10，0，10)，縱搖角為(-10，0)，補償角為(5，25)。從圖中數(shù)據(jù)可以看出：平臺縱搖角造成雷達俯仰角度偏低，而補償角度彌補了縱搖角對雷達俯仰指向的影響，使得最終的俯仰控制角度和雷達指定角度一致，波束穩(wěn)定補償算法效果圖見圖5所示。

圖4 雷達控制俯仰角、無人平臺縱搖角和補償角變化曲線

圖5 波束補償后的俯仰實際控制角度和指定角度的變化曲線