馮 玥

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

地面雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性體現(xiàn)了雷達(dá)的快速部署能力和生存能力，雷達(dá)總體技術(shù)的發(fā)展也要求天線及天線車平臺(tái)的姿態(tài)的各種實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)日益精準(zhǔn)。為保障雷達(dá)快速展開并高性能作戰(zhàn)，雷達(dá)伺服系統(tǒng)必須提高或融合尋北儀、水平儀等傳感器的應(yīng)用精度，并使之容易設(shè)計(jì)，可靠安裝，精確標(biāo)定。然而如何正確運(yùn)用高精度傳感器，如何將個(gè)體傳感器的精度與雷達(dá)的系統(tǒng)精度相融合，在實(shí)際使用中如何避免因使用不當(dāng)導(dǎo)致的傳感器的精度損失，是設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的問(wèn)題。本文以靜態(tài)時(shí)的水平度和方位角度為例，說(shuō)明了傳感器使用中應(yīng)該關(guān)注的問(wèn)題，以及當(dāng)其成為系統(tǒng)指標(biāo)時(shí)與雷達(dá)聯(lián)合標(biāo)校的方法[1]。

1 水平度傳感器的使用標(biāo)校及補(bǔ)償

1.1 水平儀的使用

本文所描述的水平度傳感器專指靜態(tài)水平儀（以下簡(jiǎn)稱水平儀）。它分單軸和雙軸兩種，一般放置在雷達(dá)載車平臺(tái)上或載車上安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上。

實(shí)際使用中最為困擾的問(wèn)題之一是：如果載車的剛性較差或載車平臺(tái)較長(zhǎng)較大，則調(diào)平數(shù)據(jù)只反映水平儀安放處的水平度，而實(shí)際載車平臺(tái)有可能發(fā)生扭曲[2]。

這一問(wèn)題可以通過(guò)合理配置單軸水平儀和雙軸水平儀來(lái)解決。水平儀放置方式如圖1所示，圖中x，x1，x2表示載車寬度方向水平度，y表示載車長(zhǎng)度方向水平度，虛線圓表示載車轉(zhuǎn)臺(tái)位置。水平儀放置方式根據(jù)實(shí)際使用的載車形式及載車可能發(fā)生的變形狀態(tài)決定，可選用單一的雙軸水平儀，也可選用一個(gè)雙軸水平儀配一個(gè)單軸水平儀或一個(gè)雙軸水平儀配兩個(gè)單軸水平儀，甚至可以是更多個(gè)雙軸或單軸水平儀的組合。

圖1 水平儀放置方式

水平儀放置的一般原則是：

1）采用兩軸的水平儀測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的水平值，確保轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度滿足要求。此雙軸水平儀為主測(cè)量傳感器，其精度直接影響調(diào)平精度指標(biāo)，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求選擇滿足精度要求的雙軸水平儀。系統(tǒng)的調(diào)平精度指標(biāo)主要由雙軸水平傳感器的測(cè)量精度δ1和調(diào)平軟件設(shè)定的門限δ2決定，即調(diào)平精度：

δ應(yīng)小于系統(tǒng)調(diào)平精度指標(biāo)。

2）合理選擇單軸水平儀的放置位置，避免調(diào)平過(guò)程中及調(diào)平結(jié)束后載車平臺(tái)的扭曲。盡管單軸水平儀為輔助測(cè)量傳感器，但其精度選擇也應(yīng)與主測(cè)量傳感器相匹配。一般情況下，單軸水平儀精度可比雙軸水平儀精度略低。

1.2 系統(tǒng)水平度標(biāo)校方法

如果系統(tǒng)采用多個(gè)水平儀，但不能保證其測(cè)量的是同一水平面，則調(diào)平控制失去了依據(jù)。在實(shí)際控制中，若不進(jìn)行標(biāo)定，則：1）如果載車平臺(tái)具有特別好的剛性，則調(diào)平后載車易出現(xiàn)虛支撐；2）如果載車平臺(tái)不具備較好的剛性，則盡管虛支撐概率減小，但會(huì)把扭曲面作為水平狀態(tài)來(lái)使用。因此在調(diào)平控制前必須完成對(duì)載車水平度的標(biāo)定。

由于天線載車安裝面不是一塊整體平板，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳感器的安裝又需要同時(shí)考慮緊湊防雨等要求，很難直接標(biāo)定多個(gè)傳感器是否在一個(gè)平行安裝面上，因此，本文給出了一種比較實(shí)用的靜態(tài)水平度標(biāo)定方法：1）確定轉(zhuǎn)動(dòng)水平的標(biāo)?；鶞?zhǔn)面，其平整度應(yīng)符合傳感器安裝要求。2）在雷達(dá)天線工作狀態(tài)時(shí)，將高精度合像水平儀置于標(biāo)校基準(zhǔn)面上，選擇自動(dòng)調(diào)平時(shí)的角度位置為第一次測(cè)量位置，通過(guò)伸收調(diào)平腿調(diào)整載車平臺(tái)的高低，使合像水平儀的測(cè)量為水平。3）轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，每隔30°（或更小的角度間距）進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，最后回歸至第一次測(cè)量位置，使得在整個(gè)圓周范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度滿足要求。4）通過(guò)承重傳感器檢測(cè)各調(diào)平腿的承載值也可驗(yàn)證水平度狀況。如果載車重心設(shè)置合理，則在水平狀態(tài)下天線轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過(guò)程中，各調(diào)平腿的承載變化較小[3]。5）對(duì)雙軸水平儀及單軸水平儀的讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使其顯示為0°。一般軟件上給出了補(bǔ)償?shù)姆秶热?0′，若超出軟件補(bǔ)償范圍，則應(yīng)在結(jié)構(gòu)上對(duì)水平儀的安裝平面進(jìn)行調(diào)整。

1.3 系統(tǒng)水平度補(bǔ)償

系統(tǒng)水平度的補(bǔ)償可以通過(guò)結(jié)構(gòu)方式調(diào)整完成，如調(diào)整水平儀的安裝平面等，也可以通過(guò)軟件完成，將補(bǔ)償值存儲(chǔ)在可斷電保存的Flash器件中，同時(shí)將這類出廠值放置在主控計(jì)算機(jī)的配置文件內(nèi)，以備查詢及系統(tǒng)復(fù)原。為避免Flash中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失這類極小概率事件發(fā)生給系統(tǒng)精度帶來(lái)的損失，系統(tǒng)的主要誤差需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行修正。例如，設(shè)計(jì)中應(yīng)使安裝水平儀的面在一個(gè)平面內(nèi)，并能真實(shí)反映載車平臺(tái)的水平度，對(duì)于小的修正補(bǔ)償值，由于結(jié)構(gòu)不好調(diào)整，可通過(guò)軟件進(jìn)行存儲(chǔ)修正，同時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)提供補(bǔ)償值丟失報(bào)警提示。

2 尋北儀的使用標(biāo)校及補(bǔ)償

2.1 尋北儀的使用

目前尋北儀的種類很多，有撓性陀螺尋北儀、光纖陀螺尋北儀、激光陀螺尋北儀等，也有捷聯(lián)模式或轉(zhuǎn)位模式的動(dòng)態(tài)陀螺尋北儀等。不同類型的尋北儀的用途不同，安裝方式也各異，應(yīng)根據(jù)不同陀螺的特點(diǎn)選擇安裝位置及安裝方式。比如，普通的撓性陀螺尋北儀應(yīng)安裝在剛性較好的平臺(tái)上，避免低頻擾動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響[4]。

尋北儀主要用于轉(zhuǎn)移陣地時(shí)自動(dòng)測(cè)量雷達(dá)天線法線與正北的夾角。實(shí)現(xiàn)該功能的前提是尋北儀的指向邊應(yīng)與雷達(dá)天線法線平行，如圖2所示。

在實(shí)際使用中，很難實(shí)現(xiàn)尋北指向與天線法線指向絕對(duì)平行，安裝完畢后，兩者之間存在固定誤差，必須通過(guò)方位標(biāo)定進(jìn)行消除。雷達(dá)架設(shè)展開并轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所有方位軸角轉(zhuǎn)換值均應(yīng)去除該固定誤差，才是修正后的雷達(dá)方位角度。以安裝在平臺(tái)上而非轉(zhuǎn)臺(tái)上的尋北模式為例，對(duì)于只在圖2所示的固定位置尋北的自動(dòng)修正方式，修正算法為：

圖2 運(yùn)輸位置尋北示意圖

式中：γ為修正角度；Φ為修正前的實(shí)時(shí)的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Resolver-to-Digital Converter,RDC）值；B為尋北角度；ε為尋北誤差消除角度；y為尋北時(shí)RDC原碼（尋北時(shí)修正前的RDC值，在該位置Φ=y）。

如果雷達(dá)展開轉(zhuǎn)動(dòng)至圖3所示的位置，此時(shí)尋北儀的指向與天線法線指向不一致，這種情況下要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)任意位置尋北，則還需對(duì)雷達(dá)方位軸角轉(zhuǎn)換值進(jìn)行標(biāo)定，使得當(dāng)天線法線指向與尋北儀指向相同時(shí)，對(duì)應(yīng)方位軸角轉(zhuǎn)換值為0°。

圖3 任意位置尋北示意圖

對(duì)于任意位置尋北的自動(dòng)修正方式，修正算法為：

式中，ε′為尋北合并軸角誤差消除值。

2.2 系統(tǒng)方位標(biāo)校方法

系統(tǒng)方位標(biāo)定通過(guò)兩個(gè)步驟完成。

（1）步驟一

在廠房?jī)?nèi)完成對(duì)雷達(dá)陣面法線方位的標(biāo)定，即陣面機(jī)械軸的標(biāo)定。標(biāo)定的作用是找出ε或ε′，標(biāo)定方法與自動(dòng)修正的算法相關(guān)。

使用式（2）的固定位置尋北的標(biāo)定方法如下：1）首先雷達(dá)天線在可尋北位置展開并鎖定，第一次ε取0值，啟動(dòng)自動(dòng)尋北及修正功能，讀取修正后伺服顯示的雷達(dá)方位角度γ（即B值）；2）對(duì)天線陣面進(jìn)行貼標(biāo)后，通過(guò)高精度陀螺測(cè)量?jī)x測(cè)出雷達(dá)天線法線與正北的夾角Ψ[5]；3）計(jì)算Ψ-γ，此值即為ε值，存入Flash；4）在此位置再次啟動(dòng)尋北及自動(dòng)修正進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)γ與Ψ是否一致，如果兩者差值在允許的精度范圍內(nèi)，則標(biāo)定完成。對(duì)于上述固定位置尋北模式，在出廠時(shí)手動(dòng)輸入并保存一次ε值，在尋北時(shí)自動(dòng)保存(B+ε)-y值。

使用式（3）的任意位置尋北的標(biāo)定方法如下：1）首先雷達(dá)天線在任意可鎖定位置展開，讀取修正前伺服顯示的雷達(dá)方位角度Φ，即此時(shí)的RDC原碼；2）第一次ε′取0值，啟動(dòng)自動(dòng)尋北及修正功能，讀取尋北角度B；3）對(duì)天線陣面進(jìn)行貼標(biāo)后，通過(guò)高精度陀螺測(cè)量?jī)x測(cè)出雷達(dá)天線法線與正北的夾角Ψ；4）計(jì)算Ψ-B-Φ，此值即為ε′值，存入Flash；5）在此位置再次啟動(dòng)尋北及自動(dòng)修正進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)γ與Ψ是否一致，如果兩者差值在允許的精度范圍內(nèi)，則標(biāo)定完成。對(duì)于上述任意位置尋北模式，也可以采用調(diào)整旋轉(zhuǎn)變壓器軸位置以使Ψ與修正后RDC值相等的方法，只在尋北時(shí)自動(dòng)保存B值。

（2）步驟二

在外場(chǎng)完成雷達(dá)陣面電軸和機(jī)械軸夾角的標(biāo)定，并完成補(bǔ)償。其標(biāo)定方法如下：1）在外場(chǎng)與雷達(dá)有一定距離的標(biāo)校塔上放置一信號(hào)源，雷達(dá)接收信號(hào)源的信號(hào)，調(diào)整雷達(dá)方位角度直至所接收的信號(hào)最強(qiáng)，鎖定雷達(dá)方位作為標(biāo)定狀態(tài)，讀取此時(shí)伺服顯示的雷達(dá)方位角度α，如圖4所示。2）通過(guò)高精度陀螺測(cè)量?jī)x測(cè)出高塔上信號(hào)源至雷達(dá)中心點(diǎn)連線與雷達(dá)機(jī)械軸的夾角θ，假設(shè)電軸偏向如圖5中實(shí)線所示，則在軟件上補(bǔ)償-θ即可，補(bǔ)償后的實(shí)際方位角度為α-θ。3）在實(shí)際的標(biāo)定中不容易將雷達(dá)天線恰好定位至信號(hào)最強(qiáng)處。對(duì)于具有電掃功能的雷達(dá)，可停在信號(hào)最強(qiáng)附近，如圖5中虛線所示，讀取此時(shí)伺服顯示的雷達(dá)方位角度α1，通過(guò)電掃獲得當(dāng)前偏離最強(qiáng)信號(hào)的角度X，通過(guò)高精度陀螺測(cè)量?jī)x測(cè)出高塔上信號(hào)源至雷達(dá)中心點(diǎn)連線與雷達(dá)機(jī)械軸的夾角β, 則軟件上計(jì)算補(bǔ)償角度的公式為：

圖4 雷達(dá)獲取信號(hào)源信號(hào)

圖5 電軸標(biāo)定圖解

補(bǔ)償后的實(shí)際方位角度為α1-θ。

2.3 系統(tǒng)方位值補(bǔ)償

由上述分析可知，系統(tǒng)的方位補(bǔ)償由多個(gè)部分組成，主要源于以下的系統(tǒng)固定誤差：1）尋北位置尋北指向與雷達(dá)陣面天線法線（機(jī)械軸）不平行帶來(lái)的誤差；2）雷達(dá)電軸和機(jī)械軸不重合帶來(lái)的方位定向精度誤差；3）任意位置尋北時(shí)方位軸角轉(zhuǎn)換值不能完全歸零導(dǎo)致的誤差等。一般電軸和機(jī)械軸的固定誤差由雷達(dá)主控軟件補(bǔ)償修正，其他固定誤差由伺服系統(tǒng)以配置文件形式存儲(chǔ)在Flash中，以備查詢及系統(tǒng)復(fù)原。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使所有補(bǔ)償值越小越好，對(duì)于需要軟件保存的值，控制系統(tǒng)應(yīng)提供補(bǔ)償值丟失報(bào)警提示[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所描述的靜態(tài)水平儀、尋北儀等設(shè)備的使用，與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有著緊密的關(guān)系，充分了解它們的特點(diǎn)，合理設(shè)置、正確標(biāo)定，可以消除系統(tǒng)的固定誤差，充分發(fā)揮它們的性能。隨著水平測(cè)量技術(shù)和慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)態(tài)水平儀和高精度慣導(dǎo)設(shè)備在雷達(dá)系統(tǒng)上的使用日益廣泛，此類設(shè)備與雷達(dá)系統(tǒng)的標(biāo)校更為復(fù)雜，有待專文描述。