一種安防雷達性能評估的新方法

熊 毅， 高 森， 陳 勇， 胡晨光

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088;2.汽車智能網(wǎng)聯(lián)與主動安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 安徽合肥 230088)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國無人機市場進入井噴式發(fā)展，消費級、專業(yè)級無人機市場異常火爆。結(jié)合重量、尺寸、速度等因素，無人機可被分為微型、輕型、小型、中型、大型五大類，各類無人機在環(huán)境監(jiān)測、電力巡檢、航拍攝影、農(nóng)業(yè)植保等領(lǐng)域都有廣泛的應用。然而，在享受無人機產(chǎn)品高科技成果的同時，無人機在“黑飛”、失控墜機、民航起降干擾等各類事故頻發(fā)，嚴重影響了公共安全和社會秩序。為實現(xiàn)對無人機的依法管理，國務院、中央軍委空中交通管制委員會辦公室針對目前市場上的各類無人機均出臺了相關(guān)管制條例[1]。根據(jù)相關(guān)條例，本文所構(gòu)建的無人機GPS系統(tǒng)中的無人機采用大疆公司生產(chǎn)的某輕型無人機，飛行區(qū)域在傳統(tǒng)禁飛區(qū)外，以符合相關(guān)管理條例和保證飛行試驗安全。

安防雷達作為一種檢測無人機等低空飛行器的重要手段，可以不受天氣條件制約，全天候地對管制區(qū)域進行監(jiān)視，在各類安防系統(tǒng)中有著廣泛的應用。隨著技術(shù)的發(fā)展，各種低成本、指標各異的小型安防雷達被開發(fā)出來，并逐步推向市場。作為用戶方與廠家來說，如何快速搭建一套安防雷達性能評估系統(tǒng)，評估各類安防雷達對無人機探測的性能，是一項有待急需解決的事情。

1 雷達性能評估系統(tǒng)

本文通過微型無人機、便攜式高精度GPS、地面服務器、雷達終端、評估系統(tǒng)終端及評估軟件搭建了一套雷達性能評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用微型無人機搭載便攜式高精度GPS作為安防雷達的探測目標，便攜式高精度GPS內(nèi)部插有SIM卡，通過設置設備配置文件，能夠?qū)崟r采集無人機飛行航線上的位置信息[2]，并將無人機位置信息通過移動通信網(wǎng)絡定向?qū)崟r發(fā)送至地面服務器設備，采用服務器通過無線網(wǎng)絡實時接收無人機GPS位置數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給評估系統(tǒng)終端，評估系統(tǒng)終端通過無線熱點等方式接收無人機位置數(shù)據(jù)，并將無人機大地坐標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與雷達對應的站心極坐標數(shù)據(jù)，再與接收到的雷達數(shù)據(jù)一起投影到評估系統(tǒng)終端界面進行顯示，對接收到的GPS和雷達數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)累積與在線統(tǒng)計分析，最終得到安防雷達的精度、發(fā)現(xiàn)概率及雷達威力等指標數(shù)據(jù)。

該評估系統(tǒng)充分利用4G移動通信技術(shù)大傳輸頻寬、高存儲容量、強兼容性等特點，將便攜式高精度GPS、地面服務器、評估系統(tǒng)終端等多個設備接入無線通信網(wǎng)絡，通過地面服務器實時接收無人機GPS數(shù)據(jù)并實時推送至評估系統(tǒng)終端，再由評估系統(tǒng)對雷達各性能指標進行計算。與傳統(tǒng)方法相比較，該方法能夠在線計算雷達各性能指標，避免了大量試驗數(shù)據(jù)的事后分析，具有設計新穎、人員投入少、組織效率高、運行成本低等優(yōu)點，極大地方便了用戶、廠家對評估工作的組織與有效開展，為安防雷達與安防系統(tǒng)的評估試驗提供了一種有效途徑和方法。評估試驗中的雷達性能評估系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 雷達性能評估系統(tǒng)組成示意圖

2 坐標變換技術(shù)

GPS是一種全天候的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，能為用戶提供連續(xù)、實時的三維位置信息，其在測量、導航、測速等方面已經(jīng)得到了廣泛的應用，隨著對GPS認識的不斷加深，其應用的領(lǐng)域也在不斷擴大。本文評估系統(tǒng)接收到的無人機GPS數(shù)據(jù)為三維位置信息，采用大地坐標系，即經(jīng)度、緯度、高度。本地雷達對目標飛機的監(jiān)視采用的是以雷達站心為中心的極坐標系，因此，存在大地坐標系與極坐標系之間的坐標變換問題。

圖2 大地坐標系與地心空間直角坐標系

坐標變換技術(shù)的核心是將GPS提供的大地坐標轉(zhuǎn)換成目標相對于被測雷達的站心極坐標，要求雷達終端GPS接收機與便攜式高精度GPS選用同一組GPS星座以保證定位的精度。在實際應用中，只要無人機GPS系統(tǒng)離被測雷達終端GPS接收機的距離不超過300 km[3]，都能滿足在同一組星座下工作的要求。圖2是大地坐標系與地心空間直角坐標系的示意圖。下面給出大地坐標轉(zhuǎn)換成站心極坐標的數(shù)學模型及具體步驟。

1) 把安裝在無人機上的GPS記錄下的目標大地坐標(L，B，H)轉(zhuǎn)換成其對應的地心空間直角坐標(X，Y，Z)，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

X=(N+H)·cosB·cosL

Y=(N+H)·cosB·sinL

Z=[N(1-e2)+H]·sinB

(1)

2) 把目標地心空間直角坐標(X，Y，Z)與雷達站地心空間直角坐標(X0，Y0，Z0)的向量差通過坐標變換轉(zhuǎn)換成站心空間直角坐標系下的向量，即目標在站心空間直角坐標系下的坐標。

3) (Xh,Yh,Zh)T=A(X-X0，Y-Y0，Z-Z0)T

(2)

在實際應用中，由于被評估雷達探測到的觀測數(shù)據(jù)是以極坐標形式出現(xiàn)的，故而常把站心空間直角坐標轉(zhuǎn)換成站心極坐標[4]，Rh，Ah，Hh分別表示距離、方位和高度，轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

Ah=arctan(Xh/Yh)

(3)

Hh=Zh

3 系統(tǒng)評估方法

3.1 精度計算

在精度計算時，需要將要比較的數(shù)據(jù)對齊到同一時刻。假設共有R個目標，共生成m個航跡，對于第i條航跡的第j點，對應時刻為t，對應真值s離t時刻最近兩點的時間為t1和t2，有t1≤t2，它們的綜合對應關(guān)系如表1所示。

表1 航跡與真值信息表

按照t與t1/t2的對應關(guān)系，分情況討論：

1)t=t1=t2

此時，航跡點的時間恰與真值點的時間重合，有

(4)

2)t1

此時，航跡點的時間落入兩個真值點的中間。由于真值記錄時間的間隔較短，可通過線性插值的方法，獲得t時刻的真值點：

(5)

這里R，A，H分別表示雷達探測到目標的距離、方位與高度數(shù)據(jù)，當真值被計算出來后，再根據(jù)GJB 74—1998要求進行系統(tǒng)誤差與均方差計算，從而評估出被測雷達的精度指標。

3.2 威力與發(fā)現(xiàn)概率計算

被測安防雷達威力與發(fā)現(xiàn)概率評估主要是通過累積存儲便攜式高精度GPS數(shù)據(jù)和雷達錄取目標數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)相關(guān)匹配，找到與之對應的GPS目標數(shù)據(jù)，在一段時間內(nèi)比較、統(tǒng)計雷達探測無人機目標的最遠距離，將雷達探測最遠距離作為雷達威力指標，統(tǒng)計雷達探測中的單個目標發(fā)現(xiàn)概率以及雷達總體發(fā)現(xiàn)概率[5]。安防雷達威力與發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計計算工作流程如圖3所示，關(guān)于雷達威力與發(fā)現(xiàn)概率詳細計算方法可以參見GJB 74—1998相關(guān)要求，這里不再詳細敘述。

圖3 威力與發(fā)現(xiàn)概率計算處理流程圖

4 試驗結(jié)果

圖4是本文設計的基于無人機GPS系統(tǒng)對某安防雷達產(chǎn)品單架次目標探測的航跡比較結(jié)果，評估系統(tǒng)實時采集雷達終端航跡數(shù)據(jù)和無人機GPS位置數(shù)據(jù)，并進行目標匹配處理，當樣本數(shù)滿足精度計算要求時，可通過人工輸入指令計算雷達精度，系統(tǒng)收到該指令后綜合利用終端航跡數(shù)據(jù)以及坐標變換后的無人機GPS數(shù)據(jù)，自動統(tǒng)計出本批目標的精度分析結(jié)果，其中間隙比較大的航跡點為安防雷達航跡數(shù)據(jù)，間隙比較小的航跡點為無人機GPS數(shù)據(jù)。圖5是該型安防雷達距離精度分析結(jié)果，方位和高度精度分析結(jié)果這里不再一一顯示。通過試驗統(tǒng)計分析，雷達探測最遠距離為6.73 km，發(fā)現(xiàn)概率為89.1%。這里需要注意的是，在單個批次雷達精度計算過程中，對于大于3倍標準差的數(shù)據(jù)需要進行野值剔除，不參與雷達精度計算。

圖4 無人機GPS數(shù)據(jù)與安防雷達航跡比較結(jié)果

圖5 某安防雷達距離精度分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文利用已經(jīng)市場化的無人機產(chǎn)品與便攜式高精度GPS產(chǎn)品，設計了一種基于無人機GPS系統(tǒng)的雷達性能評估新方法，并給出了比較詳細的數(shù)學模型和具體的實施步驟。該評估系統(tǒng)提供的解決方案直接把安防領(lǐng)域用戶關(guān)心的無人機作為靶標，利用多種無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸與通信，通過實時接收GPS與雷達數(shù)據(jù)在線統(tǒng)計計算雷達性能指標，具有組織工作簡單、指標實時計算、顯示直觀、經(jīng)費投入少等優(yōu)點，不僅能夠?qū)Ξ斍笆袌錾戏N類繁多的安防雷達與安防系統(tǒng)進行快速評估，幫助用戶有效篩選出合格的安防產(chǎn)品以及后期產(chǎn)品性能檢驗，而且還能夠用于其他情報雷達、軍用雷達等領(lǐng)域，協(xié)助雷達廠家自測產(chǎn)品相關(guān)性能指標，及時調(diào)整設備技術(shù)狀態(tài)，為今后安防系統(tǒng)及其他相關(guān)雷達產(chǎn)品的評定工作開展和雷達處理算法評價提供了可行的途徑與方法。