大型跟蹤測量雷達的衛星標定方法研究

張海成,楊江平,王晗中

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院陸基預警監視裝備系,湖北武漢430019)

0 引言

雷達標定是測量雷達保證測量精度的一項重要技術和手段。目前脈沖測量雷達廣泛采用的標定方法主要有常規標定、恒星標定和衛星標定三種。常規標定一般使用標定塔、方位標、標校球[1]等設備,其優點是穩定性好,但是需建立標校塔,因此移動性差,且全程人工干預較多,對雷達周圍環境要求較多;恒星標定以恒星天體為基準目標,通過微光電視等光學設備獲取測量數據解算雷達誤差,其優點是標定過程人工干預少,但是受天氣因素和空中遮擋影響大,且需支持的設備多。衛星標定方法由于設備要求簡單、標定內容全面、自動化程度較高,已成為大型跟蹤測量雷達主要的標校手段。衛星標定是以運行于空間近地軌道的人造地球衛星為基準目標,通過獲取衛星精密軌道數據標定雷達系統誤差,是目前較為先進的雷達標定技術。

常規標定和恒星標定的方法已廣泛應用于我國航天測控網的脈沖測量雷達系統,技術上比較成熟,而衛星標定技術在國內的應用還處于起步階段。美國、俄羅斯等國已經廣泛采用衛星標定方法標定其大型測量雷達、導彈預警雷達以及空間目標監視系統等[2-4],隨著我國脈沖測量雷達遠程跟蹤、精密測量性能的不斷提高,衛星標定方法的深入研究以及工程需求也日益迫切,開展雷達衛星標定方法的研究,具有很重要的現實意義以及工程價值。

本文結合某雷達試驗系統的工作模式及特點,提出了適用于該雷達的衛星標定方法和模型,并對標定結果進行了仿真。

1 標定方法及誤差模型

雷達測量誤差主要包括隨機誤差和系統誤差兩部分,隨機誤差通過平滑濾波可以得到抑制,系統誤差則需要進行修正[5-6]。結合該雷達的工作模式和結構特點,經過綜合分析,適用該雷達系統的誤差項主要有零值誤差、天線軸系誤差和電波折射誤差,由此建立誤差模型如下：

其中,ΔR i,ΔA i,ΔE i分別為衛星的距離、方位和俯仰系統誤差量;ΔR0,ΔA0,ΔE0分別為距離、方位和俯仰零值;r1,e3分別為距離和俯仰角的電波折射修正殘余系數;a4,a5為方位碼盤不均勻系數;a1,e1,a2和e2分別為大盤不水平系數;a3為俯仰電掃描的不鉛錘性引起的兩軸不正交誤差系數;e4為方位電掃描的不水平性引起的兩軸不正交誤差系數;A機i為測量時刻對應的機械軸方位角;A電i為測量時刻對應的電掃描方位角;i為觀測到的量測點編號。

該模型中,距離誤差包含距離零值誤差(ΔR0)和大氣折射引入的誤差(r1cscE i)。方位誤差包含方位零值誤差(ΔA0)、大盤不水平引入的誤差(a1sinA機itanE i+a2cosA機1tanE i)、俯仰電掃不鉛錘引入的兩軸不正交誤差(a3tanE i)以及方位碼盤不均勻(偏心)誤差(a4cosA機i+a5sinA機i)。俯仰誤差包含仰角零值誤差(ΔE0)、大盤不水平引入的誤差(e1sinA機i+e2cosA機i)、方位電掃不水平引入的兩軸不正交誤差(e4sinA電i)以及大氣折射引入的誤差(e3cotE i)。

衛星標定過程為：

(1)開始衛星標校后,首先獲取SLR星歷數據。星歷給出衛星固定時間間隔的地心地固坐標(ECEF坐標),通過坐標轉換可換算為以雷達陣地為原點的雷達站心坐標(ENU坐標)。

(2)根據星歷計算在指定日期內雷達可探測到的標校衛星,獲取可觀測衛星的起始時間、結束時間、軌跡信息。并按照計算結果安排雷達觀測時間、指向。

(3)雷達獲取足夠的衛星量測數據后,首先對數據進行預處理,剔除異常值并進行中心平滑及電波修正。

(4)根據雷達量測數據,利用拉格朗日插值法計算對應時間的衛星真值。

(5)按照誤差模型進行誤差系數解算。

(6)雷達獲取新的標校衛星量測數據,并用解算結果對測量值進行修正,再與真值比照。若誤差滿足要求則結束衛星標定;反之,重新進行衛星標定。

其標定過程如圖1所示。

圖1 衛星標定過程

2 效果仿真

2.1 衛星選擇

衛星標定時,雷達運行于對應的工作模式捕獲并跟蹤測量衛星目標,獲取測量數據;同時,獲取該衛星對應于雷達測量弧段的精密軌道數據,將雷達測量數據與衛星精軌數據進行對比,利用最優化算法解算雷達誤差系數,達到校準設備的目的。

選擇衛星目標需要重點從動態范圍和定軌精度兩方面考慮。標定雷達設備的基準數據和精軌數據精度應至少優于設備精度的1/3～1/5。從衛星標校條件和軸系標定要求看,衛星軌跡需要通過雷達周圍的四個象限(不必要求是同一顆衛星軌跡)。因此,綜合考慮,我們選取的目標衛星從國際激光測距衛星(SLR)中選取。

根據上述要求及雷達的精度指標要求和所提供的SLR衛星星歷,本文選取了主要的三顆目標衛星,采用STK軟件得到了衛星的真實軌跡,采用最小二乘法解算雷達誤差模型系數。

2.2 結果分析

使用上節給出的模型和方法進行求解,根據雷達參數,設置不同場景條件下實際衛星軌跡參數,其中衛星1編號為22824,軌道高度為815 km,軌道平面傾角為98.6°;衛星2編號為27 944,軌道高度為691 km,軌道平面傾角為97.8°;衛星3編號為27391,軌道高度為450 km,軌道平面傾角為89°。

解算結果如表1所示。

表1 雷達標定系數求解結果

由上表對比結果可以看出,利用衛星標校方法解算的標定系數,其解算結果能夠保證一致性。

通過對三顆衛星目標進行標定前后的誤差對比計算,得到了相似的結果。其中,衛星1的距離、方位角、俯仰角誤差在標定前后誤差對比如圖2所示。

由圖2中的仿真試驗結果可以看出,該雷達的主要系統誤差項通過衛星標定的方法基本消除了,標定結果是穩定收斂的,證實了該雷達采用衛星標定方法進行系統誤差修正的正確性和合理性。

3 結束語

本文的研究表明,利用先進的衛星標定方法對大型跟蹤測量雷達進行系統誤差的標定是合理有效并且完全可行的,標定過程與雷達的正常工作程序相同,且標定過程人工干預少,自動化程度高,受天氣和場地影響小,比常規的標定方法方便、快捷,又能克服其他標定方法存在的缺點,是大型跟蹤測量雷達誤差標定時采用的行之有效的方法,具有廣闊的工程應用前景。

[1]文玲,高沅銘,常宇亮.基于標校球的瞬態極化雷達校準方法[J].雷達科學與技術,2012,10(6)：580-584.

[2]黃家貴,楊瀟.脈沖測量雷達衛星標校的實現[J].系統工程與電子技術,2007,29(10)：1600-1602.

[3]金勝,鄧穎麗,朱天林.脈沖測量雷達衛星標定方法研究[J].飛行器測控學報,2005,24(4)：66-70.

[4]袁勇,李革,馬鵬斌,等.雷達的衛星標定技術方法[J].陜西科技大學學報,2008,26(4)：109-113.

[5]劉利生.外側數據事后處理[M].北京：國防工業出版社,2000.

[6]費業泰.誤差理論與數據處理(第6版)[M].北京：機械工業出版社,2010.