船載測量雷達定位方法研究

周立鋒

(92941 部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

雷達是用來發現和跟蹤目標并對其進行定位的電磁系統。作為自主定位的測控裝備，雷達有其自身優勢，相比GPS 抗電磁干擾能力強。與光學測量設備不一樣，雷達在黑暗、霧霾和雨雪中都能對目標進行定位，可進行24 h 全天候測量。雷達數據錄取的頻率高、測量的諸元多，能夠自成系統進行數據處理，并便于實現測量和數據處理的自動化，可縮短試驗的周期。

隨著測量任務需要的發展，比如衛星發射，測控任務越來越重，傳統的固定站點雷達布站方案已不能滿足測量的需要。船載測量雷達由于其布站靈活性，可以布設在海洋中，具有比較大的優勢。船載測量雷達作為活動站，其數據處理方法與固定站點測量雷達的處理方法不盡一致。

1 坐標系定義

在船載雷達測量坐標系下，目標的測量參數為斜距R、方位角A和俯仰角E。為方便分析目標航跡，需將測量坐標系的測量值轉換到WGS-84 坐標系。在航跡參數解算中，需要用到以下幾個坐標系。

1.1 測量坐標系

船載雷達的原始測量數據是基于測量坐標系下的，其原點Oc在雷達方位軸與俯仰軸的交點，OXc軸在大盤平面內指向方位軸輸出為零的方向，OYc軸鉛垂向上，OZc軸與OXc軸構成右手直角坐標系［1］，如圖1所示。

圖1 測量坐標系

1.2 甲板坐標系

甲板坐標系原點Oj為慣性導航平臺三軸交點，OXj軸在甲板平面內指向船艏，OYj軸垂直甲板向上，OZj與軸與OXj軸、OYj構成右手直角坐標系，如圖2所示。

圖2 甲板坐標系

1.3 地平坐標系

地平坐標系原點Og為慣性導航平臺三軸交點，OXg軸在當地水平面內指向真北，OYg軸鉛垂向上，OZg軸與OXg軸、OYg構成右手直角坐標系［2］，如圖3所示。

圖3 地平坐標系

1.4 WGS-84 坐標系

目前，在航跡參數解算時，坐標系一般采用WGS-84 坐標系。WGS-84 坐標系原點O為地球質心，OX 軸為過原點指向國際時間局BI1984.0時元定義的零子午面和國際時間局BI1984.0時元定義的協議地球赤道的交點;OY 軸為過原點指向國際時間局BI1984.0時元定義的協議地球東向，并垂直于OX 軸;OZ 軸為過原點平行于國際時間局BI1984.0時元定義的協議地球極軸(CTP）方向［3-4］，如圖4所示。

圖4 WGS-84 坐標系

2 定位算法分析

船載雷達測量得到的是測量坐標系下的球面坐標，在參數解算時，要進行數據預處理、誤差修正和方位角跨零等處理，并進行船位修正、船體變形修正和船姿修正。

下面主要分析船載雷達測量坐標系到WGS-84 坐標系的坐標變換過程，船載測量坐標系到WGS-84發射坐標系轉換流程，如圖5所示。

圖5 坐標系轉換流程圖

2.1 測量坐標系到甲板坐標系的轉換

由于雷達測量的測量值是測量坐標系下的斜距R、方位角A和俯仰角E，所以首先得把球面坐標轉換到直角坐標，其轉換公式如下:

測量直角坐標系到甲板坐標系:

式中B為變形的等效歐拉角矩陣，其形式如式(4），用測量坐標系相對甲板系的3個變形角代替3個船搖角。Xj0、Yj0、Zj0為測量坐標系原點在甲板坐標系的坐標。

2.2 甲板坐標系到地平坐標系的轉換

甲板坐標系到地平坐標系的轉換公式如下:

其中

式中Kc、Ψc、為輸出的航向角、縱搖角和橫搖角測量值。

航向角Kc為甲板坐標系OXj軸與地平坐標系OXg在XOZ 平面的夾角，即船艏艉線與真北的夾角，向右為正;縱搖角Ψc為甲板坐標系OXj軸與地平坐標系OXg在XOY 平面的夾角，向上為正;橫搖角為甲板坐標系OZj軸與地平坐標系OZg在YOZ 平面的夾角，右舷向下為正。

2.3 地平坐標系到WGS-84 坐標系的轉換

地平坐標系到WGS-84 坐標系的轉換公式如下:

其中

式中Lc、Bc為提供的船的經度和緯度;Xg0、Yg0、Zg0為地平坐標系原點在地心坐標系的坐標。

3 算例分析

下面分析的數據是某次任務雷達跟蹤飛機的數據。飛機上加裝了GPS 高精度測量系統，載波相位差分定位時其動態距離測量精度為0.2 m，GPS 數據轉換到雷達站點其測角精度為0.01 mrad。GPS定位采用的是WGS-84 坐標系，把GPS定位結果數據轉換到雷達測量坐標系，給雷達定位結果數據比對分析當真值。用文中算法得到的雷達定位結果與GPS 數據作一次差比對分析，其具體情況如圖6～8所示。圖中，橫軸為時間，單位s;縱軸為一次差，單位為m 或毫弧度。一次差的均值和標準差如表1所示。

圖6 斜距R 一次差

圖7 方位角A 一次差

圖8 俯仰角E 一次差

表1 一次差均值與標準差

4 結束語

通過算例數據分析，本文采用的雷達定位方法合理正確，精度高，能夠滿足測量需求，能在測量的相關領域推廣應用。但是，由于雷達測量體制的原因，要想得到更高精度的定位數據，在雷達的設計和制造過程中還需進一步提高裝備本身的精度。

［1］簡仕龍，費加兵，劉冰.航天測量船海上測控技術概論［M］.國防工業出版社，2009:390.

［2］張守信.外彈道測量與衛星軌道測量基礎［M］.北京:國防工業出版社，1992:62-63.

［3］朱華統，鄭育富.大地測量［M］.北京:測繪出版社，1987:342-344.

［4］羅海銀.導彈航天測控通信技術詞典［M］.北京:國防工業出版社，2001:448-449.