地面機動雷達水平及方位傳感器的使用和標定*

馮 玥

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

地面雷達的機動性體現(xiàn)了雷達的快速部署能力和生存能力，雷達總體技術(shù)的發(fā)展也要求天線及天線車平臺的姿態(tài)的各種實時測量數(shù)據(jù)日益精準。為保障雷達快速展開并高性能作戰(zhàn)，雷達伺服系統(tǒng)必須提高或融合尋北儀、水平儀等傳感器的應(yīng)用精度，并使之容易設(shè)計，可靠安裝，精確標定。然而如何正確運用高精度傳感器，如何將個體傳感器的精度與雷達的系統(tǒng)精度相融合，在實際使用中如何避免因使用不當導(dǎo)致的傳感器的精度損失，是設(shè)計者必須面對的問題。本文以靜態(tài)時的水平度和方位角度為例，說明了傳感器使用中應(yīng)該關(guān)注的問題，以及當其成為系統(tǒng)指標時與雷達聯(lián)合標校的方法[1]。

1 水平度傳感器的使用標校及補償

1.1 水平儀的使用

本文所描述的水平度傳感器專指靜態(tài)水平儀（以下簡稱水平儀）。它分單軸和雙軸兩種，一般放置在雷達載車平臺上或載車上安裝的轉(zhuǎn)動平臺上。

實際使用中最為困擾的問題之一是：如果載車的剛性較差或載車平臺較長較大，則調(diào)平數(shù)據(jù)只反映水平儀安放處的水平度，而實際載車平臺有可能發(fā)生扭曲[2]。

這一問題可以通過合理配置單軸水平儀和雙軸水平儀來解決。水平儀放置方式如圖1所示，圖中x，x1，x2表示載車寬度方向水平度，y表示載車長度方向水平度，虛線圓表示載車轉(zhuǎn)臺位置。水平儀放置方式根據(jù)實際使用的載車形式及載車可能發(fā)生的變形狀態(tài)決定，可選用單一的雙軸水平儀，也可選用一個雙軸水平儀配一個單軸水平儀或一個雙軸水平儀配兩個單軸水平儀，甚至可以是更多個雙軸或單軸水平儀的組合。

圖1 水平儀放置方式

水平儀放置的一般原則是：

1）采用兩軸的水平儀測量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動部分的水平值，確保轉(zhuǎn)臺的水平度滿足要求。此雙軸水平儀為主測量傳感器，其精度直接影響調(diào)平精度指標，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)指標要求選擇滿足精度要求的雙軸水平儀。系統(tǒng)的調(diào)平精度指標主要由雙軸水平傳感器的測量精度δ1和調(diào)平軟件設(shè)定的門限δ2決定，即調(diào)平精度：

δ應(yīng)小于系統(tǒng)調(diào)平精度指標。

2）合理選擇單軸水平儀的放置位置，避免調(diào)平過程中及調(diào)平結(jié)束后載車平臺的扭曲。盡管單軸水平儀為輔助測量傳感器，但其精度選擇也應(yīng)與主測量傳感器相匹配。一般情況下，單軸水平儀精度可比雙軸水平儀精度略低。

1.2 系統(tǒng)水平度標校方法

如果系統(tǒng)采用多個水平儀，但不能保證其測量的是同一水平面，則調(diào)平控制失去了依據(jù)。在實際控制中，若不進行標定，則：1）如果載車平臺具有特別好的剛性，則調(diào)平后載車易出現(xiàn)虛支撐；2）如果載車平臺不具備較好的剛性，則盡管虛支撐概率減小，但會把扭曲面作為水平狀態(tài)來使用。因此在調(diào)平控制前必須完成對載車水平度的標定。

由于天線載車安裝面不是一塊整體平板，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳感器的安裝又需要同時考慮緊湊防雨等要求，很難直接標定多個傳感器是否在一個平行安裝面上，因此，本文給出了一種比較實用的靜態(tài)水平度標定方法：1）確定轉(zhuǎn)動水平的標校基準面，其平整度應(yīng)符合傳感器安裝要求。2）在雷達天線工作狀態(tài)時，將高精度合像水平儀置于標校基準面上，選擇自動調(diào)平時的角度位置為第一次測量位置，通過伸收調(diào)平腿調(diào)整載車平臺的高低，使合像水平儀的測量為水平。3）轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，每隔30°（或更小的角度間距）進行測量和調(diào)整，最后回歸至第一次測量位置，使得在整個圓周范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)臺的水平度滿足要求。4）通過承重傳感器檢測各調(diào)平腿的承載值也可驗證水平度狀況。如果載車重心設(shè)置合理，則在水平狀態(tài)下天線轉(zhuǎn)動一周的過程中，各調(diào)平腿的承載變化較小[3]。5）對雙軸水平儀及單軸水平儀的讀數(shù)進行補償，使其顯示為0°。一般軟件上給出了補償?shù)姆秶热?0′，若超出軟件補償范圍，則應(yīng)在結(jié)構(gòu)上對水平儀的安裝平面進行調(diào)整。

1.3 系統(tǒng)水平度補償

系統(tǒng)水平度的補償可以通過結(jié)構(gòu)方式調(diào)整完成，如調(diào)整水平儀的安裝平面等，也可以通過軟件完成，將補償值存儲在可斷電保存的Flash器件中，同時將這類出廠值放置在主控計算機的配置文件內(nèi)，以備查詢及系統(tǒng)復(fù)原。為避免Flash中存儲數(shù)據(jù)丟失這類極小概率事件發(fā)生給系統(tǒng)精度帶來的損失，系統(tǒng)的主要誤差需要在結(jié)構(gòu)上進行修正。例如，設(shè)計中應(yīng)使安裝水平儀的面在一個平面內(nèi)，并能真實反映載車平臺的水平度，對于小的修正補償值，由于結(jié)構(gòu)不好調(diào)整，可通過軟件進行存儲修正，同時控制系統(tǒng)應(yīng)提供補償值丟失報警提示。

2 尋北儀的使用標校及補償

2.1 尋北儀的使用

目前尋北儀的種類很多，有撓性陀螺尋北儀、光纖陀螺尋北儀、激光陀螺尋北儀等，也有捷聯(lián)模式或轉(zhuǎn)位模式的動態(tài)陀螺尋北儀等。不同類型的尋北儀的用途不同，安裝方式也各異，應(yīng)根據(jù)不同陀螺的特點選擇安裝位置及安裝方式。比如，普通的撓性陀螺尋北儀應(yīng)安裝在剛性較好的平臺上，避免低頻擾動對測量精度的影響[4]。

尋北儀主要用于轉(zhuǎn)移陣地時自動測量雷達天線法線與正北的夾角。實現(xiàn)該功能的前提是尋北儀的指向邊應(yīng)與雷達天線法線平行，如圖2所示。

在實際使用中，很難實現(xiàn)尋北指向與天線法線指向絕對平行，安裝完畢后，兩者之間存在固定誤差，必須通過方位標定進行消除。雷達架設(shè)展開并轉(zhuǎn)動時，所有方位軸角轉(zhuǎn)換值均應(yīng)去除該固定誤差，才是修正后的雷達方位角度。以安裝在平臺上而非轉(zhuǎn)臺上的尋北模式為例，對于只在圖2所示的固定位置尋北的自動修正方式，修正算法為：

圖2 運輸位置尋北示意圖

式中：γ為修正角度；Φ為修正前的實時的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Resolver-to-Digital Converter,RDC）值；B為尋北角度；ε為尋北誤差消除角度；y為尋北時RDC原碼（尋北時修正前的RDC值，在該位置Φ=y）。

如果雷達展開轉(zhuǎn)動至圖3所示的位置，此時尋北儀的指向與天線法線指向不一致，這種情況下要實現(xiàn)雷達任意位置尋北，則還需對雷達方位軸角轉(zhuǎn)換值進行標定，使得當天線法線指向與尋北儀指向相同時，對應(yīng)方位軸角轉(zhuǎn)換值為0°。

圖3 任意位置尋北示意圖

對于任意位置尋北的自動修正方式，修正算法為：

式中，ε′為尋北合并軸角誤差消除值。

2.2 系統(tǒng)方位標校方法

系統(tǒng)方位標定通過兩個步驟完成。

（1）步驟一

在廠房內(nèi)完成對雷達陣面法線方位的標定，即陣面機械軸的標定。標定的作用是找出ε或ε′，標定方法與自動修正的算法相關(guān)。

使用式（2）的固定位置尋北的標定方法如下：1）首先雷達天線在可尋北位置展開并鎖定，第一次ε取0值，啟動自動尋北及修正功能，讀取修正后伺服顯示的雷達方位角度γ（即B值）；2）對天線陣面進行貼標后，通過高精度陀螺測量儀測出雷達天線法線與正北的夾角Ψ[5]；3）計算Ψ-γ，此值即為ε值，存入Flash；4）在此位置再次啟動尋北及自動修正進行驗證，確認γ與Ψ是否一致，如果兩者差值在允許的精度范圍內(nèi)，則標定完成。對于上述固定位置尋北模式，在出廠時手動輸入并保存一次ε值，在尋北時自動保存(B+ε)-y值。

使用式（3）的任意位置尋北的標定方法如下：1）首先雷達天線在任意可鎖定位置展開，讀取修正前伺服顯示的雷達方位角度Φ，即此時的RDC原碼；2）第一次ε′取0值，啟動自動尋北及修正功能，讀取尋北角度B；3）對天線陣面進行貼標后，通過高精度陀螺測量儀測出雷達天線法線與正北的夾角Ψ；4）計算Ψ-B-Φ，此值即為ε′值，存入Flash；5）在此位置再次啟動尋北及自動修正進行驗證，確認γ與Ψ是否一致，如果兩者差值在允許的精度范圍內(nèi)，則標定完成。對于上述任意位置尋北模式，也可以采用調(diào)整旋轉(zhuǎn)變壓器軸位置以使Ψ與修正后RDC值相等的方法，只在尋北時自動保存B值。

（2）步驟二

在外場完成雷達陣面電軸和機械軸夾角的標定，并完成補償。其標定方法如下：1）在外場與雷達有一定距離的標校塔上放置一信號源，雷達接收信號源的信號，調(diào)整雷達方位角度直至所接收的信號最強，鎖定雷達方位作為標定狀態(tài)，讀取此時伺服顯示的雷達方位角度α，如圖4所示。2）通過高精度陀螺測量儀測出高塔上信號源至雷達中心點連線與雷達機械軸的夾角θ，假設(shè)電軸偏向如圖5中實線所示，則在軟件上補償-θ即可，補償后的實際方位角度為α-θ。3）在實際的標定中不容易將雷達天線恰好定位至信號最強處。對于具有電掃功能的雷達，可停在信號最強附近，如圖5中虛線所示，讀取此時伺服顯示的雷達方位角度α1，通過電掃獲得當前偏離最強信號的角度X，通過高精度陀螺測量儀測出高塔上信號源至雷達中心點連線與雷達機械軸的夾角β, 則軟件上計算補償角度的公式為：

圖4 雷達獲取信號源信號

圖5 電軸標定圖解

補償后的實際方位角度為α1-θ。

2.3 系統(tǒng)方位值補償

由上述分析可知，系統(tǒng)的方位補償由多個部分組成，主要源于以下的系統(tǒng)固定誤差：1）尋北位置尋北指向與雷達陣面天線法線（機械軸）不平行帶來的誤差；2）雷達電軸和機械軸不重合帶來的方位定向精度誤差；3）任意位置尋北時方位軸角轉(zhuǎn)換值不能完全歸零導(dǎo)致的誤差等。一般電軸和機械軸的固定誤差由雷達主控軟件補償修正，其他固定誤差由伺服系統(tǒng)以配置文件形式存儲在Flash中，以備查詢及系統(tǒng)復(fù)原。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)使所有補償值越小越好，對于需要軟件保存的值，控制系統(tǒng)應(yīng)提供補償值丟失報警提示[6]。

3 結(jié)束語

本文所描述的靜態(tài)水平儀、尋北儀等設(shè)備的使用，與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有著緊密的關(guān)系，充分了解它們的特點，合理設(shè)置、正確標定，可以消除系統(tǒng)的固定誤差，充分發(fā)揮它們的性能。隨著水平測量技術(shù)和慣導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)水平儀和高精度慣導(dǎo)設(shè)備在雷達系統(tǒng)上的使用日益廣泛，此類設(shè)備與雷達系統(tǒng)的標校更為復(fù)雜，有待專文描述。