王立冬，朱進(jìn)勇，王 品

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003；2.武警某部直升機(jī)支隊(duì)，晉中 030800；3.陸軍研究院，北京 100012）

在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)（UAV）在中低空領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，成為空中作戰(zhàn)武器以及對(duì)地偵查、監(jiān)視和攻擊武器的一個(gè)重要發(fā)展方向。其中，導(dǎo)航系統(tǒng)是UAV 的核心信息源之一，是實(shí)現(xiàn)UAV 單機(jī)導(dǎo)航、群導(dǎo)航和協(xié)同作戰(zhàn)以及實(shí)現(xiàn)其偵查、監(jiān)視、攻擊目標(biāo)的重要保障。考慮到在成本、體積、抗干擾能力等方面的要求，新型UAV 多采用了微慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。由此產(chǎn)生了微慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)的問(wèn)題[1-3]。由于UAV 的發(fā)射方式有單獨(dú)發(fā)射，也可以從母飛行器（MA）中發(fā)射，因此，實(shí)現(xiàn)其微慣導(dǎo)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)或傳遞對(duì)準(zhǔn)的難度就比較大；同時(shí)，考慮到目前微納傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)還不夠高，基于微納傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)漂移誤差較大，不具備長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航能力。因此，開(kāi)展UAV 微慣導(dǎo)系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)與校準(zhǔn)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)和校準(zhǔn)的母平臺(tái)對(duì)子平臺(tái)導(dǎo)航信息傳遞，具有重要的現(xiàn)實(shí)與長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

“雷達(dá)和激光告警”[4]可以確定來(lái)襲目標(biāo)的方位角和俯仰角。如ATL 公司研制的一種高精度激光接收機(jī)對(duì)方位和俯仰到達(dá)角的測(cè)量精度接近1mrad。將這種思想應(yīng)用于具有MA 與UAV 系統(tǒng)中，可以通過(guò)雷達(dá)波束主瓣，實(shí)現(xiàn)從MA 到UAV 的導(dǎo)航信息傳遞。為此，本文結(jié)合課題研究與應(yīng)用背景，開(kāi)展了基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)研究，旨在設(shè)計(jì)將MA 導(dǎo)航信息傳遞給UAV 的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)UAV 微慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)，提高其對(duì)準(zhǔn)精度；同時(shí)，可以根據(jù)UAV 導(dǎo)航和任務(wù)的要求，隨時(shí)對(duì)UAV 微慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其姿態(tài)與航向精度以及導(dǎo)航定位精度滿足UAV 及其任務(wù)的需求。本文基于SystemVue 軟件，構(gòu)建了基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性。目前，尚未看到有關(guān)該技術(shù)與系統(tǒng)及應(yīng)用等方面的報(bào)道。

1 基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)組成

基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)主要包括MA 和UAV 兩部分，如圖1所示。UAV 是一個(gè)或多個(gè)，MA與UAV 的距離為幾十米到幾千米。其中，MA 應(yīng)包括雷達(dá)系統(tǒng)、高精度導(dǎo)航系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等分系統(tǒng)。這三部分都是MA 上已有的設(shè)備；UAV 包括雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀、通信系統(tǒng)和微慣導(dǎo)及導(dǎo)航信息顯示等。其中，通信系統(tǒng)和導(dǎo)航及其信息顯示部分為UAV 本身具有的設(shè)備。因此，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)主要利用了MA 和UAV 上現(xiàn)有的設(shè)備，只增加了一臺(tái)雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀。

圖1 基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Principlel block diagram of navigation information transfer system based on radar

其中，在應(yīng)用背景、應(yīng)用方法和應(yīng)用目標(biāo)等方面，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)中的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向與目前研制使用的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀具有明顯的不同:后者是將雷達(dá)及其載體當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)定雷達(dá)副瓣，確定這個(gè)點(diǎn)相對(duì)于雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀的方位和俯仰角；而前者將雷達(dá)當(dāng)作一個(gè)剛體，需要測(cè)定的是雷達(dá)主瓣相對(duì)于雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀的方位和俯仰角。即基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)需要研究的是測(cè)定其雷達(dá)主波瓣方位和俯仰角的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀。目前國(guó)內(nèi)尚未看到直接測(cè)定雷達(dá)主波瓣的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞原理

如圖1所示。

（1）MA:由MA 的導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)可以精確得到系統(tǒng)時(shí)間、自身的位置、雷達(dá)波束的北向角和俯仰角以及UAV 的位置等信息；通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)，可將上述系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給UAV。

（2）UAV 上的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀:可以實(shí)時(shí)測(cè)定MA 雷達(dá)波束主瓣相對(duì)于自身的方位角和俯仰角。

（3）靜態(tài)方位傳遞原理:為了便于理解，首先假定MA 和UAV 處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。雷達(dá)波束主瓣在進(jìn)行方位掃描，照射到UAV 的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀；MA通過(guò)自己的通信系統(tǒng)將雷達(dá)波束主瓣的絕對(duì)方位角ψ1 發(fā)送給UAV，即UAV 通過(guò)自己的通信系統(tǒng)得到了MA 雷達(dá)波束主瓣的絕對(duì)方位角ψ1；UAV 上的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀也可測(cè)定MA 雷達(dá)波束主瓣相對(duì)于自身的方位角ψ2；UAV 對(duì)這兩個(gè)方位角相ψ1 和ψ2 進(jìn)行比較，就可計(jì)算得到UAV 的絕對(duì)方位角ψ3，從而實(shí)現(xiàn)了由MA 到UAV 的方位傳遞。

（4）利用ψ3 就可以對(duì)UAV 的微慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行方位對(duì)準(zhǔn)與校準(zhǔn)。

（5）動(dòng)態(tài)方位傳遞原理:當(dāng)MA 和UAV 處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，上述靜態(tài)傳遞過(guò)程變成了一個(gè)瞬時(shí)傳遞過(guò)程。雷達(dá)波束在進(jìn)行方位掃描，照射到UAV 的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀。MA 通信系統(tǒng)將雷達(dá)波束主瓣的絕對(duì)方位角和系統(tǒng)時(shí)間連續(xù)地發(fā)送給UAV，UAV 通過(guò)自己的通信系統(tǒng)連續(xù)接收到MA 雷達(dá)波束主瓣的絕對(duì)方位角和系統(tǒng)時(shí)間；UAV 上的雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀連續(xù)地測(cè)定MA 雷達(dá)波束主瓣相對(duì)于自身的方位角，并將該方位角數(shù)據(jù)存貯；比較相同時(shí)刻的兩個(gè)方位角數(shù)據(jù)，就可以得到該時(shí)刻UAV 的絕對(duì)方位角，從而實(shí)現(xiàn)了MA 到UAV 的方位的實(shí)時(shí)傳遞。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)UAV 的動(dòng)態(tài)方位對(duì)準(zhǔn)與校準(zhǔn)。

（6）俯仰角傳遞原理與過(guò)程:與上述（3）、（4）、（5）相同。

綜上，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)，MA 通過(guò)自己的雷達(dá)波束主瓣將導(dǎo)航信息傳遞給UAV，從而實(shí)現(xiàn)在發(fā)射時(shí)對(duì)UAV 的微慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)對(duì)UAV 的微慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2 改進(jìn)的快速求根的對(duì)稱壓縮測(cè)向算法

雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向包括比幅測(cè)向[5]、相位雷達(dá)干涉儀測(cè)向[6]、多普勒測(cè)向[7]、空間譜估計(jì)測(cè)向[8]等方法。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向方法比較Tab.1 Comparison of the methods of radar passive measuring direction

由表1可得，空間譜估計(jì)測(cè)向算法是目前測(cè)向精度和分辨率最高，最具發(fā)展前途的一種算法。本文以MA 向UAV 傳遞導(dǎo)航信息為背景，從傳統(tǒng)的多重信號(hào)分類（MUSIC）算法理論[9-11]出發(fā)，融合對(duì)稱壓縮的思想，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種快速求根的對(duì)稱壓縮測(cè)向算法（Root-MSCS）—基于MSCS（MUSIC symmetrical compressed spectrum）的求根算法（Root-MSCS）。即在原MSCS 算法基礎(chǔ)上，提出在半譜內(nèi)定義一個(gè)多項(xiàng)式來(lái)替代導(dǎo)向矢量。這樣，在半譜內(nèi)不進(jìn)行譜峰搜索，就可以得到真實(shí)信源和鏡像信源的主瓣波達(dá)方向(DOA)。然后，通過(guò)極值判斷，去除鏡像信源產(chǎn)生的根，即可得到真實(shí)信源的DOA。根據(jù)Barabell 提出的PiUAVrenko 分解[12]，定義一個(gè)多項(xiàng)式

式中ei為數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中的小特征值（將所有特征值中的真實(shí)信源和虛擬信源對(duì)應(yīng)的大特征值去除掉）對(duì)應(yīng)的M-2N個(gè)特征矢量，p(z)=[1,z…zM-1]T。當(dāng)（λ為信源載波波長(zhǎng)，d為接收天線陣列陣元間距，θ為信源入射到陣元上的入射角）時(shí)，p(z)正好是信號(hào)的導(dǎo)向矢量，即p(z)=a(θ)（a(θ)為陣列導(dǎo)向矢量）。因此，可以定義多項(xiàng)式

式中UN為噪聲子空間，為UN的共軛。根據(jù)正交性原理，求得式(2)中的根就可以獲得真實(shí)信源和鏡像信源的DOA。但在式(2)中，不僅含有z的多項(xiàng)式，還存在z*的冪次項(xiàng)。由于單位圓上的z值才是我們感興趣的信息，因此利用單位圓上的共軛關(guān)系z(mì)*=z-1，對(duì)式(2)進(jìn)行修正可得

從式(3)可以看出，多項(xiàng)式f(z)的階數(shù)為2(M-1)，也就是說(shuō)其存在M-1對(duì)根，每對(duì)根為相互共軛的關(guān)系；在M-1對(duì)根中，剛好有2N個(gè)根z1,z2…z2N分布在單位圓上。因此，只需要從多項(xiàng)式中找到接近單位圓的根即可得到DOA，對(duì)于ULA（Uniform Linear Array，等距均勻線陣）來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)式(4)得到[12]

采用MATLAB，對(duì)該算法的DOA 估計(jì)所用時(shí)間和信噪比（SNR）變化關(guān)系進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，Root-MSCS 的DOA 估計(jì)時(shí)間為 0.1738×10-2s，比 MSCS 算法的運(yùn)算速度快 10 倍，相對(duì)于Root-MUSIC 算法的運(yùn)算速度也有明顯提高，完全滿足導(dǎo)航信息傳遞的實(shí)時(shí)性要求。

3 基于SystemVue 的系統(tǒng)仿真

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分為三部分，一是雷達(dá)微波信號(hào)的發(fā)射部分（TX），二是來(lái)波信號(hào)的接收部分（微波測(cè)試系統(tǒng)）（RX），三是來(lái)波信號(hào)的處理部分。三部分均采用SystemVue 軟件中的模塊進(jìn)行仿真。仿真流程圖如圖2所示。

該系統(tǒng)仿真模擬了MA 發(fā)射信號(hào)和UAV 接收信號(hào)以及對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行波達(dá)方向角估計(jì)的全過(guò)程。其中，MA 的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)選用SystemVue 中Radar MArts 中的LFM（線性調(diào)頻）信號(hào)，信號(hào)的脈沖寬度（PW）設(shè)置為10 us，脈沖重復(fù)間隔（PRI）為10-4s，相應(yīng)的脈沖重復(fù)頻率（PRF）為PRF=1/PRI；帶寬設(shè)置為5 MHz，采樣頻率為40 MHz。Radar LFM 模塊為線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生器，通過(guò)設(shè)置其生成形式和參數(shù)大小，如脈沖寬度、脈沖重復(fù)間隔、波形帶寬和基帶采樣率等，產(chǎn)生所需要的線性調(diào)頻信號(hào)；雷達(dá)微波信號(hào)經(jīng)過(guò)天線發(fā)射以后進(jìn)入U(xiǎn)AV 的微波接收部分，依次進(jìn)入 Radar_Phased ArrayRx 模塊、Radar MultiCH_Rx 模塊和Rx_DBS_2D 模塊，進(jìn)行信號(hào)接收處理；初步處理的信號(hào)經(jīng)MAck_M@Data Folw Models 模塊陣列打包后，在MathLang 模塊中進(jìn)行算法處理，采用了2.2 中Root-MSCS 算法對(duì)波達(dá)方向進(jìn)行快速估計(jì)。

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of the simulation lab system

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

針對(duì)雷達(dá)與測(cè)向儀相對(duì)靜態(tài)、相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩種情況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理結(jié)果如表2所示。由表2可知，雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀測(cè)量雷達(dá)主瓣的測(cè)量誤差≤0.45 °。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理結(jié)果（單位：°）Tab.2 Simulation lab data and processing results (unit: °)

假定MA 的導(dǎo)航定位誤差為零，則基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞誤差主要包括:

（1）系統(tǒng)時(shí)間誤差產(chǎn)生的傳遞誤差:由于MA、UAV 都采用北斗或GPS 授時(shí)，因此，時(shí)間誤差在納秒級(jí)，近似為零，由此產(chǎn)生的傳遞誤差可以忽略不計(jì)。

（2）雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向測(cè)量誤差:由表2可得，雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向測(cè)量誤差≤0.45 °。

（3）通信時(shí)延造成的UAV 動(dòng)態(tài)誤差:MA 的導(dǎo)航信息由MA 通信系統(tǒng)以無(wú)線方式傳輸給UAV 通信系統(tǒng)，需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間被稱為通信時(shí)延。由于UAV 處于動(dòng)態(tài)，在通信時(shí)延內(nèi)，UAV 的姿態(tài)相對(duì)于MA 發(fā)送導(dǎo)航信息時(shí)刻發(fā)生了變化。這種UAV姿態(tài)在通信時(shí)延內(nèi)發(fā)生的變化，被稱為通信時(shí)延造成的UAV 動(dòng)態(tài)誤差。

通信時(shí)延主要包括數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間、空中傳輸時(shí)間與接收時(shí)間。設(shè)飛行器采用TCR×××電臺(tái)，信息傳輸速率為19.2 kbps，傳輸方位信息需要32 位，則發(fā)送時(shí)間為32/19200=1.67 ms；同理可得，方位信息接收時(shí)間也為1.67 ms；設(shè)MA、UAV 相距500 m，則空中傳輸時(shí)間為500/300000=0.0017 ms。同時(shí)考慮這三種情況，通信時(shí)延為3.3417 ms。

在進(jìn)行導(dǎo)航信息傳遞時(shí)，要求MA、UAV 姿態(tài)盡量保持相對(duì)穩(wěn)定。假設(shè)此時(shí)飛行器方位轉(zhuǎn)動(dòng)角速率為5 °/s，則由通信時(shí)延造成的UAV 方位動(dòng)態(tài)誤差為

5×0.0033417=0.0167085 °=0.27903195 mil

導(dǎo)航系統(tǒng)的方位誤差一般大于1 mil。通信時(shí)延造成的UAV 動(dòng)態(tài)誤差遠(yuǎn)小于1 mil，因此，通信時(shí)延造成的UAV 動(dòng)態(tài)誤差一般可以忽略不計(jì)。

由（1）、（2）和（3）三種導(dǎo)航信息傳遞誤差分析可得，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞誤差可取為雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向測(cè)量誤差:≤ 0.45 °。

4 結(jié) 論

由上述設(shè)計(jì)的基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)可得，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞，將雷達(dá)當(dāng)作一個(gè)剛體，采用雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀，測(cè)定雷達(dá)主瓣相對(duì)于雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀的方位和俯仰角，可以實(shí)現(xiàn)從MA 到UAV 的導(dǎo)航信息傳遞。由基于SystemVue 的系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析可得，雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向儀采用Root-MSCS 算法測(cè)定雷達(dá)主瓣的方位，導(dǎo)航信息傳遞誤差≤0.45 °。而UAV執(zhí)行任務(wù)時(shí)，對(duì)導(dǎo)航信息的精度要求并不是很高，一般為不大于0.5 °。因此，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞可以滿足UAV 動(dòng)態(tài)初始對(duì)準(zhǔn)、傳遞對(duì)準(zhǔn)或校準(zhǔn)的要求，從而保證UAV 的姿態(tài)與航向精度以及導(dǎo)航定位精度滿足UAV 飛行及其任務(wù)的需求，以實(shí)現(xiàn)UAV 長(zhǎng)時(shí)間自主導(dǎo)航與飛行，實(shí)現(xiàn)其進(jìn)攻與防御作戰(zhàn)、精確打擊與獨(dú)立作戰(zhàn)等戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。并且，隨著雷達(dá)被動(dòng)測(cè)向技術(shù)的成熟與發(fā)展，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞誤差將會(huì)越來(lái)越小?？梢哉f(shuō)，基于雷達(dá)的導(dǎo)航信息傳遞系統(tǒng)在UAV 等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。