空情數據融合的算法研究?

羅德強 屈劍波

（71939部隊 濟南 250300）

1 引言

炮瞄雷達因為波束很窄，不具備大范圍搜索目標的功能，需要依靠搜索雷達給炮瞄雷達提供空情數據，引導炮瞄雷達搜索、截獲、跟蹤目標［1］。隨著新型武器系統的出現，其雷達功能也越來越先進，探測目標的精度也越來越高，不僅能為本級提供空情信息，也可以通過空情共享的雷達組網技術為炮瞄雷達提供空情信息支持。

同時，多雷達空情共享的組網技術可以有效對抗電子干擾，抗擊低空超低空目標空襲。雷達組網能夠構成全方位、多層次的戰斗體系［2］，提高雷達裝備作戰效能和戰場生存能力。多雷達空情信息共享涉及到了空情數據融合問題，必須將各雷達平臺的坐標系轉換為融合雷達的坐標系。

利用GPS系統自身的定位功能確定各部雷達的經度、維度和高度信息，再通過WGS-84坐標系平移旋轉得到目標在融合雷達中的坐標。該方法有效解決了因局部地理坐標平移產生的偏差，實現了組網雷達的空間對準問題［3］。

2 相關坐標及定義

2.1 地心直角坐標系

原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向起始子午面與赤道的交點，Y軸垂直于XOZ平面，并與XZ軸構成右手坐標系。任意一點的位置可以用（X，Y，Z）坐標來表示［4］。

2.2 WGS-84坐標系

WGS-84坐標系是一個地心坐標系，原點是地球質心，X軸指向BIH1984.0定義的零度子午面和赤道交點；Z軸指向BIH1984.0定義的協議地球極方向；Y軸構成右手坐標系［5］。其采用大地經緯度、大地高度來描述空間位置。其中大地經度L表示的是空間一點與參考橢球的自轉軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角；大地緯度B表示的是空間一點與參考橢球面的法線與赤道面的夾角；大地高度H表示的是空間一點沿參考橢球的法線方向到參考橢球面的距離［6］。

2.3 站心坐標系

站心坐標系，其原點位于地表，也稱為東北天坐標系。如圖1所示，E∕N∕U三個坐標，即代表了東北天三個坐標。該坐標系以站心（用戶所在位置）為原點，N軸指向北極方向，U軸指向橢球體上穿過該位置的法線方向，E軸與N∕U兩軸構成右手螺旋系。

圖1 站心坐標系

站心坐標系分為站心直角坐標系和站心球坐標系。站心直角坐標系是將目標的坐標投影到E∕N∕U坐標軸的值，用（X，Y，Z）來表示；站心球坐標系則用距離R、方位A、俯仰E來表述。球坐標系轉換為直角坐標系的公式如下［7］：

3 坐標系轉換分析

為了利用GPS信息進行空情數據融合，必須進行地心直角坐標系和雷達站心坐標系之間的轉換［8］。以搜索雷達為例，其跟蹤捕獲的目標信息是雷達站心球坐標（R∕A∕E）。首先將其轉換為雷達站心直角坐標，結合當前搜索雷達的GPS定位信息和目標的站心直角坐標，可以將目標坐標轉換到地心直角坐標系中。根據炮瞄雷達的GPS定位信息和目標的地心直角坐標，可以將目標坐標轉換到以炮瞄雷達為站心的東北天坐標系中，根據目標在東北天坐標系中的數據計算出其在融合雷達中的方位角和俯仰角。

圖2 坐標轉換關系流程圖

4 目標位置解算

4.1 搜索雷達WGS-84坐標轉換為地心直角坐標

設搜索雷達處于地球某點P在地心直角坐標系內數據是 P(XP，YP，ZP)，在地球WGS-84坐標系中的數據是P(BP，LP，HP)，則兩種坐標的轉換關系是［9～10］：

其中，N表示地球的曲率半徑，第一偏心率e2=f（2-f），基準橢球長半徑a=6 378 137m，基準橢球極扁率f=1∕298.257 223 563。

在WGS-84坐標系下B為緯度，L為經度，H為高度。

4.2 目標的站心球坐標轉換為目標的站心直角坐標

搜索雷達獲得的目標球坐標為(RP，AP，EP)，通過式（1）轉換為以搜索雷達為站心的直角坐標(Xt， Yt， Zt) 。

如圖1所示，搜索雷達跟蹤目標時，其連線與其在水平面的投影的夾角α就是目標的俯仰角，其投影與N軸的夾角θ就是目標的方位角。

有了雷達的觀測向量[Δe，Δn，Δu]Τ，便可以計算目標T相對于雷達的方位角和俯仰角［11］。

4.3 目標的站心直角坐標轉換為地心直角坐標

經過坐標的平移和旋轉變換，求出目標T的地心直角坐標 [Xm，Ym，Zm]Τ：

式中，B、L分別是WGS-84坐標系中的緯度、經度數值。

4.4 炮瞄雷達WGS-84坐標轉換為地心直角坐標

設炮瞄雷達處于地球某點S在地心直角坐標系內數據是S（XS，YS，ZS），在地球WGS-84坐標系中的數據是S（BS，LS，HS），根據式（2）可計算出其地心直角坐標數據。

4.5 目標的地心直角坐標轉換為以炮瞄雷達為站心的東北天坐標

根據式（8）可以計算出以炮瞄雷達為站心的東北天坐標：

由式（6）、（7）可以計算出目標相對于炮瞄雷達的俯仰角和方位角。

圖3 空情數據轉換系統

5 實施效果

通過該算法設計了空情數據轉換的軟件系統，通過接受其他雷達的空情信息，及時轉換為融合的炮瞄雷達的目標空間信息，快速地為炮瞄雷達指明了目標的方位和俯仰角，引導炮瞄雷達及時截獲和跟蹤目標，取得了很好的效果。

6 結語

本文利用GPS技術，實現了雷達組網中的數據融合問題。利用該算法的空情數據轉換系統，有效提高了炮瞄雷達捕獲目標的能力，為實現復雜電磁環境下的空情保障提供了有力的技術支持。