靶場脈沖測量雷達組網技術

盧雪林，程望東

(南京電子技術研究所，南京 210039)

0 引言

目前，雷達組網技術可以應用于靶場測量。在我國的靶場測量雷達的鏈路中，執行測量任務時，一般分布多個站點，每個站點的雷達單獨收發，并負責測量任務的某一段，若干套雷達設備“串行”起來，以“接力”的形式完成整個測量任務，即各個雷達按照任務弧段要求一段接一段相互交疊跟蹤。在雷達鏈跟蹤方式下，各個雷達采用相參應答方式工作，且工作載頻、脈沖寬度、雷達重復周期等基本參數相同[1]。因此，執行測量任務的多站雷達同時進行跟蹤，多個雷達應答回波信號同時出現的情況下，會導致信號之間相互干擾，影響雷達的捕獲和跟蹤，甚至導致跟蹤目標的丟失[2]。

雷達組網采用先進的時頻同步技術可協同多站雷達同步工作。采用多站雷達測距和測速算法不僅可以提高雷達完成任務的可靠性，還可以提高測量精度。針對目前雷達鏈工作中易出現的問題，本文提出了一種靶場測量雷達組網工作的方法，并分析了該方法的優點以及需要解決的關鍵技術，并對組網雷達的定位精度幾何分布(GDOP)進行了仿真。

1 靶場雷達組網方案

1.1 靶場雷達組網工作原理

靶場脈沖測量雷達組網技術就是將多套靶場脈沖測量雷達的發射和接收系統組成發射和接收網絡，根據任務特點統一進行發射和接收網絡資源的配置、管理和運用。

雷達系統組網以一套主動雷達、兩套被動雷達和一套中心控制系統為例，其中每個雷達配置高性能的頻率基準。系統工作原理框圖如圖1所示。

控制中心針對任務特點對發射網絡和接收網絡進行集中控制和管理，可控制每個站雷達發射機的開關。控制中心控制主動雷達發射機開機，其他站雷達的發射機處于備份狀態，主動雷達發射機和接收機共用一部天線，被動雷達1和被動雷達2共用主動雷達的發射機。

這樣設計的優點是減少發射機同時開機，可避免多臺發射機同時觸發應答機。應答機在發射信號的觸發下，產生應答信號向各雷達輻射，各雷達接收信號后，將處理后的測量結果傳給控制中心，由控制中心再進行數據融合處理。

圖1 系統工程原理圖

1.2 靶場雷達組網關鍵技術及算法

1.2.1 關鍵技術

組網雷達的時頻同步技術是其主要關鍵技術之一，它完成雷達系統時間同步、頻率相位同步、空間同步、精確三維定位功能。時間同步由信號處理分系統實現;空間同步指各雷達天線必須同時照射到同一空間目標;頻率相位同步指各雷達的接收機和發射機必須工作在相同的頻率[3-4]。

時頻同步系統提供了高精度的定時，決定了組網雷達的信號融合和實時數據融合;高精度的頻率和相位同步決定了該雷達的抗地雜波、海雜波和云雨雜波的高性能指標;高精度的站址定位精度確保了該雷達的三角定位精度。

組網雷達時頻同步系統為適應現代戰爭中復雜電磁環境的需要，選擇以微波、光纖鏈路為主要通信信道組成自主同步系統，GPS作為輔助同步手段。

1.2.2 關鍵算法

靶場組網雷達關鍵算法包含測距和測速算法等，下面以1個發射站和1個接收站為例介紹測距和測速算法。

1)測距算法

多站測量首先測量延時，然后根據球面解算距離，測距原理如圖2所示。

根據圖2可以解算出目標的距離，即

圖2 雷達雙站測距原理

2)測速算法

單站雷達只能測量目標的徑向速度，而多站雷達可以測量目標在測量平面內的速度。多站測量仍然先測量目標的多普勒頻率，再根據幾何關系解算，圖3為雙站測速幾何關系圖。

圖3 雷達雙站測速原理

根據圖3可以解算出目標在雙站平面內的多普勒值，即

2 靶場組網雷達的優點

靶場脈沖測量雷達組網可以改善脈沖測量雷達的精度，還能提高完成任務的可靠性。靶場雷達組網具體優點如下所述。

2.1 改善定位精度

雷達定位精度受到波束寬度的限制，當雷達跟蹤遠距離目標時，角度測量誤差會導致目標橫向定位產生較大的誤差[5]，原理如圖4所示。

圖4 橫向定位與測角精度的關系

當目標徑向距離為r時，測角精度為Δ，則橫向定位誤差為Δ·r，當r=100 km，Δ=1 mrad時，則橫向定位誤差為100 m。

采用多套雷達組網，可以采用距離三角關系定位[2]，由于單套雷達測距精度很高，可以保證在5 m以內。因此，三角定位可大大提高測控網的定位精度。

2.2 提高測距和測速精度

雷達測速公式中因相參頻率源不穩定引起的誤差為

式中:f0為工作頻點;dr為頻率源短期穩定度。從中可以看出測速精度依賴于雷達晶振頻率短期穩定度和長期頻率穩定度。

雷達測距公式中因基準頻率引起的誤差為

式中:Δf/f為基準頻率不準(目前一般晶振準確度達到10-7或10-8);Rmax為最大作用距離。可見測距精度依賴于雷達晶振頻率的長期穩定度。

目前，靶場測量雷達都配備了各自的頻率源，導致多套雷達的測量精度離散性較大，降低了多套雷達測量的一致性。雷達組網采用高穩定的頻率源系統和先進的時間同步技術，可以大大提高各雷達測量結果的一致性，提高測控系統的測距和測速精度。

2.3 改善避盲時的精度

脈沖雷達工作時都存在發射盲區和近地盲區，單臺雷達為了連續跟蹤目標，會進入避盲狀態，此時雷達根據目標距離發射避盲移相序列脈沖串，由于此種脈沖串在時間上非等間隔，將導致測距濾波器的響應誤差增大，降低測距精度。避盲時序如圖5所示。

圖5 脈沖雷達避盲時序圖(N=2)

當采用雷達組網技術，發射雷達進入盲區時，其他被動接收雷達不會同時進入盲區。當發射雷達進入盲區時，可以不進行避盲工作，正常發射，這樣被動雷達正常接收應答回波信號，進行等間隔處理，保持高精度的測量。

2.4 減小動態滯后誤差

由于目標運動相對于雷達有速度、加速度和更高階的導數分量，距離跟蹤系統會產生滯后誤差，動態滯后誤差可以寫為

通常靶場測量雷達在進行接力測量時，測量數據主要依賴于最接近目標的某部雷達，目標在飛過該雷達仰角最高點附近會產生最大加速度點，導致雷達產生相當大的動態滯后誤差。此項誤差一般為靶場測量雷達的最大測量誤差項。當雷達采用組網技術，測量數據可選擇動態滯后誤差較小的測量雷達，減少動態滯后對測量精度的影響。

2.5 提高任務可靠性

在靶場測量雷達的鏈路中，對于某一套雷達來說，發射機的故障率較高，不能長時間連續工作，執行測量任務的可靠性和連續性也就降低了，尤其是當這套雷達位于特殊位置時。例如在測量船上，雷達出現故障時不易修理，發射機的故障就易導致測量任務失敗。

在這樣的情況下，靶場測量雷達在執行測量任務時，如果采用被動式跟蹤。即在一定的條件下，某一站點雷達只開發射機，周圍相鄰的若干站點的雷達只開接收機，這樣就可以提高整個雷達測量鏈路的可靠性，從而提高測量任務的可靠性。

3 仿真分析

對靶場雷達組網進行仿真，觀察定位精度幾何分布情況。假設在同一水平面內，基線長度不同的兩雷達組網，進行GDOP仿真。

圖6為基線站間距離40 km，距離GDOP分布圖。圖7為基線站間距離25 km，距離GDOP分布圖。

圖7 短基線GDOP仿真圖

從圖中可發現，兩站法線方向測量精度較低，長基線精度優于短基線。因此在執行任務時，需要根據目標飛行軌跡，選擇合適的雷達站點位置。

4 結束語

靶場脈沖測量雷達進行組網，可以提高測量精度和任務可靠性，同時實現數據共享，資源合理配置、集中管理，避免多任務沖突，對提高靶場測控系統的性能具有重要的意義。

[1]陳大慶，劉 丹，張 哲，等.臨近空間飛行器地面雷達組網優化仿真分析[J].飛行器控制學報，2012，12(6):27-31.Chen Daqing，Liu Dan，Zhang Zhe，et al.Optimized simulation analysis of networked ground-based radars for near space vehicles[J].Journal of Spacecraft TT＆C Technology，2012，12(6):27-31.

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[3]盧雪林.雙多基地雷達時頻同步方法研究[J].現代雷達，2010，32(增刊):9-11.Lu Xuelin.Study on time and frequency synchronization system[J].Modern Radar，2010，32(Supplement):9-11.

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