基于差分GPS與雷達信標機的艦載雷達校準技術?

（海裝駐武漢地區第一軍事代表室 武漢 430060）

1 引言

為了保證艦載雷達輸出距離、方位等信息準確、穩定、可靠，最大限度地消除或減小雷達設備的系統誤差，對艦載雷達距離和方位校準是雷達的一個重要項目。因此改進艦載雷達校準方法，提升艦載雷達校準技術顯得尤為重要。我們通過開展艦船系統對準技術應用研究，采用差分GPS與雷達信標機組合，形成以差分GPS站點基線方位和距離為基準，雷達信標機延時增距回波應答方式的艦載雷達校準技術，并應用該項技術對多種型號艦載雷達進行校準，取得了較好的效果。

2 原理與方法

2.1 校準原理

艦載雷達的校準主要包括雷達方位和距離等參數。為了實現艦載雷達方位和距離的校準，采用2臺具有實時數據接收功能的GPS組成差分GPS與雷達信標機組成艦載雷達校準裝置。其中一臺GPS架設在雷達信標機天線上作為基站，放置在距被校雷達足夠遠、且穩定性好、沒有遮擋的地方，另一臺GPS架設在被校雷達天線附近的艦船艏艉線控制點上作為測站，以此替代被校雷達的位置。差分GPS基站和測站實時采集在WGS-84坐標系下的經緯度，經坐標轉換及解算得到基站和測站的三維坐標。在RTK模式下基站通過數據鏈將其觀測值和坐標信息傳遞給測站，測站不僅通過數據鏈接收來自基站GPS的數據，還要將測站GPS采集觀測數據納入系統內組成差分觀測值進行實時處理，計算得到基站和測站間的距離和方位值。雷達信標機通過天線接收來自被校雷達發射的脈沖信號，經內部模塊單元變頻網絡對接收信號進行變頻，將變頻后的信號送入延遲與多普勒調制單元，運用目標回波多普勒頻移，模擬距離零多普勒或附加多普勒回波信號，在雷達發射信號檢波脈沖的同步下采用時延值順序讀取數字射頻存儲器存儲的相應的脈沖信號，精確模擬對應于擴展距離時延值的假目標回波。

雷達信標機采用延時回波應答方式，提供由差分GPS基線方位θ0、距離R01以及延時距離R02目標的回波信號，被校雷達實時接受雷達信標機天線回波信號，得到雷達與目標之間的方位θ方位和距離L距離，校準原理見圖1。

圖1 校準原理

圖中：R01為差分GPS基線距離；R02為雷達信標機延時距離；θ0為差分GPS基線方位。

根據GJB 403A-1998《艦載雷達通用規范》標準要求，在規定條件下對被校雷達方位或距離校準采集多組數據，記錄校準數據。將被校雷達顯示方位和距離數據與差分GPS基線方位、距離以及雷達信標機延時距離基準進行比較，計算得到各組被校雷達距離誤差與誤差均方根值，方位誤差與誤差均方根值。各組距離和方位誤差不能超出規定要求，距離和方位誤差均方根值為校準結果。

距離誤差為 ΔL=L距離-（R01+R02）；方位誤差為 Δθ=θ方位-θ0。

2.2 歸心修正

由于雷達信標機架設位置離被校雷達距離較近，而差分GPS［1］測站無法架設在被校雷達標志位置，校準過程中以差分GPS測站點替代被校雷達位置產生偏距誤差。為了保證校準結果的準確性，需對差分GPS測站點替代被校雷達位置產生偏距誤差進行歸心修正［2］。現以差分GPS基站和雷達信標機在被校雷達在艦船的右舷，差分GPS測站在偏艦艏方向如圖2所示［3］。其中艦船航向角由導航系統實時給出，歸心修正計算如下。

圖2 歸心修正

圖中：θ1為GPS測量方位；R1為GPS測量距離；L為測站到被校雷達的平距；Φ為航向角；θ0為雷達方位；R0為雷達到GPS基站的距離；h為雷達天線與GPS測站高度差；a為差分GPS基站和測站與基站和雷達位置的夾角。

艦船雷達校準時，受艦船系泊狀態、航向角、差分GPS基站、測站架設和被校雷達位置等因素影響，歸納起來差分GPS測站與艦載雷達標志中心不一致歸心修正分四種形式，計算方式見表1。

表1 艦船雷達校準歸心修正計算公式

2.3 校準方法

將雷達信標機放置在距被校雷達2km的地方，差分GPS基站架設在雷達信標機天線上方，差分GPS測站架設在被校雷達的艦船甲板艏艉線標識上，調整或設置儀器參數，差分GPS基站和測站采集在WGS-84坐標系下的經緯度，經坐標變換及解算得到基站與測站間的基線方位θ和距離R［4～5］。按照歸心修正方法，對差分GPS測站與被校準雷達位置不一致產生的偏距誤差進行修正，得到基線方位θ0和距離R01。被校雷達開機至工作穩定正常，調整雷達信標機天線位置使被校雷達天線在觀察視窗中。設置雷達信標機脈寬、頻寬、衰減延時距離等參數，計算得到被校雷達天線與雷達信標機假目標回波距離R02。調整被校雷達參數，使被校雷達在半徑為R01+R02的距離范圍搜索并對準目標。當被校雷達和雷達信標機工作均處于穩定狀態，同時記錄差分GPS基線方位和距離數據、雷達信標機延時距離、被校雷達的顯示距離和方位、艦船導航系統的航向角數據。按照GJB 403A-1998《艦載雷達通用規范》標準要求采集多組數據，數據采集完畢，對每組測量數據進行分析和處理，計算得到各組被校雷達距離誤差ΔL與誤差均方根，方位誤差Δθ與誤差均方根。任一組雷達距離誤差ΔL和方位誤差Δθ均應滿足規定要求，以雷達距離或方位誤差均方根值作為校準結果。如被校雷達距離或方位誤差超出規定要求，對被校雷達參數進行修改，調整完成后再進行校準使其滿足規定要求。

3 校準應用

常規校準方法在一些位置不具備校準條件的地方，不僅影響艦船的建造周期，而且增加海試任務及艦船交付的不確定因素［6］。為了保證艦船作戰系統信息準確一致，確保艦船產品的建造質量，我們開展了艦船系統對準技術應用研究專項科研，采用差分GPS與雷達信標機組成校準裝置［7～8］，設計編制包括歸心修正計算在內的校準數據采集、分析和處理軟件，形成艦載雷達距離和方位校準技術，并對多艘艦船的艦載雷達進行校準［9～10］。現以×型雷達距離和方位校準為例，該艦在碼頭處于系泊狀態，將差分GPS基站和雷達信標機假架設在碼頭對岸大約1.5km能夠通視的地方，基站位于艦艇右舷方向，差分GPS測站架設在艦艇艉部甲板艏艉線標志點上，用全站儀架設在差分GPS測站點的位置對被校雷達測量，計算得到差分GPS測站與被校雷達天線標志位置平距48.505m，高度差7.287m，對該距離和高度差引起的偏距誤差進行修正。

由于艦船處于動態，差分GPS基站和測站基線距離在 1.4427km，方位角 279.5950°，仰角 0.1190°左右波動，航向由艦船導航系統給出，航向角為154.1°。按照前述校準方法，采集20組數據，計算得到每組校準結果。

距離誤差均方根值：

方位誤差均方根值：

被校雷達距離誤差在25.10mm～28.61mm范圍，距離誤差均值28.576mm。方位誤差在-0.03°～0.07°范圍，方位誤差均值為0.01°。

4 不確定度分析評定

采用差分GPS與雷達信標機校準艦船雷達方位和距離，測量結果擴展不確定度［11］與艦船雷達方位和距離最大允許誤差的絕對值（MPEV）應滿足下式要求［12］：

如果雷達方位最大允許誤差≤0.2°，距離最大允許誤差≤5m，目標不確定度為

4.1 雷達距離校準不確定度分析評定

4.1.1 雷達信標機延遲距離引起不度分量u1

雷達信標機接收雷達脈沖信號并進行延遲，生成模擬目標，并發送延遲信號，根據雷達信標機技術指標，延遲距離最大允許誤差為±1.00m，均勻分布k=，由此引起的不確定度分量u1：

4.1.2 GPS定位誤差引起的不確定度分量u2

按照GPS定位系統技術指標，平面誤差±20mm+1mm/km，高程誤差±40mm+1mm/km，進行雷達距離測量時差分GPS位置的高度變化不大，差分GPS基站和測站的距離不大于2km，均勻分布k=，由此引起的不確定度u2：

4.1.3 甲板上GPS架設位置引起的不確定度分量u3

甲板中線上架設GPS相距雷達饋源位置的距離測量誤差在±0.20m，均勻分布k=，由此引起的不確定度分量u3：

4.1.4 船體的晃動引起的不確定度分量u4

在系泊試驗階段，船體在水面上的晃動對測量精度引起的誤差是不可避免的，在測量過程中，由于船體的晃動引起的測量誤差為±0.50m，均與分布k=，由此引起不確定度分量u4：

4.1.5 讀數同步性引起的不確定分量u5

在測量過程中，在船體甲板、操作室以及岸邊的操作人員要同時讀數，由于讀數的不同步而引起的測量誤差為±0.50m，均與分布k=，由此引起的不確定分量u5：

4.1.6 合成標準不確定度

4.1.7 擴展不確定度

4.2 雷達方位校準不確定分析評定

4.2.1 GPS基站方位誤差引起的不確定度分量u1

雷達方位校準時GPS基準站架設在任意位置，需通過WGS84坐標進行解算獲得相關信息，由于GPS接收信息的準確性使其輸出方位角誤差±0.005°，均勻分布k=，由此引起的不確定分量u1：

4.2.2 GPS移動站架設誤差引起的不確定度分量u2

GPS移動站采用當地坐標系進行數據鏈的傳輸、解算和處理信息，當GPS移動站架設在艦艇甲板中線上與艦艇坐標系不一致產生方位角誤差±0.005°，均勻分布k=，由此引起的不確定分量u2：

4.2.3 船體穩定性引起的不確定度分量u3

雷達方位校準在碼頭系泊狀態下進行，由于艦艇在水面晃動影響輸出信息穩定性，導致讀數的不同步而引起方位角誤差±0.002°，均勻分布k=，由此引起的不確定分量u3：

4.2.4 GPS數顯量化誤差引起的不確定分量u4

差分GPS計算方位角時的分辨率0.001°，量化誤差為分辨率，均勻分布k=，由此引起的不確定分量u4：

4.2.5 合成標準不確定度

4.2.6 擴展不確定度

5 結語

本文在分析采用差分GPS與雷達信標機校準艦載雷達距離和方位原理和方法基礎上，分析差分GPS測站架設位置與被校雷達位置不一致引起的偏心誤差，推導出差分GPS測站替代被校雷達位置產生偏距誤差的歸心修正計算方式，分析和評定差分GPS與雷達信標機校準艦載雷達距離和方位測量結果不確定度［13］。通過對艦載雷達距離和方位校準，搜索雷達距離誤差為28.576m，方位誤差0.01°，雷達距離校準測量不確定度1.5m，方位校準測量不確定度0.01°，確保艦載雷達校準質量，極大地提升了艦載雷達距離和方位校準結果的準確性和可靠性，是一種艦載雷達距離和方位校準新技術，有廣泛的應用價值和發展前景。