基于阵列天线测量装备的标校方法研究

2012-01-14郭万禄

无线电工程 2012年9期

郭万禄

(中国人民解放军92941部队，辽宁葫芦岛125000)

0 引言

测量装备经过一段时间的存放、使用，需要对其性能特别是精度指标进行检测标校［1］。测量装备标校主要是测量修正装备的静态、动态精度，常用的光学测量、无线电测量装备常采用原理近似的标校方法，当装备安装在移动平台上时还需要安装捷联惯导装置校正测量装备的姿态偏差，对于采用阵列天线的无线电测量装备，由于其标校的主要内容是阵列天线构成的装备测量坐标系与其他不同坐标系之间的转换关系，与其他测量装备标校方法存在较大差别，需要对其标校方法进行认真研究和试验验证。下面将对此进行研究分析，并给出试验的静态和动态测量精度。

1 测量装备标校方法

通常在规定的条件下，利用专用标准设备对测量装备某些参数进行检定的过程称为标定;利用标定的数据修正测控装备参数，以提高测量精度的过程称为校正。上述工作也统称为测控装备精度标校。测量装备的体制、原理不同，其标校方法也不尽相同。一般的雷达装备标校就是对雷达自身的基准和标准进行测定和调整，通过建立一套标校方法，使雷达系统能达到规定的精度要求。根据标准要求，一般雷达装备标校的主要项目有:大盘水平;方位零值、仰角零值;光机轴匹配;光电轴匹配;距离零值等标校。对不同的标校项目采用不同的标校方法，首先要建立标定雷达自身精度的基准(基座)，其次是在一定距离上建立一个校准和标定基准面的标校设备(即标校塔装置)，并通过辅助的仪器可实现对大地、方位/俯仰轴正交度、基准轴系的校准与调整，最终使标定精度能满足雷达系统测量精度要求［2，3］。

1.1 大盘水平度的标定

大盘水平度的标定步骤如下:

①在天线座方位转台上放置合像水平仪，固定天线俯仰角，转动天线方位角，每隔15°分别记录一次方位轴角编码器和合像水平仪的数据Ai、Xi，直到天线旋转一周;

②利用最小二乘法对测量点数据进行处理，从测量点中找出大盘水平最大倾斜方位Am和最大倾斜量δm。

1.2 方位零值、俯仰零值标定

方位零值、仰角零值步骤如下:

①选用方位标按顺序编号，并记录各方位标的方位、俯仰大地测量值分别为 A1，A2，……，An，E1，E2，……，En。

②转动雷达天线，使天线上的望远镜十字刻度线与1号方位标上的十字标对准，分别读取方位、俯仰角轴角编码器上的数据A'i，E'i。

③重复上述动作，直到n号方位标。

④计算公式:A˙n=A'i-1 000X/Ri，E˙n=E'i-1 000Y/Ri。

式中，A'i，E'i为望远镜观测i号方位标时的轴角编码器的输出值;A˙n，E˙n为经视差修正后i号方位标的雷达观测值;Ri为i号方位标至雷达坐标原点的距离;X，Y为望远镜光轴到天线机械轴的水平和垂直距离。

⑤计算差值:ΔAi=Ai-A˙n，ΔEi=Ei-E˙n。

⑥ 求出雷达的方位、仰角零值:A0=

⑦重复上述步骤，多次测量，提高方位、俯仰角零值的精度。

1.3 光机轴匹配度标定

方位上的光机轴偏差标定步骤如下:

①选取一方位标，其十字标板的中心应设置在对应雷达天线仰角为零时的位置;

②手摇天线，使望远镜对准十字标，将望远镜倒插;

③ 手摇天线，仰角翻转180°。微动天线仰角和方位，使望远镜上的十字刻度线的垂线与方位标的中心垂线重合，锁定方位;

⑤从望远镜中读出望远镜十字刻度线的垂线与方位标中心垂线的偏差a;

⑥求出方位上的光机轴偏差:ΔAGJ=a/2。俯仰上的光机轴偏差已在大盘水平和仰角零值中反映，不再单独标定。

1.4 光电轴匹配度标定

光电轴匹配度标定步骤如下:

①除发射机外，雷达各分系统和信号源均处于工作状态;

②对方位上的光电轴偏差，先将天线仰角电轴归零，望远镜上的十字刻度线在方位上对准校准塔上的井字标板的左下角十字标;

③天线在方位上跟踪校准塔发射的信号源信号，锁定天线，并在望远镜中读取偏差值ΔAL1重复跟踪n(n≥5)次，分别取值至ΔALi;

④计算井字标左下角测量的光电轴偏差，即方位上的光电轴偏差:仰角上的光电轴偏差标定与上述步骤类似，略。

1.5 距离零值标定

距离零值标定步骤如下:

胜利油田定向井公司1991年从美国Sperry-Sun公司引进正脉冲定向MWD随钻测量仪器（简称DWD），1999年又从该公司引进了随钻地质评价仪器FEWD成套设备，测量参数包括定向参数、自然伽马、电磁波电阻率、中子孔隙度、地层密度及井下钻具振动量。目前，定向井公司的DWD共有Super slim、350、650和1200四类，其中350、650及1200系统又各有新、旧两种。

①雷达全机工作，手动天线，对准距离标，距离转为自动跟踪;

②当雷达天线第一次对准距离标时，取值R01，天线反复n(n≥5)次对准距离标，分别取值到R0n;

③求其算术平均值R'0;

④计算雷达的距离零值:R0=R1-R'0。其中，R0为雷达的距离零值;R1为距离标的大地测量值。

2 测量装备阵列天线布设结构

装备靶载测量雷达有1路发射天线、8路接收天线和4个GPS天线航向测姿共同构成测量装备天线阵，其靶载测量装备天线布设结构俯视如图1所示。图中双GPS四个天线构成航向姿态测量系统，8路接收天线中心构成装备测量坐标系统的中心［4-6］。

图1 测量装备阵列天线布设结构俯视图

装备通过2个独立的单基线GPS测姿系统分别测量得到2个基线在空间中的航向角和纵摇角。根据GPS航向测姿固联坐标系的定义，由GPS天线主1和GPS天线从1构成测姿系统的输出即为GPS航向测姿系统输出的航向角和纵摇角，利用GPS天线主2和GPS天线从2构成的系统输出值计算出横摇角。其中，GPS天线主1和GPS天线主2可以提供定位信号。

3 系统标校方法

3.1 系统标校方法

对于采用多天线GPS测姿系统与阵列天线雷达测量装备，装备无伺服系统和无惯导装置，标校的目的主要是获得该装备测量坐标系与GPS测姿系统固联坐标系之间的转换关系［7，8］，对航向姿态的测量精度进行检测。

系统标校步骤如下:

①装备测量坐标系下，8路接收天线的坐标(xTi，yTi，zTi)(i=1，2，…，8)是已知的，如果在全站仪标校坐标系下，分别测出8路接收天线的坐标(xBi，yBi，zBi)(i=1，2，…，8)，利用这些数据，采用最小二乘法求解，得到全站仪标校坐标系与测量坐标系之间的欧拉角(αB，βB，γB)，从而得到装备测量坐标系和全站仪标校坐标系2个坐标系之间的转换关系;

②在全站仪标校坐标系下，可以测量获得4个GPS天线在全站仪标校坐标系下的坐标根据 GPS 测姿固联坐标系的定义，可以得到各GPS天线在GPS测姿固联坐标系下的坐标值3，4)，利用这些数据，求解就可得到GPS测姿固联坐标系与全站仪标校坐标系的转换关系矩阵TB-G与bB-G;

③综合步骤①和步骤②，即可得到测量坐标系与GPS测姿固联坐标系的关系为:

3.2 标校实施过程及结果

3.2.1 航向姿态测量精度静态检测方法及结果

装备航向姿态测量装置GPS主1天线与主2天线连线与装备架设点指向3个方位标分别进行测量，GPS航向测量装置与设定的方位标测量结果进行比较，从而得到其航向测量精度。图2为一组GPS1、GPS2航向测量结果图，GPS1:航向均方根误差0.48°，俯仰均方根误差1.40°;GPS2:航向均方根误差0.35°，俯仰均方根误差1.06°。

3.2.2 航向姿态测量精度动态检测方法及结果

将靶载设备安装在运动载体上，采用过渡平台安装，试验时，同时记录该装备航向姿态测量的结果和运动载体上已有的姿态精确测量系统的测量结果［7，8］，记录时间不少于 1 h。试验结束后，将装备测量结果与运动载1体上姿态精确测量系统测量的航向姿态真值进行比对，计算得出姿态测量精度，航向、纵摇、横摇总均方根误差分别为:0.751 1°、1.023 8°和1.257 9°，如图3 所示。