提高一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)測(cè)角精度的方法

王愛(ài)國(guó)

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

二次監(jiān)視雷達(dá)(Secondary Surveillance Radar, SSR)是一種空管雷達(dá)信標(biāo)系統(tǒng)，采用詢(xún)問(wèn)應(yīng)答協(xié)同式工作原理，由布置在地面上的二次監(jiān)視雷達(dá)詢(xún)問(wèn)機(jī)和飛機(jī)上的機(jī)載應(yīng)答機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。二次監(jiān)視雷達(dá)具備雷達(dá)和通信的雙重功能，不僅能探測(cè)飛機(jī)的方位和距離，還能通過(guò)交換編碼內(nèi)容來(lái)獲取飛機(jī)的識(shí)別代碼和氣壓高度，是提供空中飛行情報(bào)及態(tài)勢(shì)的主要信息來(lái)源，不僅是現(xiàn)代空管系統(tǒng)必配設(shè)備之一，還廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

相控陣天線無(wú)需伺服控制系統(tǒng)，安裝使用方便，波束掃描靈活，隨著相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，采用一維相控陣天線的二次監(jiān)視雷達(dá)逐步在機(jī)載、艦載、車(chē)載等移動(dòng)平臺(tái)上推廣應(yīng)用。一維相控陣天線波束在俯仰面上存在傾斜現(xiàn)象，對(duì)一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)的測(cè)角精度帶來(lái)了一定的影響，本文針對(duì)一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)測(cè)角誤差較大的問(wèn)題，提出一種有效測(cè)角精度補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

1 二次監(jiān)視雷達(dá)測(cè)角原理

二次監(jiān)視雷達(dá)廣泛采用幅度和差波束單脈沖測(cè)角方法[2][5]，如圖1所示，單脈沖體制天線形成和波束與差波束，和波束用于發(fā)射、檢測(cè)和測(cè)距，差波束用于測(cè)角。當(dāng)存在目標(biāo)應(yīng)答信號(hào)時(shí)，應(yīng)答信號(hào)同時(shí)被天線和波束與差波束接收，應(yīng)答信號(hào)偏離天線波束指向角度由和差信號(hào)幅度比值確定，差信號(hào)相位(符號(hào))表示目標(biāo)偏離天線波束指向的方向，差信號(hào)在天線波束指向左右兩邊相位相差180°，和信號(hào)相位與目標(biāo)偏向無(wú)關(guān)，用和信號(hào)為相位基準(zhǔn)，通過(guò)測(cè)量和差信號(hào)的相位差確定目標(biāo)偏離天線波束指向的方向。

圖1 天線和差波束方向圖

目標(biāo)方位角是當(dāng)前天線波束指向加上目標(biāo)偏離天線波束指向角度，目標(biāo)方位角滿(mǎn)足關(guān)系式(1)為

ω=φB+δB

(1)

式(1)中，ω表示目標(biāo)方位角；φB表示天線波束指向；δB表示偏離天線波束指向角度。

由式(1)可知，二次監(jiān)視雷達(dá)測(cè)向誤差由天線波束指向誤差和偏離天線波束指向角度測(cè)量誤差兩部分組成，因此，相控陣天線波束指向精度對(duì)二次監(jiān)視雷達(dá)的測(cè)角精度有非常重要的影響。

2 一維相控陣天線波束傾斜現(xiàn)象

方位上一維相位掃描天線波束在方位方向上為窄波束，而在仰角方向上則為寬波束。確定移相碼后，在仰角θB=0°的方向，天線波束指向?yàn)棣誃，由于天線仰角波束很寬，在不同于0°的θB角度方向，天線波束指向?qū)⒙晕⑵xφB，指向φB+ΔφBθ，從而產(chǎn)生天線波束的傾斜現(xiàn)象[1]。

天線波束指向隨仰角不同而發(fā)生的方位偏移量ΔφBθ滿(mǎn)足關(guān)系式(2)為

(2)

式(2)中，ΔφBθ和θB以弧度表示，φB以(°)表示。

圖2所示為天線波束指向隨仰角變化而發(fā)生偏移的示意圖。由圖2可見(jiàn)，天線波束指向會(huì)隨著仰角的變化而產(chǎn)生偏移，隨著方位掃描角的增大與仰角的增大，天線波束指向偏移逐漸變大。

圖2 天線波束指向隨仰角變化發(fā)生偏移示意圖

3 高仰角目標(biāo)測(cè)角誤差修正方法

3.1 高仰角目標(biāo)測(cè)角存在的問(wèn)題

相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)首先需測(cè)量天線方向圖，測(cè)得每個(gè)波位的天線波束指向和OBA數(shù)據(jù)(和差幅度比值、差相位)，形成天線波束指向數(shù)據(jù)和OBA表裝入設(shè)備內(nèi)，在計(jì)算目標(biāo)方位角時(shí)，根據(jù)波位號(hào)查詢(xún)得到天線波束指向數(shù)據(jù)，根據(jù)和差幅度相位查詢(xún)得到目標(biāo)偏離天線波束指向的角度。目前，相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)通常只測(cè)量應(yīng)用仰角為0°左右的一組天線方向圖數(shù)據(jù)，由于一維相控陣天線波束指向隨仰角變化會(huì)發(fā)生偏移，同一波位不同仰角的天線波束指向存在較大差異，若不對(duì)天線波束指向進(jìn)行修正，系統(tǒng)對(duì)高仰角目標(biāo)進(jìn)行測(cè)角時(shí)將產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

3.2 本文修正方法

本文提出一種利用二次監(jiān)視雷達(dá)C模式詢(xún)問(wèn)對(duì)一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)天線波束指向進(jìn)行修正的方法，以提高高仰角目標(biāo)的測(cè)角精度。首先按照不同仰角測(cè)量天線方向圖，形成不同仰角的天線波束指向數(shù)據(jù)裝入設(shè)備，設(shè)備工作時(shí)，目標(biāo)仰角通過(guò)二次監(jiān)視雷達(dá)的詢(xún)問(wèn)獲取飛機(jī)的距離、氣壓高度經(jīng)換算得到，然后根據(jù)目標(biāo)仰角讀取設(shè)備存儲(chǔ)的天線波束指向數(shù)據(jù)用于目標(biāo)方位角計(jì)算，從而完成高仰角目標(biāo)的天線波束指向修正。具體步驟如下：

1)天線方向圖測(cè)量

為獲取一維相控陣天線真實(shí)的天線波束指向數(shù)據(jù)，以真實(shí)環(huán)境無(wú)線測(cè)試不同仰角每個(gè)波束的實(shí)際指向，根據(jù)仰角建立不同的天線波束指向數(shù)據(jù)。系統(tǒng)要求俯仰覆蓋范圍0°～+25°，因此仰角測(cè)量范圍為0°～+25°，以1°為步進(jìn)，分別測(cè)量各仰角(0°、+1°…+24°、+25°)的天線方向圖數(shù)據(jù)。測(cè)量方法如圖3所示，采用室外高架遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方法，水平遠(yuǎn)端位置放置信號(hào)源，被測(cè)天線安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)/搖擺臺(tái)上，通過(guò)搖擺臺(tái)精確調(diào)整天線俯仰角度，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)控制天線水平方向上360°旋轉(zhuǎn)，依次完成不同仰角各個(gè)波位的天線方向圖的測(cè)量，形成天線波束指向兩維(仰角、波位)數(shù)據(jù)，存入設(shè)備用于目標(biāo)方位角計(jì)算。

圖3 天線測(cè)試示意圖

2)目標(biāo)仰角測(cè)量

根據(jù)國(guó)際民航組織(ICAO)規(guī)范，二次監(jiān)視雷達(dá)測(cè)量飛機(jī)高度采用的是C模式[3]，獲取的高度數(shù)據(jù)是飛機(jī)上氣壓高度表測(cè)量的氣壓高度數(shù)據(jù)。工作原理如圖4所示，二次監(jiān)視雷達(dá)地面詢(xún)問(wèn)機(jī)對(duì)監(jiān)視空域內(nèi)的飛機(jī)發(fā)出C模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)，機(jī)載應(yīng)答機(jī)接收到C模式詢(xún)問(wèn)信號(hào)后將飛機(jī)上氣壓高度表測(cè)量的氣壓高度數(shù)據(jù)編碼，形成C模式應(yīng)答編碼信號(hào)發(fā)回地面詢(xún)問(wèn)機(jī)，地面詢(xún)問(wèn)機(jī)接收并處理應(yīng)答編碼信號(hào)，從而獲取飛機(jī)的氣壓高度數(shù)據(jù)。

圖4 二次監(jiān)視雷達(dá)C模式工作原理示意圖

為獲取飛機(jī)相對(duì)雷達(dá)的仰角數(shù)據(jù)，二次監(jiān)視雷達(dá)工作時(shí)開(kāi)啟C模式詢(xún)問(wèn)，以獲得飛機(jī)相對(duì)雷達(dá)高度，同時(shí)依據(jù)發(fā)出的詢(xún)問(wèn)信號(hào)與收到的應(yīng)答信號(hào)之間的時(shí)延進(jìn)行計(jì)算獲取飛機(jī)的斜距，目標(biāo)仰角測(cè)量公式為

(3)

其中：θ為飛機(jī)相對(duì)雷達(dá)的仰角(單位：°)；H為飛機(jī)相對(duì)雷達(dá)高度(單位：m)；R為飛機(jī)到雷達(dá)之間的斜距(單位：m)。

3)天線波束指向修正

計(jì)算目標(biāo)方位角時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的仰角數(shù)據(jù)和當(dāng)前波位讀取設(shè)備存儲(chǔ)的天線波束指向數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的天線波束指向代入公式(1)從而得到準(zhǔn)確的目標(biāo)方位角。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證修正方法的有效性，開(kāi)展二次監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)試試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如圖5所示，相控陣天線架設(shè)在轉(zhuǎn)臺(tái)上，機(jī)載應(yīng)答機(jī)模擬器架設(shè)在高塔上，通過(guò)調(diào)整模擬器在高塔上的位置設(shè)置相對(duì)于相控陣天線的仰角，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整相控陣天線相對(duì)模擬器的掃描角度。

圖5 驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)中分別設(shè)置相對(duì)仰角+15°、+20°和+25°，以4°為間隔，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整相控陣天線掃描角度。測(cè)角誤差如圖6～8所示，修正前(采用0°天線方向圖數(shù)據(jù))測(cè)角誤差隨仰角增大和天線掃描角度增大而逐漸變大，當(dāng)仰角為+25°、天線掃描角度為±45°時(shí)，測(cè)角誤差達(dá)到5°左右。經(jīng)修正后，測(cè)角誤差在0.5°以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了修正方法的有效性。

圖6 +15°仰角試驗(yàn)測(cè)角誤差

圖7 +20°仰角試驗(yàn)測(cè)角誤差

圖8 +25°仰角試驗(yàn)測(cè)角誤差

為進(jìn)一步驗(yàn)證，開(kāi)展對(duì)空中民航飛機(jī)的測(cè)角試驗(yàn)。利用民航飛機(jī)的ADS-B OUT能力，在二次監(jiān)視雷達(dá)站點(diǎn)部署ADS-B IN設(shè)備實(shí)時(shí)接收空域內(nèi)民航飛機(jī)的經(jīng)緯度、高度信息，并轉(zhuǎn)換成相對(duì)于二次監(jiān)視雷達(dá)的方位信息[4]。提取二次監(jiān)視雷達(dá)、ADS-B IN設(shè)備的記錄數(shù)據(jù)，以ADS-B測(cè)量值為方位真值，計(jì)算二次監(jiān)視雷達(dá)探測(cè)飛機(jī)的測(cè)角精度。試驗(yàn)中民航飛機(jī)測(cè)角精度見(jiàn)表1，從表1可看出，二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)的測(cè)角精度小于0.5°，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

表1 民航飛機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)情況

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展和二次監(jiān)視雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，很多平臺(tái)開(kāi)始運(yùn)用相控陣技術(shù)，一維相控陣天線在俯仰面上的固有特性會(huì)影響二次監(jiān)視雷達(dá)在高仰角上的測(cè)角精度。本文分析了二次監(jiān)視雷達(dá)的測(cè)角原理、一維相控陣天線波束傾斜現(xiàn)象，提出了一種一維相控陣二次監(jiān)視雷達(dá)高仰角目標(biāo)測(cè)角誤差修正方法。該方法在真實(shí)環(huán)境下測(cè)量天線不同仰角真實(shí)的天線方向圖，利用二次監(jiān)視雷達(dá)C模式獲得飛機(jī)相對(duì)雷達(dá)仰角，能實(shí)時(shí)自動(dòng)地對(duì)高仰角目標(biāo)的天線波束指向進(jìn)行修正，降低了高仰角目標(biāo)的測(cè)角誤差，進(jìn)一步提高了二次監(jiān)視雷達(dá)的測(cè)角精度。該方法已成功應(yīng)用于多個(gè)工程項(xiàng)目，效果顯著。