無人作戰平臺使用雷達定點探測方法

任 強 王 偉 高一棟

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

無人作戰平臺已被應用于現代戰爭，是軍事強國不可或缺的作戰力量[1]。隨著無人作戰平臺日趨成熟和工程化應用的深入，其上安裝載荷的工作自主化也得到深入發展。雷達系統作為安裝在無人作戰平臺上的主要探測設備，其工作自主化能力對無人作戰平臺的作戰效能有著非常重要的影響。裝有雷達的無人作戰平臺自身有較強的電子偵察監視能力，可對戰場環境進行24h不間斷動態監視，并記錄和回傳戰場動態信息。監視范圍包括大范圍廣域搜索和局部位置重點跟蹤。本文從實際應用出發，提出無人作戰平臺用雷達進行定位探測方法，針對戰場局部位置目標進行搜索跟蹤，實時掌握目標位置坐標信息，提供給指揮系統進行戰場決策。

1 方法原理

控制雷達對戰場局部位置進行準確跟蹤監視，需要提供給雷達待監視的局部目標區域位置中心大地坐標，雷達位置大地坐標，以及安裝雷達的無人作戰平臺的姿態數據(航向角，縱搖角，橫滾角)。雷達根據自身和監視局部位置中心的大地坐標(經度，緯度，高度)，經過一系列坐標轉換，解算出雷達坐標系下的針對待監視目標區域的中心位置的波束指向。然后根據無人作戰平臺的姿態數據對該波束指向進行補償修正，從而得到指向待監視目標區域中心位置的準確的雷達波束指向。整個解算過程隨著無人作戰平臺的運動實時動態刷新。

雷達定位探測數據流圖如圖1所示。

圖1 雷達定位探測數據流圖

1.1 雷達信息輸入

雷達工作輸入包括兩部分：監視的局部目標位置中心大地坐標(目標經度，目標緯度，目標海拔高度)作為雷達工作參數，可從雷達系統人機交互界面輸入。雷達自身大地坐標(雷達經度，雷達緯度，雷達海拔高度)和無人作戰平臺的姿態數據(橫滾角，縱搖角，航向角)有該平臺上安裝的組合慣導給出。

1.2 雷達波束指向確定

雷達系統波束指向確定分為波束解算和波束穩定兩部分組成。波束解算根據雷達和待探測目標區域中心的大地坐標求出雷達波束在雷達坐標系中指向待探測目標區域中心的角度。波束穩定解決無人作戰平臺姿態變化對雷達波束指向精度的影響問題，也就是要補償裝有雷達的無人作戰平臺因自身姿態變化(航向變化，縱搖變化，橫滾變化)引起的波束指向偏差。

1.3 搜索目標輸出

雷達監視的局部目標位置信息，根據不同的功能雷達探測的信息有所不同，主要包括目標坐標，目標識別信息，SAR數據，以及氣象數據等等。

2 算法設計

坐標變換完成將大地坐標系下的雷達位置坐標和待探測目標區域中心坐標轉換為雷達坐標系下的待探測目標區域中心相對雷達的坐標。整個轉換過程包括將雷達位置和待探測目標區域中心大地坐標系下的坐標轉換為地心直角坐標，然后將地心直角坐標轉換到站心坐標系(又稱東北天坐標系(ENU)[2]，最后解算出在雷達坐標系下的波束指向。

2.1 大地坐標系轉換到地心直角坐標系

大地坐標系(緯度φ，經度λ，高度h)轉換到地心地固直角坐標系(x，y，z)[2-3]的變換公式：

x=(N+h)cosφcosλ

(1)

y=(N+h)cosφsinλ

(2)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(3)

(4)

(5)

涉及具體參數說明如下：

N：基準橢球體的卯酉圓曲率半徑；

e：橢球偏心率；

a：基準橢球體長半徑；

b：基準橢球體短半徑。

2.2 地心直角坐標轉換成站心坐標

根據2.1中式(1)、式(2)和式(3)，求出的地心直角坐標系下的雷達坐標(無人作戰平臺)和待探測目標區域中心坐標，求出站心坐標系下雷達到待探測目標區域中心坐標的矢量。

坐標轉換矩陣S為：

(6)

若地心直角坐標系下雷達指向待探測目標區域中心的矢量為

(7)

其中，Φ為大地坐標維度；λ為大地坐標經度；

(xr,yr,zr)為待探測目標區域中心在地心直角坐標系下的直角坐標；(x0,y0,z0)為雷達在地心直角坐標系下的直角坐標。

則站心坐標系下的雷達指向待探測目標區域中心的矢量為

(8)

2.3 波束穩定

波束穩定是為了解決無人作戰平臺本身抖動造成的雷達波束指向誤差。無人作戰平臺本身抖動主要有航向角α變化、縱搖角β變化和橫滾角γ變化三個方面。統籌這三個角度的影響，生成波束穩定變換矩陣T，T的推導過程如下[3]：

首先，計算航向角α的變化對波束矢量的影響，影響矩陣Tα為：

(9)

其次，計算縱搖角β的變化對波束矢量的影響，影響矩陣Tβ為：

(10)

最后，計算橫滾角γ的變化對波束矢量的影響，影響矩陣Tγ為：

(11)

由式(9)、式(10)及式(11)得到波束穩定變換矩陣T，見下面矩陣所示。

(12)

經過T變換后，得到波束穩定后的指向矢量，見式(13)所示。

(13)

最后，再將站心直角坐標系下的雷達對待探測目標區域中心的波束指向矢量轉換為站心極坐標系(即雷達極坐標系)下的雷達指向待探測目標區域中心的距離、方位角和俯仰角，就得到了正確的雷達穩定波束指向。轉換公示見式(14)、式(15)及式(16)所示，

(14)

(15)

(16)

式(14)-(16)中，參數說明如下：

R：雷達指向待探測目標區域中心的距離；

azi：雷達指向待探測目標區域中心的方位角；

ele：雷達指向待探測目標區域中心的俯仰角。

3 算法實現

3.1 算法環境

無人作戰平臺使用雷達進行定點探測方法的實現軟件在某型無人飛艇載毫米波雷達的嵌入式運行平臺上進行了實現并投入使用。平臺通信及數據流見圖2所示。毫米波雷達安裝在無人駕駛飛艇上，顯控終端安裝在地面車輛的顯控終端中，雷達和顯控終端之間的通信通過安裝在無人飛艇和地面上的無線通信鏈路系統進行。

圖2 通信及數據流

該嵌入式運行平臺安裝在信處機箱中，平臺的硬件環境為基于PowerPC的單板機和AD采樣處理板，以及數據/信號處理板，單板機上設計有標準的RS-422異步串口，自適應10M/100M/1000M以太網絡接口，AD采樣處理板上設計有高速同步串口。平臺上運行的軟件環境為嵌入式VxWorks操作系統以及該系統上運行的雷達中心控制軟件、數據處理軟件和信號處理軟件。

地面車輛中運行的顯控終端運行在window及其兼容的系統平臺上，作為待探測目標區域中心坐標的輸入人機接口(通過鼠標和鍵盤交互)，并以圖文方式顯示雷達探測到的目標數據信息。

3.2 算法流程圖

無人作戰平臺使用雷達進行定位探測方法的算法流程見圖3所示。

圖3 算法流程

4 結束語

無人作戰平臺使用雷達進行定位探測方法在某電子裝備試驗基地無人駕駛飛艇上得到了驗證。該無人駕駛飛艇安裝有機載毫米波雷達，該毫米波雷達采用Ka波段，掃描方式為俯仰機械掃描，方位相位控制掃描體制。驗證過程針對該雷達特點而不失一般性，方法的結論分析分為兩方面：波束指向計算和波束穩定。波束計算只要按照理論分析和計算公式進行解算就能得到準確結果。而波束穩定則需要試驗驗證文中波束穩定補償算法的正確性。

驗證以雷達俯仰角控制為例，驗證采用的數據為載有毫米波雷達的無人駕駛飛艇實測數據。驗證結果見圖4和圖5所示。圖4中，雷達指定俯仰角度變化范圍為(-10，0，10)，縱搖角為(-10，0)，補償角為(5，25)。從圖中數據可以看出：平臺縱搖角造成雷達俯仰角度偏低，而補償角度彌補了縱搖角對雷達俯仰指向的影響，使得最終的俯仰控制角度和雷達指定角度一致，波束穩定補償算法效果圖見圖5所示。

圖4 雷達控制俯仰角、無人平臺縱搖角和補償角變化曲線

圖5 波束補償后的俯仰實際控制角度和指定角度的變化曲線