動態標校測試系統設計與分析

朱玉成

摘要：設計了基于無人機平臺的動態標校測試系統。該測試系統能較好滿足雷達俯仰角的標校測試。

關鍵詞：轉發式目標模擬器；衛星差分定位系統；動態標校測試系統

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0144-02

為了檢驗雷達的發射方向的性能，需要對雷達發射波束和接收波束進行俯仰向的標校。傳統標校方法采用模擬信號塔等辦法。利用信號塔的方法，模擬信號的高度一般無法改變，模擬信號的位置也無法改變，缺乏靈活性。利用無人機平臺搭載模擬器對雷達進行標校，充分利用無人機飛行高度、位置、速度可以靈活控制的優點，可以實現內容豐富的全面標校，拓展了雷達標校方法。

1 轉發式目標模擬器工作原理

轉發式目標模擬器通過內部接受通道接受雷達輻射信號，將接收到的信號進行時延、調幅等處理，再由發射通道輻射出經過調制的信號，由雷達接收，此時雷達將此回波信號識別為一動目標，則該模擬目標的方位角及俯仰角為無人機的方位角和俯仰角，而距離和目標類型則由調制信號的時延和幅度確定[1]。轉發式目標模擬器系統框圖見圖1。主要由射頻鏈路單元、基帶處理單元及功放單元組成。射頻鏈路單元包含上下變頻模塊、頻綜模塊和大功率功放模塊。

1.1 射頻鏈路單元

射頻鏈路單元由功率變換模塊和頻率源模塊組成。功率變換下行模塊接收輸入信號，通過自動增益調節AGC將輸入信號調整到固定功率給基帶信號處理單元；上行模塊將基帶信號處理輸出的信號進行功率控制，使得輸出功率可控，配備功放模塊使得到達天線的輸出信號功率在輻射傳播一定距離后仍能滿足雷達接收靈敏度的要求。頻率源模塊采用內部的基準信號產生基帶信號處理模塊所需的時鐘信號。

1.2 基帶處理單元

轉發式目標模擬器包含一塊基帶處理單元模塊，由DRFM（數字射頻存儲器）實現。DRFM把輸入的雷達發射信號以合適的采樣率數字化，并在FPGA中完成數字正交混頻、抽取濾波、瞬時測頻的預處理工作，并完成調制目標延時和多普勒，用以模擬目標的距離和速度。經過基帶處理單元調制或產生的信號進行數字上混頻，最后通過DAC回放。

2 衛星差分定位系統工作原理

衛星差分定位系統以北斗Ⅱ、GPS雙模多頻點的衛星差分定位系統為核心，實時輸出高精度位置和時間信息[2]。

衛星差分定位系統由安裝在雷達上的差分定位參考終端，和安裝在無人機上的差分定位移動終端組成，利用差分定位技術測量無人機相對于雷達的距離和方位。

雷達上的衛星差分定位設備為差分定位參考終端，懸空平臺上的衛星差分定位設備為差分定位移動終端。

2.1 衛星差分定位系統主要工作過程

（1）雷達的差分定位參考終端接收GNSS衛星信號，解算出位置信息和載波相位信息，并通過電臺將信息數據發送給安裝在無人機上的差分定位移動終端。（2）差分定位移動終端對接收到的參考站載波相位和本機的載波相位進行差分解算，獲得移動終端相對于差分定位參考終端的高精度距離和方位信息，并通過電臺將移動終端的差分定位數據傳輸給差分參考終端。（3）差分定位參考終端的便攜計算機根據手動設置的差分定位校準參數（雷達的方向、雷達天線與衛星天線之間的位置偏差等）進行差分定位數據修正，得到符合精度要求的雷達天線與無人機之間相對位置，包括距離、方位等數據。

2.2 無人機時延誤差與補償原理

差分定位解算得到的距離精度可以達到厘米量級，但是由于差分數據傳輸以及解算存在延遲，因此解算結果輸出時刻無人機由于運動將引入測量偏差。差分定位解算時延大約為60ms，差分數據傳輸時延大約為10ms，按照無人機60km/h的速度計算，整個處理延遲引入的誤差達到了1.2m，超過了0.1m的定位精度要求。因此需要對無人機差分解算結果進行濾波預測，彌補處理時延造成的誤差。

濾波預測原理為采用kalman濾波算法，利用無人機相對雷達的位置和速度信息進行持續濾波，再結合對整個處理環節時延的實時計算進行準確預測，降低時延引入的測量誤差，將最終定位精度控制在0.1m以內。

3 動態標校測試系統的設計與分析

動態標校測試系統包含無人機、轉發式目標模擬器及衛星差分定位系統。無人機平臺上搭載有轉發式目標模擬器以及衛星差分定位設備，組成動態標校測試系統[3]。

該系統用于雷達俯仰角標校時，無人機搭載全套系統后起飛至空中。無人機按照預設的航路進行飛行，以保證無人機始終處于雷達輻射主瓣內，同時朝雷達徑向飛行。無人機上的轉發式目標模擬器接收雷達輻射信號，進行相應的調制后通過機載天線輻射給雷達天線，雷達通過天線接收動態標校測試系統給出的模擬目標回波解算出無人機相對于雷達的俯仰角α1。同時衛星差分定位系統解算出的無人機和雷達的精確距離值L，且雷達天線陣面中心高度H1已知，無人機飛行高度H2已知（此處將雷達和無人機均簡化為點），則通過L、H1、H2可以解算出無人機相對于雷達的俯仰角α2，如下式所示：

α2=arc sin{（H2-H1）/L}

通過將α1和α2的值進行比對，可以得出雷達的俯仰角測量精度是否滿足雷達設計指標。工作示意圖如圖2所示。

4 結語

本動態標校測試系統注意了各類硬件系統的有機結合，創新的采用了無人機作為標校測試平臺，最大程度的模擬了實際情況，提高了標校測試的準確性和可信度。設計中采取的衛星差分定位系統及轉發式目標模擬器均采用了小型化，模塊化設計，在滿足功能需求的同時減輕了重量，最大程度的提高了無人機的續航能力。本動態標校測試系統已結合某型號雷達進行了標校測試試驗，順利達到各項功能指標，效果令人滿意。

參考文獻

[1]姬新陽，高山，陳慶良，張海龍，宮福紅，范志鵬.基于無人機GPS的測量雷達標校方法研究[J].火控雷達技術，2017，46（01）：73-78.

[2]李景秋，黃煒，王年發，關增社.基于旋翼無人機平臺的動態RCS測量標校方法及應用[J].電光系統，2016（1）：61-63.

[3]孫軍，孫保杰.RCS測量標校中采用無人機吊放標準球的解決方案研究[J].艦船電子對抗，2016，39（04）：19-24.

Abstract：Design the Dynamic calibration test system based on the unpiloted-airplane. This test system can meet the requirements of radar pitch angle calibration well.

Key words：repeater target array-simulator；differential satellite positioning system；dynamic calibration test system