RTK在機動式脈沖雷達尋北定向中的應用?

（91913部隊 大連 116041）

1 引言

在新型號武器系統試驗的跟蹤測量過程中，單脈沖跟蹤測量雷達應該滿足跨區域、全天候、快速機動、聯合測量要求。按照精密測量雷達精度要求，雷達進入陣地后先要進行尋北定向。目前，地面雷達尋北定向通常采用望遠鏡、經緯儀等儀器的光學測量法［1～2］，即方位標法，盡管測量精度高，但嚴重限制機動部署，增加保障難度。一是必須事先在場坪周圍架設方位標設施，且有精確的大地測量成果，增加了額外的基礎設施建設成本；二是方位標的選址、測量及建設受地理環境影響很大，試驗航區所要求部署陣地基本在偏僻海邊或山區，無合適方位標架設點；三是觀察方位標時受光線、大氣擾動等環境因素的影響，尤其是在夜間、雨霧天氣中甚至無法觀察。

針對當前單脈沖跟蹤測量雷達尋北定向過程中所存在的不足，本文采用全球定位系統實時載波相位差分技術（RTK），通過分別架設基準站和移動站的兩個GPS/BD天線，獲得以兩個GPS/BD天線連線為基線的偏北角，完成雷達快速尋北定向，滿足單脈沖跟蹤測量雷達跨區域、快速機動部署和聯合參試的需求。

2 機動式脈沖雷達尋北定向需求

在靶場測控系統中，為獲得高精度的測量數據，在執行跟蹤測量任務前后，應當進行雷達標校，獲得雷達軸系誤差、定向靈敏度、方位零值、俯仰零值、距離零值的系統修正數據，雷達系統會根據標校得到的各項誤差數據，對雷達系統的外測數據進行實時和事后修正。脈沖雷達事后數據處理方法中［3～5］明確的系統誤差標定與校正如式（1）所示：

式中各參數具體含義見表1。

表1 脈沖測量雷達數據處理系統誤差標定與校正公式參數定義

對于機動式單脈沖跟蹤測量雷達裝備，在需要緊急執行測量任務或其它聯合測量任務情況下，臨時指定陣地往往不具備預埋基礎和周邊方位標架設，因此在無方位標條件下應具備跟蹤測量任務的能力，滿足跟蹤數據精度要求，必須在任務前準確進行尋北定向，使方位零值誤差達到最小。

3 基于RTK技術GPS/BD雙天線定向原理

3.1 原理概述

基于RTK實時相對定位技術GPS/BD雙天線定向原理采用偽距差分和RTK相結合的組合定位方法，以兩個天線的相位中心為基線，GNSS接收機實時測得相對于基點的載波相位及位碼相位、偽距等原始測量，饋送到定向處理單元，主站（基準）定位處理單元同時實時接收子站（移動站）轉發的測量信息，綜合運用偽距差分和RTK兩種方法，獲得高精度的相對定位原始結果，此結果經過濾波處理、坐標轉換后輸出給顯示系統，同時處理器中定向算法通過利用接收機發過來的信息及根據衛星接收天線間距離不變的條件求解兩點連線與真北的夾角。實時定位原理如圖1所示。

圖1 RTK實時相對定位原理

3.2 定位解算數學模型

GPS/BD定位誤差主要包括衛星軌道誤差、衛星鐘差；電離層效應、對流層效應和多路徑效應影響；接收機的噪聲誤差、時間延遲等［6］。RTK實時相對定位技術GPS/BD雙天線定向主要利用兩點GPS/BD定位的空間相關性，通過差分技術來抵消掉公共誤差部分，提高GPS的定位準確度，從而提高定向準確度［7～8］。

利用GPS進行高精度測量采用載波相位形成雙差方程，這樣可以消去電離層、對流層、接收機鐘差等對參數的影響，方便數據處理。雙差方程數學模型如式（2）所示：

式中，(Xi，Yi，Zi)為衛星i的位置，根據導航電文進行解算；(Xj，Yj，Zj)為衛星j的位置，也根據導航電文進行解算；(Xb，Yb，Zb)為主站（基準站）的位置，測量定位解算；(Xm，Ym，Zm)為子站的位置，測量定位解算。其中主（基準）天線和子天線坐標關系，如圖2所示。

圖2 基準天線和子天線坐標關系

主站（基準站）和子站通過解算出準確位置后，子站相對主站（基準站）在WGS84坐標系下的坐標差為如式（7）所示：

然后計算出在主站（基準站）站心坐標下的坐標差數學模型，如式（8）所示：

式中B，L為主站（基準站）的經緯度位置。由式（6）可以計算方位角，即A0=θ，如式（9）所示：

4 基于RTK技術GPS/BD雙天線定向方法

RTK技術作為GPS系統中高效定位方法之一，在各種測量領域中有著無比的優越性［9～10］，動態實時測量，工作效率高；定位精度高，沒有誤差積累；自動化作業、可全天候工作［11～12］。本文將單脈沖測量雷達CCD標校望遠鏡與GPS/BD天線有效結合，借助CCD標校望遠鏡的視場手段，直接對光軸方向進行尋北定向，就是讓天線緩慢旋轉使天線望遠鏡和GPS雙天線的基線在同一直線上來確定偏北的方向。方法實現流程如圖3所示。

圖3 尋北定向操作流程圖

1）雷達天線車展開、不水平度調整

雷達進入指定陣地，天線車拆掉運輸保護裝置并將前部手動支腿落地，半掛車和牽引車分離，按照天線車展開程序完成天線車落座（有預埋地基座）和不落座（無預埋地基座）工作狀態。利用電子水平儀完成天線座大盤不水平度的測量與調整，若測得的天線座大盤水平度誤差最大值大于20″，通過在天線基座與預埋基座間加墊片（天線車落地展開）或調整天線車的調平支腿（天線車不落地展開）對天線座大盤水平度進行調整，然后再重新測量天線座大盤水平度，直至滿足要求。

2）GPS/BD尋北定向設備安裝、雙天線定位

在距離位于雷達天線約50m～100m處（視場地情況而定）架設定向設備，場地空曠、平坦、無遮擋，主要包括定向設備供電線纜連接、基準天線和移動天線連接。

雷達CCD標校望遠鏡加電，伺服加電并轉動天線，保證天線俯仰未處于限位角度，通過監視器觀察架設GPS天線。首先確定基準GPS天線的位置，轉動基準GPS天線使其在監視器的CCD望遠鏡視頻畫面十字線中心位置，并鎖定雷達伺服方位電機；其次確定移動站GPS天線的位置遠離雷達天線方向上移動站GPS天線的位置，基線長度根據線纜長度確認，調整雷達天線俯仰角度，使其在監視器的CCD望遠鏡視頻畫面十字線中心位置，并鎖定雷達伺服俯仰電機，保證了雷達光軸和GPS雙天線的基線在同一條直線上，記錄當前天線方位的碼盤角度值A。尋北定向設備布局如圖4所示。

圖4 尋北定向設備布置圖

3）GPS/BD基線偏北角測量、顯示

GPS/BD雙天線定向設備加電開機，基準站、移動站自動完成搜索空域衛星，定位定向主機根據搜星的信息，解算出空間位置定位信息和載波相位關系，從而解算出雙天線基線的指向角度，即偏北角，送給顯示處理模塊，在顯示屏顯示出定位信息（經度、緯度和高程）和偏北角θ。

4）方位零值解算、修正

CCD望遠鏡、基準站天線和移動站天線三點在一條直線上，GPS/BD雙天線基線偏北指向就是雷達光軸指向，如圖5所示，雷達電軸與光軸為平行關系，GPS/BD雙天線基線偏北指向為雷達方位偏北指向，所以方位零值修正公式為A0=A+θ，在雷達系統應用軟件零值修正分項中輸入方位零值修正值為A0。

5 基于RTK技術GPS/BD雙天線定向的驗證

利用我部某陣地的現有條件，采用GPS/BD雙天線定向的方法進行方位零值修正，然后通過方位標法與已知的6個方位標進行標校比對，驗證基于RTK技術GPS/BD雙天線定向的精度，方位標數據為精確的大地測量成果。

1）GPS/BD雙天線定向角測量

為確保數據的準確性，減小隨機誤差，GPS/BD定向天線采用50m基線長度，獲得20組定向角數據見表2。

表2 定向角實測數據

表2中采集定向角數據求平均值為A0=35.5865°，雷達方位零值修正后的結果為當前方位碼盤值與尋北定向角A0相加，通過雷達標校分系統軟件中完成方位零值修正，即完成尋北定向。

2）尋北定向精度驗證

為驗證尋北定向準確定，采用方位標法分別與測控站點已知6個方位標進行方位零值標校，共完成3輪標校，記錄18組數據，見表3。

表3 方位標對標測量數據

運用基于RTK技術GPS/BD雙天線定向方法進行方位零值修正后，經比對方位標標校結果可知，該方法完全滿足單脈沖跟蹤測量雷達應急狀態下的測量跟蹤要求。

6 結語

本文采用基于RTK技術GPS/BD雙天線定向方法，獲得天線測量系真北值的零值，通過這一有效途徑，便可實現對機動式單脈沖跟蹤測量雷達進行快速尋北定向，滿足應急標校要求，該方法已在我部某型單脈沖雷達產品的中已經得到實際應用，出色完成多型跟蹤測量任務。這種方法操作簡單，自動測量和解算數據準確，基線降低對操作手的專業技術要求，提高參試效率。隨著跨區域、全天候、快機動測量任務發展，測控陣地的臨時部署隨機性大，陣地地理環境偏僻復雜，在不利于架設方位標的情況下，該方法更能發揮作用，而且不僅可用于同型單脈沖跟蹤測量雷達裝備中，也可以在靶場其他測控裝備上推廣應用。