多基天波超視距雷達目標參數測試技術

梁金輝，王存良

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

多基天波超視距雷達目標參數測試技術

梁金輝，王存良

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

為實現對遠距離海面運動目標參數的動態測試，提出基于電離層介質電磁波傳播特性、微弱信號探測技術的天波超視距雷達系統。采用多基天波超視距雷達系統的設計方案，建立超視距海面運動目標的速度、速度方向參數的量測數學模型，并對系統軟件主程序流程進行設計。最后進行試驗，實時處理跟蹤海面目標數據并解算得到目標的速度及其方向角等參數，給出試驗中目標參數量測數據與真實數據之間的相對誤差。結果表明：此天波雷達系統目標參數量測模型能夠有效地對超視距海面慢運動目標進行實時參數測試，具有準確性與實用性。

天波超視距雷達；目標參數測試；量測模型；目標速度

0 引 言

天波超視距雷達（over-the-horizon radar，OTHR）工作于3～30MHz的高頻段，通過向電離層發射高頻電磁波信號，利用電離層對高頻探測電波的折射以及后向返回散射路徑下視傳播來實現對海面的艦船、飛機等進行探測，測定其方位、距離和徑向速度[1-6]。其探測距離不受地球曲率的限制，可以實現800～3 500km的遠距離探測。

單基地探測系統是利用目標的后向散射回波，而多基系統并不完全依賴于直接后向散射回波對目標進行定位跟蹤，其發射站的雷達信號可以通過多條路徑到達不同的接收站，根據各站位置與探測目標的幾何關系，通過定位算法、數據融合實現對目標參數的測試[7-8]。本文通過建立多基天波系統模型，基于電離層探測技術，給出一種新的超視距目標速度、方向角的測量模型，適用于超視距海面目標運動參數的測試。

1 OTHR系統目標參數測試原理

天波超視距雷達有兩種，一種是利用目標的前向散射特性或目標穿越電離層時引起的電離層擾動特性探測目標，稱為前向散射超視距雷達，其收發系統分設在遙遠的兩地，但不能測定目標的距離和其他參數，因此實際應用受到限制。另一種是利用目標的后向散射特性探測目標，稱為后向散射超視距雷達，其收發系統設在臨近的地方[9-10]。后向散射天波超視距雷達信號傳輸鏡像發射模型原理圖如圖1所示。

圖1 后向散射OTHR系統信號傳輸鏡像反射模型原理圖

OTHR的接收機與發射機采用雙基模式。發射站的發射機產生大功率高頻信號，高頻電波斜向入射到電離層，被電離層反射形成天波傳播模式，照射到超視距外相應的一大塊區域，在照射區域內出現的任何雷達目標均會產生雷達回波，其中一部分目標散射的電波將沿著可能的路徑再次經天波傳播模式傳播到接收站，接收站憑借龐大的天線和高靈敏度接收機以運動目標的多普勒信號，完成目標檢測和電離層環境監測的任務，從而構成了一個探測運動目標的雷達系統。

2 系統總體設計

2.1 目標參數測試方案

OTHR系統可以配置為“多發多收”的多基站系統，通過多站之間對目標數據的探測，構建配準體系，多站聯合配準、定位跟蹤目標，實現對目標的高精度定位。

本系統采用“一發兩收”的速度及其方向角測試方案，系統的幾何設計如圖1所示。也可用“多發多收”多基天波超視距雷達體制，以提高動態目標參數的測量精度。圖1中，T表示設置在地表的天波超視距雷達的一個發射站；R1、R2表示部署在地表的兩個接收站；M表示被探測的海面運動目標。OT、O1、O2分別表示T、R1、R2到M的電波射線在電離層的等效反射點。發射站到目標的射線TOTM用虛線表示，接收站到目標的射線R1O1M、R2O2M用實線表示。將電離層上的3個反射點看作在一個平面上，此平面由電離層的虛高和電離層反射面的徑向傾斜和切向傾斜決定。

2.2 速度及其方向角量測模型

OTHR系統中接收站R1、R2量測的目標數據經過配準、定位處理，得到海面目標位置M（LM，BM）。由球面三角余弦定理可較為精確地計算發射站、接收站對目標的大圓弧長[11]：

式中：R——地球半徑，R=6371.03 km；

Li、Bi——發射站或接收站的經緯度。

利用平面三角形余弦定理公式可以求得，發射站、收射站對目標位置的射線距離計算：

式中：pi——p1為發射站，p2、p3為接收站；

h——電離層等效反射點高度。

假定接收站 R1在發射站 T（LT，BT）的右側，接收站R2在發射站T左側，目標M的速度為V，速度的方向角為φ（從正北算起順時針為正值）。V與目標M、T連線的夾角為θ。假定V在T右側時，θ為正值；V在T左側時，θ為負值。角α為T、R1對M的夾角；角β為T、R2對M的夾角。根據幾何關系，構建方程組：

式中：VT、VR1、VR2——在M與T、R1、R2連線的分量；

fd12、fd13——R1、R2量測的目標M的多普勒頻率；

fT——T工作時發射頻率。

式（1）～式（3）聯立方程組可求得速度及其方向角：

式中：a1、b1、b2——T、R1、R2到電離層反射點射線與到地心連線的夾角；

c1、c2——R1、R2數據處理后得到的目標的徑向速度；

φ——目標速度的方向角。

2.3 WGS-84坐標系下速度分量量測模型

海面目標速度V及其方向角φ（從正北算起順時針為正值）轉換到WGS-84坐標系之前，先轉換到地理坐標系中的北西天直角坐標系下，坐標系的ox軸方向指北，oy軸方向指西，oz軸方向指天。轉換關系如下：

式中Vx、Vy、Vz為海面目標M在地理坐標系中各坐標軸的速度分量。

海面運動目標的經緯度（LM，BM）已在前端配準定位系統中求解出，經過地理坐標系到WGS-84坐標的旋轉矩陣的轉換[12]：

由式（5）和式（6）可以解得WGS-84坐標系目標的 3 個方向的速度分量（Vx84，Vy84，Vz84）。

2.4 系統軟件設計

系統軟件主要完成對海面目標運動參數的測試、處理結果傳輸。目標速度及其方向角測試系統軟件主程序流程圖如圖2所示。

圖2 目標速度及其方向角測試系統軟件流程圖

OTHR的目標速度及其方向角測試系統接收到前端目標配準定位系統實時傳送過來的數據，數據其中包括目標探測時刻、發射站經緯度、接收站經緯度、電離層等效反射點高度、信噪比、射線距離和、接收站R1和R2測得的多普勒頻率、目標經度、目標緯度。本測試系統對接收到的目標數據進行實時處理，得到目標的速度及其方向角以及WGS-84坐標系下的3個方向的速度分量。將目標的處理結果本地TXT文件存儲，同時生成相應的XML文件（包括目標探測時刻、數據積累時間、大地坐標系下目標經度、緯度、速度、航向角、WGS-84坐標系下坐標分量（x，y，z）及速度分量等參數信息）。 同時，將解算得到的XML格式的目標數據文件，實時傳送給態勢處理分系統進行數據處理與顯示。

圖3 目標速度及其方向角相對誤差曲線圖

3 試驗結果分析

本系統對海面運動目標進行測試，一大型輪船作為配試目標。OTHR發射機發射14MHz頻率的電磁波，對輪船進行運動參數測試。進行了30min的連續定位跟蹤，對前端定位系統產生的目標數據進行處理，解算得到船的速度及其方向等數據。事后用船的量測運動參數文件與輪船自身裝載的AIS數據進行比對，量測數據相對誤差如圖3所示。經過實際測試驗證，該系統的設計滿足要求，并取得了較為真實可信的目標的速度及其方向角。

速度測試是在目標配準定位后進行的，并且利用定位數據，所以測速誤差除了依賴多普勒頻率測量誤差、電離層等效反射點高度測量誤差，還依賴定位誤差。本系統的多普勒測量可分辨很高，距離和變化率的分辨率較高，測量結果表明，速度及其方向角量測模型滿足工程應用需求。

4 結束語

本文利用光電探測技術、電離層電波傳播特性的新興技術，提出了一種基于球面三角公式，大圓弧長和射線距離和概念，建立了與電離層等效反射點高度關聯的目標的速度及其方向角等運動參數測試的量測模型，實現了對海面目標的運動參數高精度的測試。該速度及其方向角測試系統適用于探測海面快、慢速艦船等運動目標，對于空中目標的探測，需進一步改進算法。該系統數據處理結果可以為預警機等指揮系統提供情報數據，具有一定的實際應用意義。

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（編輯：劉楊）

Testing technology of target parameter in multistatic skywave-over-the-horizon radar

LIANG Jinhui，WANG Cunliang
（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）

A skywave-over-the-horizon radar system was designed on the properties of electromagnetic wave propagation and weak signal detection technology based on ionosphere medium to carry out dynamic testing for the remote manoeuvring target on the sea surface.The general design method of multistatic skywave-over-the-horizon radar was adopted to build the measurement mathematical model for BVR manoeuvring target on the sea surface velocity and velocity direction parameters，and design system software main program flow.Test was carried out in the end to process and track target data and calculate target velocity， direction angle or other parameters at real time， so as to give relative error between measurement data of target parameters and real data during the test.The test results show the target parameter measurement model of the skywave-over-thehorizon radar system is capable of real-time data test for the BVR slow moving targets on sea surface，which has certain correctness and practicability.

skywave-over-the-horizon radar； target parameter test； measurement model； target velocity

A

1674-5124（2017）06-0027-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.006

2016-10-10；

2016-11-30

梁金輝（1980-），男，河南鄭州市人，工程師，碩士，研究方向為動態測試、電子裝備系統測評技術。