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        一種基于全站儀的跟蹤雷達(dá)零位校準(zhǔn)方法

        2019-10-16 06:50:14
        火控雷達(dá)技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:全站儀

        李 龍 萬 軍 武 斌

        (中國兵器裝備集團(tuán)(成都)火控技術(shù)中心 成都 611731)

        0 引言

        精密跟蹤雷達(dá)作為防空火控跟蹤雷達(dá),是近程火控防御系統(tǒng)的關(guān)鍵武器設(shè)備,是一種具有較高跟蹤精度的單目標(biāo)跟蹤雷達(dá),其主要任務(wù)就是提供目標(biāo)精確的距離、方位和俯仰(R、A、E)坐標(biāo)位置。隨高新科技的發(fā)展,作為現(xiàn)代近程防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)對象的各種高性能飛機及彈類攻擊性武器也得到迅猛發(fā)展,對跟蹤雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能如穩(wěn)定跟蹤能力和測量精度提出了更高的要求。為精確提供目標(biāo)位置信息(即高精度的距離、角度信息),跟蹤雷達(dá)的軸系精度也需提高,才能為解算目標(biāo)信息提供精確的基準(zhǔn)。因此跟蹤雷達(dá)總調(diào)過程中的軸系校準(zhǔn)至關(guān)重要,其測試條件、調(diào)試過程、驗收等各環(huán)節(jié)必須給予重視。隨著武器安裝平臺的多樣化,跟蹤雷達(dá)天線安裝形式也隨之變化,軸系標(biāo)校難度增加,操作性程度減弱,隨著光學(xué)測量儀器精度的提高,利用高精度的全站儀對跟蹤雷達(dá)天線俯仰零位進(jìn)行校準(zhǔn),簡化測量方法并且降低測量難度。通過某型號精密跟蹤雷達(dá)的系統(tǒng)凋試過程驗證了其實用性和有效性,經(jīng)工程實踐試驗數(shù)據(jù)分析,證明此零位校準(zhǔn)方法具有良好的工作效能。

        1 跟蹤雷達(dá)軸系組成

        跟蹤雷達(dá)天線經(jīng)轉(zhuǎn)接板安裝在天線座方位-俯仰倒“π”字型支撐架上,保護(hù)天線的玻璃鋼天線罩安裝在天線前端。跟蹤雷達(dá)天線安裝狀態(tài)如圖1所示。跟蹤雷達(dá)天線陣面機械軸的標(biāo)校,其目的是要找出平面天線陣輻射面法線方向(即平面天線陣輻射法線的方位和俯仰零位值)。

        圖1 跟蹤雷達(dá)天線安裝狀態(tài)示意圖

        跟蹤雷達(dá)的軸系[1-2](如圖2所示)一般意義上包括光軸、電軸和機械軸。一般對光軸、電軸和機械軸的定義如下:

        1)光軸:校靶鏡中心與從校靶鏡中觀察到的十字分劃中心所對準(zhǔn)的遠(yuǎn)距離點之問的連線方向被稱為天線的光軸(即校靶鏡的視準(zhǔn)軸),光軸的理想位置與電軸平行。

        2)電軸:當(dāng)跟蹤雷達(dá)對點目標(biāo)自動跟蹤,目標(biāo)誤差信號等于零時(即天線精確對準(zhǔn)目標(biāo)的情況下),天線和被自動跟蹤目標(biāo)之間的假想連線被稱為天線的電軸,電軸的理想位置應(yīng)與機械軸重合。

        3)機械軸:由天線系統(tǒng)機械元件決定的,位于與俯仰軸(天線俯仰轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)軸心線)垂直的平面內(nèi)的設(shè)計計算電軸(即電軸的理想方向)。

        圖2 跟蹤雷達(dá)軸系示意圖

        2 標(biāo)校方法

        2.1 標(biāo)校要求

        光軸是跟蹤雷達(dá)的坐標(biāo)(方位、俯仰)基準(zhǔn),光軸的理想位置與電軸平行,標(biāo)校的目的實質(zhì)上就是要保證跟蹤雷達(dá)光軸、電軸和機械軸保持一致。根據(jù)近程火控防御武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需要,要保證一定精度范圍的軸系一致性,這就是跟蹤雷達(dá)的標(biāo)校精度要求。

        跟蹤雷達(dá)機械加工制造裝配過程中,要先在天線座方位-俯仰倒“π”字型支撐架上安裝一只校靶鏡,天線座俯仰軸嚴(yán)格垂直于光軸。跟蹤雷達(dá)校靶鏡的俯仰軸在光電軸匹配校準(zhǔn)過程中完成,校靶鏡的方位軸利用光學(xué)方法校準(zhǔn),光軸標(biāo)校后,不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力。由于校靶鏡的視準(zhǔn)軸作為跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)軸,光軸代表了跟蹤雷達(dá)俯仰、方位坐標(biāo)的基準(zhǔn),跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試過程中的標(biāo)定、檢查,要以光軸為基準(zhǔn)。跟蹤雷達(dá)出廠之前,軸系需經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)和檢驗。

        2.2 全站儀組成

        全站儀[3-4],即全站型電子測距儀,由測角、測距、數(shù)據(jù)處理、通訊、顯示屏和電源等組成,是集距離、水平角、俯仰角、高程差測量功能于一體的高技術(shù)測繪儀器系統(tǒng)。與光學(xué)經(jīng)緯儀相比,電子經(jīng)緯儀為光電掃描度盤,能自動記錄和顯示讀數(shù),使測量操作簡單化,可避免產(chǎn)生人為的讀數(shù)誤差。根據(jù)水平角、俯仰角測角精度,電子全站儀可分為0.1″、0.2″、0.5″、1″、2″和5″等幾個等級。

        2.3 測量原理

        測量原理如圖3所示,利用跟蹤雷達(dá)的校靶鏡和全站儀的望遠(yuǎn)鏡。光軸(校靶鏡)標(biāo)校后,不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力,校靶鏡的視準(zhǔn)軸作為跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)軸。在跟蹤雷達(dá)和全站儀都進(jìn)行調(diào)平后,觀測者利用跟蹤雷達(dá)的校靶鏡和全站儀的望遠(yuǎn)鏡互相對瞄,當(dāng)兩觀測者同時瞄準(zhǔn)對方物鏡的“+”中心點處,此時分別記錄兩者俯仰角讀數(shù),一個為跟蹤雷達(dá)俯仰值Eradar(單位為mil),另一個為全站儀俯仰角值Etotalstation(單位為XX°XX′XX″)。若跟蹤雷達(dá)俯仰零位(即跟蹤雷達(dá)俯仰值為0mil)為大地坐標(biāo)系下的絕對零位,則兩者讀數(shù)跟蹤雷達(dá)俯仰值的絕對值|Eradar|和全站儀俯仰角值的絕對值|Etotalstation|之和應(yīng)為90°,即為式(1)(讀數(shù)要進(jìn)行相應(yīng)單位的換算)。

        圖3 測量原理示意圖

        (1)

        3 標(biāo)校步驟

        3.1 光軸標(biāo)校

        1)跟蹤雷達(dá)天線對準(zhǔn)信號源信標(biāo)喇叭時,理論上方位、俯仰的角誤差值都應(yīng)為0。首先要進(jìn)行“找零點”,穩(wěn)定跟蹤伺服控制跟蹤雷達(dá)天線對準(zhǔn)標(biāo)信號源信標(biāo)喇叭,并保持當(dāng)前角度不變,信標(biāo)喇叭發(fā)出信標(biāo)信號(與跟蹤雷達(dá)工作頻率相同的連續(xù)波)。

        2)跟蹤信號處理采集和、方位差和俯仰差通道間的中頻信號,獲取相位信息后自動完成相位修正標(biāo)校。

        3)跟蹤信號處理加載標(biāo)校得到的相位,穩(wěn)定跟蹤伺服控制跟蹤雷達(dá)天線檢查天線方向圖、測角誤差線性和測角誤差極性是否正常。若不正常,則重復(fù)步驟1)~2)。

        4)切換跟蹤雷達(dá)工作的各個頻點,重復(fù)步驟1)~3),遍歷所有工作頻點。

        跟蹤信號處理校相功能主要由斜率修正單元和相位校正單元實現(xiàn),保證滿足跟蹤雷達(dá)測角精度的要求。斜率修正單元實質(zhì)上就是一個系數(shù)可變的乘法器,其功能由DSP(數(shù)字信號處理器)完成;相位校正單元通過數(shù)字移相器對和信號進(jìn)行相位修正。光軸標(biāo)校后,不允許隨意調(diào)整或使校靶鏡受力,校靶鏡的視準(zhǔn)軸作為跟蹤雷達(dá)的基準(zhǔn)軸。

        3.2 俯仰軸與零位夾角的測定

        光軸標(biāo)校后,需對跟蹤雷達(dá)天線機械軸(方位和俯仰)零位基準(zhǔn)進(jìn)行測定和修正。機械軸方位零位[6]基準(zhǔn)通常是以正北(大地基準(zhǔn)點)為參照,測量出天線機械軸方位零位與正北的夾角,即可對方位零位進(jìn)行修正。主要講述利用全站儀對天線俯仰零位進(jìn)行測定的過程,測定過程簡述如下。

        1)分別對跟蹤雷達(dá)和全站都進(jìn)行調(diào)平,兩者相距100m左右。

        2)利用跟蹤雷達(dá)的校靶鏡和全站儀的望遠(yuǎn)鏡互相對瞄,當(dāng)兩觀測者同時瞄準(zhǔn)對方物鏡的“+”中心點處,記錄兩者俯仰角讀數(shù)(Eradar和Etotalstation),為消除人為讀數(shù)誤差,可重復(fù)進(jìn)行3次。

        3)為消除跟蹤雷達(dá)調(diào)平帶來水平誤差,在跟蹤雷達(dá)不同方位處(可均勻選擇3個點位)重復(fù)步驟2)。

        4)依據(jù)多組記錄數(shù)據(jù)(Eradar和Etotalstation),經(jīng)|Eradar|°+|Etotalstation|°=90°計算,即可得出俯仰軸與零位的夾角(需進(jìn)行均值處理)。

        以某部精密跟蹤雷達(dá)試驗數(shù)據(jù)(見表1)為例,進(jìn)行俯仰軸與零位夾角的測定說明。

        表1 跟蹤雷達(dá)俯仰軸與零位夾角的測定試驗數(shù)據(jù)

        以點位A序號1的數(shù)據(jù)(Eradar=-2.920mil、Etotalstation=89°45′53″)為例,經(jīng)計算Etotalstation-90°=89°45′53″-90°≈-3.921mil,則可得俯仰軸與零位的夾角為Eradar-(Etotalstation-90°)=1.013mil。

        3.3 俯仰零位修正

        俯仰零位修正,實質(zhì)上就是要完成對俯仰零位的校準(zhǔn)。俯仰軸與零位夾角測定后,若俯仰軸與零位的夾角不為0,則需對俯仰零位進(jìn)行修正。以上述的某部精密跟蹤雷達(dá)試驗數(shù)據(jù)(見表1)為例,經(jīng)計算可得俯仰軸與零位的夾角(見表2)。

        表2 跟蹤雷達(dá)俯仰軸與零位的夾角數(shù)據(jù)

        序號俯仰軸與零位的夾角點位A點位B點位C備注11.013mil0.951mil1.009mil20.926mil1.038mil1.009mil31.009mil0.951mil0.921mil

        對此9組數(shù)據(jù)(見表2)進(jìn)行均值計算得俯仰軸與零位的夾角為0.981mil。根據(jù)測試結(jié)果(均值計算的俯仰軸與零位夾角),可通過顯控終端對俯仰零位進(jìn)行修正。

        俯仰零位修正后,可通過第3.2節(jié)“俯仰軸與零位夾角的測定”的步驟1)~4),對俯仰軸與零位的夾角進(jìn)行復(fù)測,復(fù)測結(jié)果(即均值計算得到的俯仰軸與零位夾角的絕對值)應(yīng)≤0.1mil。

        4 結(jié)束語

        跟蹤雷達(dá)軸系的校準(zhǔn)存在精度差、成本高等問題,對跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要,軸系校準(zhǔn)的精度要求很高,但實際上又難以保證。本文提出的基于全站儀的精密跟蹤雷達(dá)俯仰零位校準(zhǔn)方法,已在某精密跟蹤雷達(dá)產(chǎn)品的調(diào)試中使用,得到了實際的驗證,尤其是在外場測量中更能體現(xiàn)出其簡單、準(zhǔn)確的特性,具有極大的現(xiàn)實應(yīng)用價值。

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