艦載雷達跟蹤性能對交叉定位精度的影響分析

王 琦

(中國人民解放軍92941部隊 遼寧葫蘆島 125001)

0 引言

艦艇編隊是海軍主要的作戰單元，其編隊內各艦艇和武器系統協同作戰是編隊防空的一種主要模式。雷達作為編隊協同防空信息系統主要信息源，面臨越來越多、越來越嚴峻的有源干擾和無源干擾。交叉定位[1-3]是編隊協同防空雷達抗干擾的重要手段，其利用目標輻射或反射的電磁信號對目標進行探測、跟蹤，具有電磁隱蔽、不易暴露的特點。雷達交叉定位具有兩種工作方式：一是利用目標上輻射源發射的電磁信號，通過多部雷達測量完成目標定位。定位系統利用到達時間、到達方位和到達頻率這些測量參數通過一定的定位算法來確定目標位置；二是主雷達對目標實現有源探測，干擾機進行轉發干擾，主雷達采用副瓣匿影將從副瓣進入的干擾信號進行剔除，而在跟蹤主瓣內形成一連串的距離欺騙假目標。與此同時，配合雷達采用無源測角工作模式，對干擾信號進行測向處理，并將測向信息實時傳輸到主雷達進行融合。這兩類工作方式，雷達接收的信號來源不同，但其定位原理本質上是相同的，即利用艦艇雷達與目標之間的幾何關系獲得目標位置。因此，目標位置誤差的大小與雷達的跟蹤性能息息相關。目前，行業上主要用GDOP描述定位誤差，缺少以雷達的跟蹤性能直接表征的交叉定位的目標在雷達坐標系下的精度情況，本文從動平臺下三坐標交叉定位模型入手，根據誤差傳遞函數，建立交叉定位精度誤差模型，并開展雷達跟蹤性能對交叉定位精度的影響分析，該分析對后續雷達開展交叉定位試驗[4]具有指導意義。

1 雙艦交叉定位模型建立

設A、B為不同艦艇上兩雷達，共同跟蹤目標o，B雷達相對A雷達的位置在以A雷達為圓心的大地坐標系里為(α0,β0,R0)，A雷達跟蹤目標測量值為(α1,β1)距離R1未知，B雷達跟蹤目標測量值為(α2,β2)距離R2未知，示意圖如圖1所示。

圖1 雷達坐標系下交叉定位示意圖

由圖1計算R1或R2比較復雜，可將該示意圖通過旋轉坐標軸進行簡化，將B點坐標旋轉于Z軸上，由圖2所示。

圖2 旋轉后雷達坐標系下交叉定位示意圖

則有

(1)

(2)

(3)

(4)

當α0=π/2,β0=0時，即B點本身在Z正軸上時，式(2)可簡化為式(1)。

2 雙艦交叉誤差模型建立

因總誤差由隨機誤差和系統誤差組成[5-7]，下面分別對隨機誤差和系統誤差的精度進行逐個建模：

1)隨機誤差的精度分析模型為

(5)

2)系統誤差的精度分析模型為

(6)

設μR、μα、μβ分別為雷達的距離系統誤差、方位系統誤差、俯仰系統誤差；δR、δα、δβ分別為雷達的距離隨機誤差、方位隨機誤差、俯仰隨機誤差。

R1的系統誤差(μR1)和隨機誤差(δR1)分別見式(7)。

(7)

對式(3)分別對各參數求偏導帶入式(7)即可求解R1的系統誤差和隨機誤差。

R1的系統誤差為

案例每次討論結束后，教師都應及時總結討論，解析案例的思路、分析案例的重、難點并評價學生分析討論中存在的不足和長處，對討論中學生普遍存在的問題進行有針對性的點撥，最終使學生明了如何將理論知識與實際案例相結合。此外，更應幫助學生學會包容地尋找、接受更多不同解決問題的方法，綜合評價后確定最佳解決方案，培養學生分析和解決實際問題的能力[21]。

(8)

R1的隨機誤差為

(9)

3 交叉定位精度仿真分析

在交叉定位試驗中主要考察的是交叉定位的距離誤差是否滿足武器系統需求。從上節分析可見，其精度主要與雷達的跟蹤精度，雙艦的定位精度和目標與雙艦的相對位置相關。此外，該精度還與艦艇靜動狀態、地球曲率、雙艦數據鏈的誤差和時延等因素相關。本節主要對雷達的跟蹤精度，雙艦的定位精度和目標與雙艦的相對位置對交叉定位精度影響進行分析，根據仿真分析結果設計交叉定位試驗的關鍵要素。

3.1 雷達跟蹤誤差對交叉定位精度影響的仿真分析

主要針對雷達系統誤差、隨機誤差與交叉定位距離誤差的關系，雷達方位誤差和俯仰誤差與交叉定位距離誤差的關系，主雷達與配合雷達誤差與交叉定位距離誤差的關系進行仿真分析。

圖3、圖4分別為雷達方位誤差和俯仰誤差變化對交叉定位距離誤差的影響。取雷達方位/俯仰隨機誤差和系統誤差分別從0.1°到0.6°，可以看出，系統誤差對總定位誤差的影響更大。

圖3 雷達方位誤差與交叉定位誤差關系

圖4 雷達俯仰誤差與交叉定位誤差關系

圖5 主/輔雷達誤差變化對交叉定位距離誤差的影響

結論：從仿真曲線上可看到雷達的系統誤差對交叉定位誤差影響比隨機誤差影響小，雷達的方位誤差對交叉定位精度的影響比俯仰誤差大，主雷達誤差數據的影響比配合雷達誤差影響大，配合雷達與主雷達的定位誤差對交叉定位誤差影響也比較大。因此，在進行交叉定位時，如果想獲得更高的定位精度，可優選隨機誤差較小的雷達、方位誤差較小的雷達作為主雷達，并盡量減小艦艇(雷達)自身的位置誤差，在使用主雷達和配合雷達的定位數據時，優選高精度的GPS數據作為輸入量。

3.2 雷達跟蹤角度對交叉定位精度影響的仿真分析

主要針對雷達跟蹤方位角α1、俯仰角β1的變化與交叉定位距離誤差的關系，目標由遠及近飛行時(方位角由小到大變化時)目標距離誤差的變化，基線R0的變化與交叉定位距離誤差的關系等方面展開仿真分析。

圖6為主雷達方位角變化對交叉定位距離誤差的影響，該圖選取輔助雷達跟蹤方位角為固定330°時的情況。

圖6 主雷達方位角對交叉定位誤差的影響

圖7為主雷達跟蹤俯仰角變化對交叉定位距離誤差的影響，主要是反映目標飛行高度對距離誤差的影響，該圖選取目標在兩雷達中垂線上飛行的情況。

圖7 主雷達俯仰角對交叉定位誤差的影響

圖8(a)為跟蹤目標距離隨著主雷達方位角變化曲線，圖8(b)為主雷達方位角變化對交叉定位距離誤差的影響，該圖選取目標在兩雷達中垂線上飛行時的情況。

圖8 目標距離對交叉定位距離誤差的影響

圖9為雙艦不同距離R0下目標距離與誤差的變化，圖9(a)選取R0=50km，圖9(b)選取R0=70km。

圖9 不同R0下目標距離與誤差的變化

通過仿真分析，可以得出以下結論：

1)從仿真曲線圖6可看到，當輔助雷達跟蹤方位角固定(圖6為330°)時，主雷達跟蹤方位角α1變化與交叉定位距離誤差的關系并不是線性的，當α1=360-α2=30°時，交叉定位距離誤差最小，即目標在兩雷達中垂線上飛行時，距離誤差最小，α1越小或越大，距離誤差越大，即目標越遠離兩雷達中垂線，距離誤差最大。

2)從仿真曲線圖7可看到，雷達跟蹤俯仰角β1的變化(目標飛行高度)與交叉定位距離誤差的關系成反比，β1越小，交叉定位距離誤差越大，也就是說，目標高度越低，交叉定位距離誤差越大。

3)從仿真曲線圖8可看到，目標距離R與交叉定位距離誤差的關系不是線性的，當α1=α2時，即目標由兩雷達中垂線方向由遠及近飛入時，在α1=45°左右，距離誤差最小，α1大于或小于45°，距離誤差都增大。

4)從仿真曲線圖9可看到，R0的變化與交叉定位距離誤差的關系成反比，R0越大，交叉定位距離誤差越小，也就是說，兩定位艦艇相距越遠，交叉定位距離誤差越小。

3.3 交叉定位試驗開展的主要考慮因素

設計交叉定位試驗時應在合理的作戰場景下設計試驗項目，項目應覆蓋交叉定位距離誤差最好的情況和最差的情況，并對其它情況根據艦載雙雷達的跟蹤性能結合3.1、3.2兩節的分析結論以及敵方目標飛行參數，選擇合理的因素和水平進行均勻設計[8]，以達到合理、科學考核的目的。

4 結束語

本文建立了動平臺下三坐標交叉定位模型及交叉定位精度誤差模型，并開展雷達跟蹤性能對交叉定位精度的影響仿真分析，得出了雷達的跟蹤系統誤差、隨機誤差、方位誤差、俯仰誤差、主雷達誤差、配合雷達誤差以及與雷達跟蹤角度相關的目標航路、高度、距離等多因素如何對交叉定位精度產生影響的結論，該結論對后續雷達開展交叉定位試驗及作戰中如何有限提高交叉定位精度均具有指導意義。