舰载雷达精度试验误差源分析及真值数据处理方法研究*

彭晓刚　李景岩

(91404部队　秦皇岛　066000)



舰载雷达精度试验误差源分析及真值数据处理方法研究*

彭晓刚李景岩

(91404部队秦皇岛066000)

摘要舰载雷达测量精度较高,是探测和跟踪目标的主要装备。雷达精度指标的好坏,关系试验结果的可靠性。试验中,考核雷达探测指标精度是一项重要科目,探索雷达探测相关参数数据处理方法,对舰船试验具有重要意义。论文立足舰船试验,分析了舰载雷达精度试验中的影响结果评判的误差来源,研究了适合试验的真值数据处理方法。研究结果在实践中得到了验证,证明方法可行。

关键词舰载雷达; 精度试验; 误差源; 真值处理

Class NumberTN959

1引言

舰载雷达具有较高的测量精度,是探测运动目标距离、方位、速度等参数并进行跟踪的主要装备,是保证舰船充分发挥作战效能、关系武器命中概率的关键性环节[1～3]。

雷达精度指标的好坏,直接关系到武器系统试验结果的可靠性。探测指标的精度试验是其他装设备试验的基础。舰船试验中,考核雷达探测指标精度是一项重要科目,探索雷达探测相关参数真值数据处理方法,对舰船试验具有重要意义。本文将立足实际试验环境,分析舰载雷达精度试验中的影响结果评判的误差来源,研究适合舰船试验的真值数据处理方法。

2相关坐标系

2.1舰船载体坐标系和雷达探测坐标系

舰船载体坐标系O-XYZBFS的原点O为舰船数据归算中心;YBFS轴位于舰船零位基准面,指向舰艏方向;XBFS轴位于舰船零位基准面,垂直于YBFS轴,指向舰船右舷;ZBFS轴与XBFS轴和YBFS轴构成右手直角坐标系。在该坐标系中,只要测量出各个装备相对于归算中心的参数,就能确定其位置关系。

舰载雷达探测的坐标系O-XYZR是以舰船平台为基础的站心直角坐标系。原点为雷达回转中心;YR轴平行于舰船零位基准面,指向舰艏方向;XR轴平行于零位基准面,垂直于YR轴,指向舰船右舷;ZR轴与XR轴和YR轴构成右手直角坐标系。

雷达的回转中心在载体坐标系O-XYZBFS中的位置参数在雷达装舰时就固定,可以通过定期标定测出,雷达探测解算时把安装参数作为已知值[1～8]。由坐标关系有:

(1)

2.2探测坐标系与当地水平面坐标系

(2)

由雷达探测坐标系与舰船载体坐标系关系,可以得到目标在舰船载体坐标系下的坐标:

(3)

由载体坐标系与当地水平面坐标关系,可以得到目标在当地水平面坐标系中的坐标:

(4)

(5)

(6)

3误差源分析及处理方法研究

由上述分析得知,式(6)计算的雷达探测数据中,既包含雷达自身探测误差,同时又包含了舰载导航设备姿态误差、雷达在舰船载体坐标系中起算点误差。为了考核雷达本身精度,需要剔除导航误差和雷达起算坐标误差[2～6]。

3.1雷达探测系统误差消除方法设计

舰船海上试验时,能够直接获取的雷达探测值为舰船当地水平面坐标系中的距离方位等(SLLS,ALLS,ELLLS)。由于舰船当地水平坐标系是通过舰船导航参数转换得到,其中包含了导航设备姿态误差,为了与真实的当地水平面坐标系区分,本文称之为“伪当地水平面”坐标系,以符号“pLLS”表示。为了检验雷达探测精度,需要得到雷达探测目标在真实水平面坐标系中的数据,为此需要把pLLS中数据转换到LLS坐标系中[4～8]。设计具体转换流程设计如图1(a)所示。

根据式(2)～式(6),得到雷达探测目标LLS计算值为

(7)

(8)

试验时,通过GPS测量雷达位置、运动参数以及目标运动、位置参数,通过空间坐标转换、直角坐标极坐标转换,就可以得到雷达探测真值,如图1(b)所示。得到雷达探真值和实测值,通过雷达数据处理,就能够判断雷达探测精度,分析装备性能,判定其指标是否满足设计需求[6]。

3.2雷达安装参数偏差标定研究

精度试验中,雷达安装参数测定直接影响结果数据。根据定义,要求三轴指向与舰船平台坐标系平行,雷达在实际安装中不可能做到完全安装一致。另外,由于使用过程中,雷达基座、支架和转台等发生磨损变形,造成雷达探测坐标系将发生偏差[5～10]。假设O-XYZ为理论探测坐标系,O-X′Y′Z′为实际坐标系。参照姿态参数定义,假设由坐标系O-X′Y′Z′转换到O-XYZ的三轴旋转参数为(α,β,γ),因此有:

XO-XYZ=R213(α,β,γ)XO-X′Y′Z′

(9)

得到雷达探测坐标系偏差R213(α,β,γ)后,式(7)应改写为

(10)

写成标准形式为

(11)

令:

(12)

得到

b=R213(α,β,γ)u

(13)

bi=R213(α,β,γ)uii=1,2,…,n

(14)

由上面得协因数阵Σui和Σbi。因此式(14)中,bi和ui为观测值,未知数为(α,β,γ)。式(14)基于初始值(α0,β0,γ0)对(α,β,γ)的线性化方程为

(15)

平差得到三个旋转角改正数(δα,δβ,δγ)的最小二乘解为

(16)

因而得到三轴旋转参数的估计值和改正数的协方差矩阵:

(17)

(18)

式(17)中未知数的初始值可以通过姿态解算方法的直接算法计算得到。其初始值通常比较精确,因此最小二乘估计只需几次迭代即可。

4验证

结合XX船设计鉴定试验进行了某雷达精度指标试验项目,进行数据处理方法验证,如图2所示。(由于某些限制,在此只给某段出曲线走势,不给出具体数值)。

图2　数据处理验证示意图

5结语

本文结合舰船试验,分析了舰载雷达精度试验中的影响结果评判的误差来源,研究了适合舰船试验的数据处理方法,推导了相关计算模型。研究的结果在试验中得到验证使用,证明了方法的可靠性和可行性。

参 考 文 献

[1] 吕遐东,李蕾,李维林,等.舰艇作战系统雷达统一对准模型及其误差分析[J].中国舰船研究,2009,4(6):53-57.

LÜ Xiadong, LI Lei, LI Weilin, et al. A Unified Radar Alignment Model with Error Analysis for Shipboard Combat System[J]. Chinese Journal of Ship Research,2009,4(6):53-57.

[2] 吴小强,窦林涛,初阳,等.舰艇姿态对雷达测量误差的影响分析[J].指挥控制与仿真,2011,33(6):102-105.

WU Xiaoqiang, DOU Lintao, CHU Yang, et al. Analysis of Effects on Radar Measurement Errors Due to Ship Attitude[J]. Command Control & Simulation,2011,33(6):102-105.

[3] 胡波,梁星霞,练学辉.雷达系统误差的测量和修正方法[J].雷达与对抗,2005,(12):12-15.

HU Bo, LIANG Xingxia, LIAN Xuehui. Measurement and correction of radar system error[J]. Radar & ECM,2005,(12):12-15.

[4] 刘玉洲.舰艇摇摆对雷达测向精度及工作方式的影响[J].舰船电子对抗,2002,25(2):18-21.

LIU Yuzhou. The infection of Warship Rocking on Radar Direction-Finding Precision and Operation Modes[J]. Shipboard Electronic Warfare,2002,25(2):18-21.

[5] 李兴民,赵修平,张良.舰载多雷达静态零位统标方法[J].海军航空工程学院学报,2011,26(6):663-666.

LI Xingmin, ZHAO Xiuping, ZHANG Liang. The Method for Carrier-Borne Multi-Radar Static zero Unified Calibration,2011,26(6):663-666.

[6] 彭晓刚.GPS姿态测量及其在海军靶场试验数据处理中的应用研究[D].郑州:解放军信息工程大学,2011.

PENG Xiaogang. Study on GPS Attitude Determination and Its Application in Navy Shooting Ranges’ Experiment Data Processing[D]. Zhengzhou: PLA Information Engineering University,2011.

[7] 衣同胜,胡梦中.舰载测量雷达零值标校方法研究[J].测控遥感与导航定位,2013,43(6):26-29.

YI Tongsheng, HU Mengzhong. Method of Zero Value Calibration for Ship-based Measurement Radar[J]. Radio Engineering,2013,43(6):26-29.

[8] 何小峰,丁军,窦林涛.舰载雷达有源标校方法研究[J].指挥控制与仿真,2010,32(1):92-95.

HE Xiaofeng, DING Jun, DOU Lintao. Shipborne Radar Active Calibration Method[J]. Command Control & Simulation,2010,32(1):92-95.

[9] 刘高峰,刘健.基于GPS定位系统的舰船雷达标校系统研究[J].舰船科学技术,2006,28(6):100-114.

LIU Gaofeng, LIU Jian. Research on shipborne radar calibration system based on GPS positioning system[J]. Ship Science and Technology,2006,28(6):100-114.

[10] 赵馨,王世峰,佟首峰,等.舰载雷达零位标校方法[J].现代防御技术,2009,37(2):119-123.

ZHAO Xin, WANG Shifeng, TONG Shoufeng, et al. Method on Zero Position Calibration of Shipborne Radar[J]. Modern Defence Technology,2009,37(2):119-123.

收稿日期:2016年1月12日,修回日期:2016年2月22日

基金项目:海军试验基地创新科研基金(编号:2015012)资助。

作者简介:彭晓刚,男,博士,高级工程师,研究方向:卫星测量数据处理。李景岩,男,高级工程师,研究方向:卫星测量数据处理。

中图分类号TN959

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.011

Error Sources to Shipboard Radar Accuracy Test and True Data Processing Methods

PENG XiaogangLI Jingyan

(No. 91404 Troops of PLA, Qinhuangdao066000)

AbstractShipboard radars are of high accuracy, and are the main equipments that using to detect target moving parameters and tracks. The test results of accuracy indexes directly affect the system test conclusion. In experiment environment, examining radar detecting accuracy indexes is the important subject. Studying the data processing methods of detect target moving parameter is of important meaning to our examining. Based on ship experiment environment, this article analyses the error sources in accuracy test of shipboard radars that may affect test conclusion, and studies the methods of true data processing. The study results are validated in really shooting ranges’ experiment, and the results are proved viable.

Key Wordsshipboard radar, accuracy test, error sources, true data processing