精密引導雷達精度提升方法研究

李林濤

摘要：針對各型有人無人飛行器全自動精確引導回收難題，提出了如何利用雷達提高測量精度的方法；重點介紹了雷達測量的基本原理，從電磁波在空氣中傳播特性、單脈沖測角原理、目標運動測角補償等方面分析了進一步提高雷達測距、測角精度的措施；工程實現和試驗測試表明，該方法提高了雷達測量引導精度和抗干擾性。

關鍵詞：精密跟蹤測量；二次引導雷達；單脈沖測角；動目標測角補償

Abstract：Aim at each unmanned aircraft to someone full-automatic the precision lead recall hard nut to crack，Proposed how to make use of the method that the radar exaltation measures accuracy。Particularly introduced the radical principle of radar measurement，Measured corner priniple，object running to measure angular offset etc. to analyze further exaltation radar to measure to be apart from，measure from the electromagnetic wave's up in the air propagation characteristic，monopulse corner the measure of the accuracy。Engineering realize and test testing enunciation，The method raised radar to measure to lead accuracy and antijamming。

Keyword：The nicety follows measurement；Two times lead radar；The monopulse measures corner；Move an object to measure corner offset

1 引言

在無人機廣泛應用的今天，如何做到對無人機的高可靠度、高精度測量和自動引導回收是一個必須考慮的問題，也將制約無人機的進一步應用。目前，無人機導航普遍采用衛星導航方式實現自主航路規劃和陸基著陸回收，但衛星體制使其定位穩定性差、易受干擾，無法滿足軍事和特殊任務需求。針對無人飛行器的主動監測和回收引導，本文提出了一種如何利用雷達測量技術提升跟蹤定位精度的方法、實現原理和措施，從雷達測量體制、電磁波在大氣中的傳播速度、和差單脈沖測角及斜率測角補償等方面分析了具體實現方法，并在某型雷達上進行了工程應用和驗證。

2 雷達三維定位測量和引導的基本原理

雷達利用無線電波在均勻介質中的固定傳播速度完成距離測量、利用無線電波在均勻介質中傳播的直線性和雷達天線的方向性完成角度測量[1]，從而實現對目標的空間距離、方位角、俯仰角定位，并附帶實現速度測量，其原理如圖1所示。

測距：如圖1所示，目標相對于雷達的距離R=（C×tR）/2（公式1），其中C約等于光在自由空間傳播速度3.0×108m/s；時間tR為回波信號相對于發射信號之間的延遲，通常采用脈沖法、頻率法、相位法等實現測量，可參考“雷達原理”[1]相關書籍深入學習。

測角：依據電波在真空中沿直線傳播的特性，目標散射或反射電波波前到達方向，即為目標所在方向，如圖2所示。雷達測角的方法一般分為振幅法和相位法，本文討論一種基于振幅測量法的一種：單脈沖自動測角法。單脈沖自動測角屬于同時波瓣測角法，即在一個平面兩波束交疊形成等信號軸，將兩個同時接收接收的信號進行比較，產生角誤差信號，并控制雷達向誤差增大方向運動。通常精密跟蹤雷達通常選用和差式測角原理，其差信號大小反映目標偏離軸線的大小，相位反映目標偏離方向。

角誤差鑒別器的計算公式為：

式中：---角誤差電壓值，表示目標偏離天線軸線的偏離角度；K--- AGC作用下的和通道中頻輸出的恒定和信號電平，是一個常數；----差波束方向圖函數，表示信號處理得到的相對能量；----和波束方向圖函數，表示信號處理得到的相對能量；----目標偏離天線軸線的方向，0°或180°。但實際上由于噪聲和各種誤差的影響，兩者的相位差可能在0?或180?附近跳變，所以采用的判斷方法是：

<±90°，為+

>±90°，為-

3 改進和提升雷達測量精度的幾種方法

3.1 雷達測量方法的選擇

圖3、圖4展示了一、二次雷達的測量原理，從圖中可知，一次雷達因借助目標自身反射進行測量，其易受目標體型（體積）、姿態等影響，造成最強回波電波反射位置在不同條件下在目標體積內變化，導致其測距和測角精度也會越差。復雜目標的雷達截面積計算公式如下：

公式2

這里為第k各散射體截面積、為第k各散射體與接收機之間的距離。

從上可知，一次雷達目標體積越大或姿態變化越劇烈，雷達探測波的反射點將在目標的不同位置跳變，造成測距和測角閃爍[2]。而二次雷達安裝有機載應答配合設備，其電波輸出點為固定的天線位置處，在整個飛行測量中均可視為點目標，可有效規避一次雷達的測距和測角閃爍問題，確保高精度測量。

綜上所述，對無人機等目標的高精度引導測量應首先考慮配有合作機載設備的二次雷達，其不但能提高測量精度，還可提高雷達測量信號的穩定性，保證數據穩定、可靠。

3.2 改進測距精度的幾點措施

3.2.1 異頻二次雷達對測距精度的提升

如3.1章節所述，二次雷達能避免測距閃爍、提高測距精度，但其處理和實現方式有很多種，現介紹一種最大限度利用二次雷達提高測距精度的方法：異頻收發二次雷達測距。

異頻收發二次雷達采用發射和接收錯頻處理方式，由機載設備對雷達發射信號進行變頻和直接轉發，雷達對機載設備轉發信號進行相參處理，從而實現目標識別和信息測量，原理如圖4。該方法具有以下優點：①采用直接轉發，避免了因機載設備內部處理延時和計時不準確帶來的時間抖動誤差，影響測距精度；②異頻收發，避免了雷達收發同頻的一次地海回波和雜波干擾，可提高雷達測量穩定性和精度；③在保證精度同時，異頻測量方式可以實現無盲區測量。

3.2.2 光速修正對測距的影響

按照雷達測量原理，目標實測距離=光速×電磁波傳播時間。若大氣時均勻的，則電磁波在大氣中是等速直線傳播，此時測距公式1中C可認為是常數；實際上，大氣層的不均勻分部導致電磁波受密度、適度、溫度等隨機變化，因而C是一個隨機變量。根據測距公式1的增量替代微分可知，測距誤差為：

公式3

公式4

公式3、4中Δc為電波傳播速度平均值誤差。

從公式4可知，隨著距離R增加，由電波速度隨機變化引起的測距誤差ΔR也增大。為提高雷達測距精度，應充分考慮光速真實速度、大氣折射率和經緯度的影響，且上述影響屬于外接誤差，無法避免，只能根據具體情況進行校準[3]。經查資料，光在空氣中的絕對折射率為1.00028，故光（即雷達電磁波）在實際大氣應用環境下的V大氣=（299792458/1.00028）m/s=299708539.6m/s。電磁波在大氣中和真空中速度的差異，將導致雷達測距誤差隨距離而增大，因此需對電磁波大氣傳播速度進行修正。

3.3 單脈沖測角跟蹤雷達的角精度優化

3.3.1 影響因素

根據雷達單脈沖自動測角法，當雷達天線軸向正對目標時，利用雷達電磁波和差回波特性，會形成和差波束能量差最大，如圖5（a）所示。但實際工程應用中，雷達回波受目標體型影響會造成測角閃爍（跳動，3.1條所述），且并非任何時刻天線軸向都能正對目標，如當雷達伺服系統面對快速運動目標時會出現跟蹤滯后、雷達角度指向因受步進或分辨力制約造成指向盲區（如圖5（b））等，均會影響測角精度準確性。

3.3.2 角精度提升優化措施

如3.1章節所述，二次雷達不但能避免測距閃爍，也能避免因目標體型和姿態變化引起的測角閃爍，提高測角精度，因此二次雷達時提高測角的優選方式之一。同時，對于雷達在天線軸線對正跟蹤中存在的角度滯后和自身位置指向偏差，可利用單脈沖斜率補償和差測角法提高測量精度[4]。

單脈沖和差測角分別利用了和差信號的幅度計算角偏差、相位差判別運動方向，因此幅度特性代表了角度偏差量。該特性在和差波束分離角內（圖6（a）的紅藍交叉部分）為線性關系（圖6（b）），因此可根據目標偏離天線軸線時的和差波束能量比值進行測角補償計算，從而提高測角精度。

基于圖6所示原理，在角步進（階躍）或分辨率、跟蹤滯后影響角精度時，可借助“差幅度/和幅度”的線性特性與實時測量得到的和差能量比進行補償計算Δ差角=斜率/和差比（斜率通過預先掃描計算得到）。則當前目標相對雷達的角度為：當前天線軸向角度+Δ差角。上述計算方法適用于目標位于雷達天線和差交叉角寬度范圍內，并需最大限度降低信號處理解算周期；當和差信號解算的Δ差角周期越小，實時性越高、角精度也越高。

4 工程應用及結論

根據本文所討論的措施，項目組在某型雷達上進行了應用，經過仿真及試驗驗證，其有效提高了雷達的測距和測角精度[5]。下面截取某型三維測量雷達在外場運動平臺及試飛時的跟蹤測量數據，并將其與實時真值（差分GPS測量值）進行對比分析，詳見圖7。

如圖7所示，雷達實測精度結果如下：

距離誤差=隨機差0.032m+系統差0.175m=0.207m；

方位角誤差=隨機差0.017°+系統差0.009°=0.026°；

俯仰角誤差=隨機差0.007°+系統差0.009°=0.016°。

5 結束語

本文基于雷達空間定位測量原理，分析了二次雷達單脈沖和差測角方法在高精度跟蹤引導方面的優勢，并從工程實現和應用方面給出了進一步提高雷達測距精度和測角精度的措施。經過某型雷達的試飛測試表明：異頻二次雷達方式、電磁波在大氣傳播速度選擇、和差測角斜率補償算法等措施具有實用價值，能夠改善雷達測量精度，對研發精密跟蹤引導雷達具有參考價值。

參考文獻：

[1]丁鷺飛、耿富錄.雷達原理.西安電子科技大學，2004年1月。

[2]張明友.汪學剛. 雷達系統，2006.1。

[3]謝益溪.大氣折射對其定位的影響.《電波與天線》，1976第一期，1-43。

[4]胡體玲，李興國. 雙平面振幅和差式單脈沖雷達的性能分析[J].現代雷達，2006，（8）：11-12。

[5]【美】David K.Barton著，羅 群，倪嘉驪，范國平譯.雷達系統分析與建模.電子工業出版社，2007.6。