一種基于GPS信號(hào)的車載雷達(dá)姿態(tài)信息交互方法

熊天武，黃宗衛(wèi)，范 越

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

偵察設(shè)備探測(cè)距離遠(yuǎn)，范圍廣，可以更有效地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；干擾設(shè)備功率大，精度高。兩者協(xié)同工作，可以更靈活、有效地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)干擾。偵察干擾一體化設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)緊湊，且不需要考慮偵察干擾姿態(tài)交互問題；但其設(shè)計(jì)難度大，研制成本高，在無特殊要求時(shí)使用偵察與干擾協(xié)同工作的方案更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

1 偵察干擾設(shè)備協(xié)同工作的基本原理

偵察設(shè)備以固定轉(zhuǎn)速對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、掃描，將發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)姿態(tài)信息(方位、俯仰角度以及距離)發(fā)送給干擾設(shè)備，干擾設(shè)備根據(jù)偵察設(shè)備及自身GPS信息對(duì)目標(biāo)位置姿態(tài)信息進(jìn)行解算，控制伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，指向目標(biāo)并進(jìn)行干擾。傳統(tǒng)的搜索雷達(dá)天線一般都安裝在機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)上，穩(wěn)定平臺(tái)始終穩(wěn)定于大地坐標(biāo)[1]，偵察設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)位置可以看作是對(duì)應(yīng)的大地坐標(biāo)系上的姿態(tài)信息，不需要再進(jìn)行甲板坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的換算，直接進(jìn)行位置信息(GPS信號(hào))換算，得到干擾設(shè)備所需要的大地坐標(biāo)系下目標(biāo)位置的方位、俯仰等姿態(tài)信息。偵察及干擾設(shè)備的位置及坐標(biāo)關(guān)系如圖1所示。

圖1 偵察設(shè)備目標(biāo)解算

2 基于GPS信號(hào)的姿態(tài)信息解算[2-3]

偵察設(shè)備、干擾設(shè)備的位置分別為A點(diǎn)和B點(diǎn)：A點(diǎn)的GPS信息表示為(LA，MA，HA)，B點(diǎn)的GPS信息表示為(LB，MB，HB)。

(1) 根據(jù)GPS信息計(jì)算A、B點(diǎn)的球心坐標(biāo)

對(duì)于B點(diǎn)的地心坐標(biāo)：

(1)

式中:NB為B點(diǎn)所處地理位置的卯酉圈曲率半徑；HB為B點(diǎn)的高程，HB=H+h，H為B點(diǎn)位置的地面海拔高度，h為B點(diǎn)相對(duì)地面的高度；BB為B點(diǎn)所處位置的地理緯度；LB為B點(diǎn)所處位置的地理經(jīng)度；a為地球橢圓球體的長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度，數(shù)值為6 378 137 m；e2=0.006 694 379 901 4，為第一偏心率的平方。

A點(diǎn)的地心坐標(biāo)位置表示為：

(2)

式中：LA、BA、HA及NR為A點(diǎn)所處地理位置的經(jīng)緯度、高程及卯酉圈曲率半徑。

(2) 球心坐標(biāo)系-大地直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立大地直角坐標(biāo)系，計(jì)算B點(diǎn)在A點(diǎn)雷達(dá)大地測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)的直角坐標(biāo)位置可得：

(3)

(3) 目標(biāo)位置極坐標(biāo)與大地坐標(biāo)換算

目標(biāo)T(XT,YT,ZT)在雷達(dá)所在位置(A點(diǎn))的大地雷達(dá)測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)的直角坐標(biāo)，方位角AT，俯仰ET，距離LT。

計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)位置在大地坐標(biāo)系上坐標(biāo)得到：

(4)

(4) 計(jì)算目標(biāo)T點(diǎn)(XT,YT,ZT)在以B點(diǎn)為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)為[4-5]：

(5)

(5) 目標(biāo)直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

根據(jù)式(5)計(jì)算B點(diǎn)在A點(diǎn)雷達(dá)大地測(cè)量坐標(biāo)系內(nèi)的極坐標(biāo)位置為：

距離R為：

(6)

俯仰角E為：

(7)

方位角為：

(8)

3 MATLAB仿真與試驗(yàn)

3.1 MATLAB建模仿真

根據(jù)理論推導(dǎo)公式(1)～(8)搭建MATLAB/simulink模型進(jìn)行姿態(tài)換算的仿真驗(yàn)證，工作原理模型框圖如圖2所示。首先將偵察設(shè)備及干擾設(shè)備的GPS信息轉(zhuǎn)換為球心坐標(biāo)系下的位置信息，再轉(zhuǎn)換到以偵察設(shè)備為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系下的位置信息，然后將目標(biāo)位置信息(以偵察設(shè)備為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系下的方位、俯仰、距離)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系上的位置信息(x、y、z)，再折算到以干擾設(shè)備為原點(diǎn)的大地直角坐標(biāo)系上，最后轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系下相對(duì)于干擾設(shè)備的方位、俯仰角度。

圖2 姿態(tài)換算

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為大地直角坐標(biāo)系下各設(shè)備與目標(biāo)點(diǎn)位置的關(guān)系，A為干擾設(shè)備位置，B為偵察設(shè)備位置，C為目標(biāo)點(diǎn)位置，C點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)姿態(tài)表示為(Azi，Ele，L)(方位，俯仰，距離)。

圖3 大地直角坐標(biāo)系下位置關(guān)系

現(xiàn)假設(shè)干擾設(shè)備A的GPS信息為(120°，40°，6 m)，偵察設(shè)備B的GPS信息為(120°，40.01°，6 m)，目標(biāo)C初始位置姿態(tài)信息為(90°，45°，1 000 m)，計(jì)算可得C點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的姿態(tài)分別為51.72°、31.84°，目標(biāo)點(diǎn)方位、俯仰角度保持不變，距離逐漸增大到51 000 m，如圖4所示，方位角逐漸增大到89.92°，俯仰45°。當(dāng)目標(biāo)足夠遠(yuǎn)時(shí)，相對(duì)于偵察、干擾設(shè)備的姿態(tài)信息會(huì)近似一致，實(shí)際解算結(jié)果符合理論結(jié)果。

圖4 與偵察設(shè)備同經(jīng)度情況下目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于干擾設(shè)備姿態(tài)信息

保持偵察、干擾設(shè)備位置不變，目標(biāo)初始姿態(tài)改為(0°，45°，1 000 m)，相對(duì)于A點(diǎn)(干擾設(shè)備)姿態(tài)解算為(0.001 1°，29.21°)，保持目標(biāo)姿態(tài)方位、俯仰角度不變，距離逐漸變大到51 000 m，如圖5所示，方位角保持不變，俯仰逐漸增大到44.91°。

圖5 與偵察設(shè)備同緯度情況下目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于干擾設(shè)備姿態(tài)信息

4 結(jié)束語

該方法可以實(shí)時(shí)有效地對(duì)目標(biāo)位置相對(duì)于偵察設(shè)備及干擾設(shè)備的姿態(tài)信息進(jìn)行解算，實(shí)時(shí)高效地進(jìn)行目標(biāo)姿態(tài)信息交互，引導(dǎo)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)偵察、干擾設(shè)備的協(xié)同工作，提升效率。