基于陣列天線測量裝備的標校方法研究

郭萬祿

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

測量裝備經過一段時間的存放、使用，需要對其性能特別是精度指標進行檢測標校［1］。測量裝備標校主要是測量修正裝備的靜態、動態精度，常用的光學測量、無線電測量裝備常采用原理近似的標校方法，當裝備安裝在移動平臺上時還需要安裝捷聯慣導裝置校正測量裝備的姿態偏差，對于采用陣列天線的無線電測量裝備，由于其標校的主要內容是陣列天線構成的裝備測量坐標系與其他不同坐標系之間的轉換關系，與其他測量裝備標校方法存在較大差別，需要對其標校方法進行認真研究和試驗驗證。下面將對此進行研究分析，并給出試驗的靜態和動態測量精度。

1 測量裝備標校方法

通常在規定的條件下，利用專用標準設備對測量裝備某些參數進行檢定的過程稱為標定;利用標定的數據修正測控裝備參數，以提高測量精度的過程稱為校正。上述工作也統稱為測控裝備精度標校。測量裝備的體制、原理不同，其標校方法也不盡相同。一般的雷達裝備標校就是對雷達自身的基準和標準進行測定和調整，通過建立一套標校方法，使雷達系統能達到規定的精度要求。根據標準要求，一般雷達裝備標校的主要項目有:大盤水平;方位零值、仰角零值;光機軸匹配;光電軸匹配;距離零值等標校。對不同的標校項目采用不同的標校方法，首先要建立標定雷達自身精度的基準(基座)，其次是在一定距離上建立一個校準和標定基準面的標校設備(即標校塔裝置)，并通過輔助的儀器可實現對大地、方位/俯仰軸正交度、基準軸系的校準與調整，最終使標定精度能滿足雷達系統測量精度要求［2，3］。

1.1 大盤水平度的標定

大盤水平度的標定步驟如下:

①在天線座方位轉臺上放置合像水平儀，固定天線俯仰角，轉動天線方位角，每隔15°分別記錄一次方位軸角編碼器和合像水平儀的數據Ai、Xi，直到天線旋轉一周;

②利用最小二乘法對測量點數據進行處理，從測量點中找出大盤水平最大傾斜方位Am和最大傾斜量δm。

1.2 方位零值、俯仰零值標定

方位零值、仰角零值步驟如下:

①選用方位標按順序編號，并記錄各方位標的方位、俯仰大地測量值分別為 A1，A2，……，An，E1，E2，……，En。

②轉動雷達天線，使天線上的望遠鏡十字刻度線與1號方位標上的十字標對準，分別讀取方位、俯仰角軸角編碼器上的數據A'i，E'i。

③重復上述動作，直到n號方位標。

④計算公式:A˙n=A'i-1 000X/Ri，E˙n=E'i-1 000Y/Ri。

式中，A'i，E'i為望遠鏡觀測i號方位標時的軸角編碼器的輸出值;A˙n，E˙n為經視差修正后i號方位標的雷達觀測值;Ri為i號方位標至雷達坐標原點的距離;X，Y為望遠鏡光軸到天線機械軸的水平和垂直距離。

⑤計算差值:ΔAi=Ai-A˙n，ΔEi=Ei-E˙n。

⑥ 求出雷達的方位、仰角零值:A0=

⑦重復上述步驟，多次測量，提高方位、俯仰角零值的精度。

1.3 光機軸匹配度標定

方位上的光機軸偏差標定步驟如下:

①選取一方位標，其十字標板的中心應設置在對應雷達天線仰角為零時的位置;

②手搖天線，使望遠鏡對準十字標，將望遠鏡倒插;

③ 手搖天線，仰角翻轉180°。微動天線仰角和方位，使望遠鏡上的十字刻度線的垂線與方位標的中心垂線重合，鎖定方位;

⑤從望遠鏡中讀出望遠鏡十字刻度線的垂線與方位標中心垂線的偏差a;

⑥求出方位上的光機軸偏差:ΔAGJ=a/2。俯仰上的光機軸偏差已在大盤水平和仰角零值中反映，不再單獨標定。

1.4 光電軸匹配度標定

光電軸匹配度標定步驟如下:

①除發射機外，雷達各分系統和信號源均處于工作狀態;

②對方位上的光電軸偏差，先將天線仰角電軸歸零，望遠鏡上的十字刻度線在方位上對準校準塔上的井字標板的左下角十字標;

③天線在方位上跟蹤校準塔發射的信號源信號，鎖定天線，并在望遠鏡中讀取偏差值ΔAL1重復跟蹤n(n≥5)次，分別取值至ΔALi;

④計算井字標左下角測量的光電軸偏差，即方位上的光電軸偏差:仰角上的光電軸偏差標定與上述步驟類似，略。

1.5 距離零值標定

距離零值標定步驟如下:

勝利油田定向井公司1991年從美國Sperry-Sun公司引進正脈沖定向MWD隨鉆測量儀器（簡稱DWD），1999年又從該公司引進了隨鉆地質評價儀器FEWD成套設備，測量參數包括定向參數、自然伽馬、電磁波電阻率、中子孔隙度、地層密度及井下鉆具振動量。目前，定向井公司的DWD共有Super slim、350、650和1200四類，其中350、650及1200系統又各有新、舊兩種。

①雷達全機工作，手動天線，對準距離標，距離轉為自動跟蹤;

②當雷達天線第一次對準距離標時，取值R01，天線反復n(n≥5)次對準距離標，分別取值到R0n;

③求其算術平均值R'0;

④計算雷達的距離零值:R0=R1-R'0。其中，R0為雷達的距離零值;R1為距離標的大地測量值。

2 測量裝備陣列天線布設結構

裝備靶載測量雷達有1路發射天線、8路接收天線和4個GPS天線航向測姿共同構成測量裝備天線陣，其靶載測量裝備天線布設結構俯視如圖1所示。圖中雙GPS四個天線構成航向姿態測量系統，8路接收天線中心構成裝備測量坐標系統的中心［4-6］。

圖1 測量裝備陣列天線布設結構俯視圖

裝備通過2個獨立的單基線GPS測姿系統分別測量得到2個基線在空間中的航向角和縱搖角。根據GPS航向測姿固聯坐標系的定義，由GPS天線主1和GPS天線從1構成測姿系統的輸出即為GPS航向測姿系統輸出的航向角和縱搖角，利用GPS天線主2和GPS天線從2構成的系統輸出值計算出橫搖角。其中，GPS天線主1和GPS天線主2可以提供定位信號。

3 系統標校方法

3.1 系統標校方法

對于采用多天線GPS測姿系統與陣列天線雷達測量裝備，裝備無伺服系統和無慣導裝置，標校的目的主要是獲得該裝備測量坐標系與GPS測姿系統固聯坐標系之間的轉換關系［7，8］，對航向姿態的測量精度進行檢測。

系統標校步驟如下:

①裝備測量坐標系下，8路接收天線的坐標(xTi，yTi，zTi)(i=1，2，…，8)是已知的，如果在全站儀標校坐標系下，分別測出8路接收天線的坐標(xBi，yBi，zBi)(i=1，2，…，8)，利用這些數據，采用最小二乘法求解，得到全站儀標校坐標系與測量坐標系之間的歐拉角(αB，βB，γB)，從而得到裝備測量坐標系和全站儀標校坐標系2個坐標系之間的轉換關系;

②在全站儀標校坐標系下，可以測量獲得4個GPS天線在全站儀標校坐標系下的坐標根據 GPS 測姿固聯坐標系的定義，可以得到各GPS天線在GPS測姿固聯坐標系下的坐標值3，4)，利用這些數據，求解就可得到GPS測姿固聯坐標系與全站儀標校坐標系的轉換關系矩陣TB-G與bB-G;

③綜合步驟①和步驟②，即可得到測量坐標系與GPS測姿固聯坐標系的關系為:

3.2 標校實施過程及結果

3.2.1 航向姿態測量精度靜態檢測方法及結果

裝備航向姿態測量裝置GPS主1天線與主2天線連線與裝備架設點指向3個方位標分別進行測量，GPS航向測量裝置與設定的方位標測量結果進行比較，從而得到其航向測量精度。圖2為一組GPS1、GPS2航向測量結果圖，GPS1:航向均方根誤差0.48°，俯仰均方根誤差1.40°;GPS2:航向均方根誤差0.35°，俯仰均方根誤差1.06°。

3.2.2 航向姿態測量精度動態檢測方法及結果

將靶載設備安裝在運動載體上，采用過渡平臺安裝，試驗時，同時記錄該裝備航向姿態測量的結果和運動載體上已有的姿態精確測量系統的測量結果［7，8］，記錄時間不少于 1 h。試驗結束后，將裝備測量結果與運動載1體上姿態精確測量系統測量的航向姿態真值進行比對，計算得出姿態測量精度，航向、縱搖、橫搖總均方根誤差分別為:0.751 1°、1.023 8°和1.257 9°，如圖3 所示。

圖2 一組航向測量結果

圖3 動態航向姿態測量精度結果

4 結束語

在靜態和船載動態條件下，利用全站儀和大地方位標以及船載精確姿態測量系統，對安裝在活動載體上的陣列天線測量裝備進行標校，是根據裝備實際情況，總結相關經驗進行的新嘗試。在多次實際目標試驗中得到應用和充分驗證，均取得了很好的效果，結果是可信的，可以提高效率，節約經費。

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