艦載雷達精度試驗誤差源分析及真值數據處理方法研究*

彭曉剛　李景巖

(91404部隊　秦皇島　066000)

?

艦載雷達精度試驗誤差源分析及真值數據處理方法研究*

彭曉剛李景巖

(91404部隊秦皇島066000)

摘要艦載雷達測量精度較高,是探測和跟蹤目標的主要裝備。雷達精度指標的好壞,關系試驗結果的可靠性。試驗中,考核雷達探測指標精度是一項重要科目,探索雷達探測相關參數數據處理方法,對艦船試驗具有重要意義。論文立足艦船試驗,分析了艦載雷達精度試驗中的影響結果評判的誤差來源,研究了適合試驗的真值數據處理方法。研究結果在實踐中得到了驗證,證明方法可行。

關鍵詞艦載雷達; 精度試驗; 誤差源; 真值處理

Class NumberTN959

1引言

艦載雷達具有較高的測量精度,是探測運動目標距離、方位、速度等參數并進行跟蹤的主要裝備,是保證艦船充分發揮作戰效能、關系武器命中概率的關鍵性環節[1～3]。

雷達精度指標的好壞,直接關系到武器系統試驗結果的可靠性。探測指標的精度試驗是其他裝設備試驗的基礎。艦船試驗中,考核雷達探測指標精度是一項重要科目,探索雷達探測相關參數真值數據處理方法,對艦船試驗具有重要意義。本文將立足實際試驗環境,分析艦載雷達精度試驗中的影響結果評判的誤差來源,研究適合艦船試驗的真值數據處理方法。

2相關坐標系

2.1艦船載體坐標系和雷達探測坐標系

艦船載體坐標系O-XYZBFS的原點O為艦船數據歸算中心;YBFS軸位于艦船零位基準面,指向艦艏方向;XBFS軸位于艦船零位基準面,垂直于YBFS軸,指向艦船右舷;ZBFS軸與XBFS軸和YBFS軸構成右手直角坐標系。在該坐標系中,只要測量出各個裝備相對于歸算中心的參數,就能確定其位置關系。

艦載雷達探測的坐標系O-XYZR是以艦船平臺為基礎的站心直角坐標系。原點為雷達回轉中心;YR軸平行于艦船零位基準面,指向艦艏方向;XR軸平行于零位基準面,垂直于YR軸,指向艦船右舷;ZR軸與XR軸和YR軸構成右手直角坐標系。

雷達的回轉中心在載體坐標系O-XYZBFS中的位置參數在雷達裝艦時就固定,可以通過定期標定測出,雷達探測解算時把安裝參數作為已知值[1～8]。由坐標關系有:

(1)

2.2探測坐標系與當地水平面坐標系

(2)

由雷達探測坐標系與艦船載體坐標系關系,可以得到目標在艦船載體坐標系下的坐標:

(3)

由載體坐標系與當地水平面坐標關系,可以得到目標在當地水平面坐標系中的坐標:

(4)

(5)

(6)

3誤差源分析及處理方法研究

由上述分析得知,式(6)計算的雷達探測數據中,既包含雷達自身探測誤差,同時又包含了艦載導航設備姿態誤差、雷達在艦船載體坐標系中起算點誤差。為了考核雷達本身精度,需要剔除導航誤差和雷達起算坐標誤差[2～6]。

3.1雷達探測系統誤差消除方法設計

艦船海上試驗時,能夠直接獲取的雷達探測值為艦船當地水平面坐標系中的距離方位等(SLLS,ALLS,ELLLS)。由于艦船當地水平坐標系是通過艦船導航參數轉換得到,其中包含了導航設備姿態誤差,為了與真實的當地水平面坐標系區分,本文稱之為“偽當地水平面”坐標系,以符號“pLLS”表示。為了檢驗雷達探測精度,需要得到雷達探測目標在真實水平面坐標系中的數據,為此需要把pLLS中數據轉換到LLS坐標系中[4～8]。設計具體轉換流程設計如圖1(a)所示。

根據式(2)～式(6),得到雷達探測目標LLS計算值為

(7)

(8)

試驗時,通過GPS測量雷達位置、運動參數以及目標運動、位置參數,通過空間坐標轉換、直角坐標極坐標轉換,就可以得到雷達探測真值,如圖1(b)所示。得到雷達探真值和實測值,通過雷達數據處理,就能夠判斷雷達探測精度,分析裝備性能,判定其指標是否滿足設計需求[6]。

3.2雷達安裝參數偏差標定研究

精度試驗中,雷達安裝參數測定直接影響結果數據。根據定義,要求三軸指向與艦船平臺坐標系平行,雷達在實際安裝中不可能做到完全安裝一致。另外,由于使用過程中,雷達基座、支架和轉臺等發生磨損變形,造成雷達探測坐標系將發生偏差[5～10]。假設O-XYZ為理論探測坐標系,O-X′Y′Z′為實際坐標系。參照姿態參數定義,假設由坐標系O-X′Y′Z′轉換到O-XYZ的三軸旋轉參數為(α,β,γ),因此有:

XO-XYZ=R213(α,β,γ)XO-X′Y′Z′

(9)

得到雷達探測坐標系偏差R213(α,β,γ)后,式(7)應改寫為

(10)

寫成標準形式為

(11)

令:

(12)

得到

b=R213(α,β,γ)u

(13)

bi=R213(α,β,γ)uii=1,2,…,n

(14)

由上面得協因數陣Σui和Σbi。因此式(14)中,bi和ui為觀測值,未知數為(α,β,γ)。式(14)基于初始值(α0,β0,γ0)對(α,β,γ)的線性化方程為

(15)

平差得到三個旋轉角改正數(δα,δβ,δγ)的最小二乘解為

(16)

因而得到三軸旋轉參數的估計值和改正數的協方差矩陣:

(17)

(18)

式(17)中未知數的初始值可以通過姿態解算方法的直接算法計算得到。其初始值通常比較精確,因此最小二乘估計只需幾次迭代即可。

4驗證

結合XX船設計鑒定試驗進行了某雷達精度指標試驗項目,進行數據處理方法驗證,如圖2所示。(由于某些限制,在此只給某段出曲線走勢,不給出具體數值)。

圖2　數據處理驗證示意圖

5結語

本文結合艦船試驗,分析了艦載雷達精度試驗中的影響結果評判的誤差來源,研究了適合艦船試驗的數據處理方法,推導了相關計算模型。研究的結果在試驗中得到驗證使用,證明了方法的可靠性和可行性。

參 考 文 獻

[1] 呂遐東,李蕾,李維林,等.艦艇作戰系統雷達統一對準模型及其誤差分析[J].中國艦船研究,2009,4(6):53-57.

Lü Xiadong, LI Lei, LI Weilin, et al. A Unified Radar Alignment Model with Error Analysis for Shipboard Combat System[J]. Chinese Journal of Ship Research,2009,4(6):53-57.

[2] 吳小強,竇林濤,初陽,等.艦艇姿態對雷達測量誤差的影響分析[J].指揮控制與仿真,2011,33(6):102-105.

WU Xiaoqiang, DOU Lintao, CHU Yang, et al. Analysis of Effects on Radar Measurement Errors Due to Ship Attitude[J]. Command Control & Simulation,2011,33(6):102-105.

[3] 胡波,梁星霞,練學輝.雷達系統誤差的測量和修正方法[J].雷達與對抗,2005,(12):12-15.

HU Bo, LIANG Xingxia, LIAN Xuehui. Measurement and correction of radar system error[J]. Radar & ECM,2005,(12):12-15.

[4] 劉玉洲.艦艇搖擺對雷達測向精度及工作方式的影響[J].艦船電子對抗,2002,25(2):18-21.

LIU Yuzhou. The infection of Warship Rocking on Radar Direction-Finding Precision and Operation Modes[J]. Shipboard Electronic Warfare,2002,25(2):18-21.

[5] 李興民,趙修平,張良.艦載多雷達靜態零位統標方法[J].海軍航空工程學院學報,2011,26(6):663-666.

LI Xingmin, ZHAO Xiuping, ZHANG Liang. The Method for Carrier-Borne Multi-Radar Static zero Unified Calibration,2011,26(6):663-666.

[6] 彭曉剛.GPS姿態測量及其在海軍靶場試驗數據處理中的應用研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學,2011.

PENG Xiaogang. Study on GPS Attitude Determination and Its Application in Navy Shooting Ranges’ Experiment Data Processing[D]. Zhengzhou: PLA Information Engineering University,2011.

[7] 衣同勝,胡夢中.艦載測量雷達零值標校方法研究[J].測控遙感與導航定位,2013,43(6):26-29.

YI Tongsheng, HU Mengzhong. Method of Zero Value Calibration for Ship-based Measurement Radar[J]. Radio Engineering,2013,43(6):26-29.

[8] 何小峰,丁軍,竇林濤.艦載雷達有源標校方法研究[J].指揮控制與仿真,2010,32(1):92-95.

HE Xiaofeng, DING Jun, DOU Lintao. Shipborne Radar Active Calibration Method[J]. Command Control & Simulation,2010,32(1):92-95.

[9] 劉高峰,劉健.基于GPS定位系統的艦船雷達標校系統研究[J].艦船科學技術,2006,28(6):100-114.

LIU Gaofeng, LIU Jian. Research on shipborne radar calibration system based on GPS positioning system[J]. Ship Science and Technology,2006,28(6):100-114.

[10] 趙馨,王世峰,佟首峰,等.艦載雷達零位標校方法[J].現代防御技術,2009,37(2):119-123.

ZHAO Xin, WANG Shifeng, TONG Shoufeng, et al. Method on Zero Position Calibration of Shipborne Radar[J]. Modern Defence Technology,2009,37(2):119-123.

收稿日期:2016年1月12日,修回日期:2016年2月22日

基金項目:海軍試驗基地創新科研基金(編號:2015012)資助。

作者簡介:彭曉剛,男,博士,高級工程師,研究方向:衛星測量數據處理。李景巖,男,高級工程師,研究方向:衛星測量數據處理。

中圖分類號TN959

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.011

Error Sources to Shipboard Radar Accuracy Test and True Data Processing Methods

PENG XiaogangLI Jingyan

(No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractShipboard radars are of high accuracy, and are the main equipments that using to detect target moving parameters and tracks. The test results of accuracy indexes directly affect the system test conclusion. In experiment environment, examining radar detecting accuracy indexes is the important subject. Studying the data processing methods of detect target moving parameter is of important meaning to our examining. Based on ship experiment environment, this article analyses the error sources in accuracy test of shipboard radars that may affect test conclusion, and studies the methods of true data processing. The study results are validated in really shooting ranges’ experiment, and the results are proved viable.

Key Wordsshipboard radar, accuracy test, error sources, true data processing