浮空雷达高精度探测分析

朱 勇, 郭法滨

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,安徽 合肥 230088)



浮空雷达高精度探测分析

朱 勇, 郭法滨

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室,安徽 合肥 230088)

浮空雷达探测精度主要受平台姿态变化引起的定位误差和传感器自身的探测误差影响。文章针对2类误差的影响因素进行了分析,提出了采用宽信号发射波形和高精度定位的方法来降低雷达探测误差,结合高精度船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)信息自动校准进行误差补偿,实现浮空雷达高精度探测。工程实测数据分析表明,该方法取得了较好的效果。

浮空雷达;高精度探测;误差校准;船舶自动识别系统(AIS)

0 引 言

浮空雷达系统是以飞艇、系留气球等浮空器为载体,将雷达天线系统、发射机、接收机升至几百到几万米的空中,使其不受地球曲率、遮蔽物和地面气流的影响,具有较强的低空探测能力,尤其是对超低空飞行的小目标,甚至巡航导弹都具有相当好的探测能力[1-3]。浮空器雷达正以其低空探测能力好、留空时间长、使用效费比高等优点在国土防空探测网络中扮演着越来越重要的角色。

由于浮空平台悬浮在高空,受气流影响,平台始终处于运动状态，航向、姿态等一直变化,导致所搭载雷达的系统误差随之变化,影响了雷达对目标探测的性能[4]。本文针对该实际问题,从浮空雷达目标探测误差分析入手,对减小和校正系统误差、提高浮空雷达探测精度进行了探讨。

1 浮空雷达目标探测误差分析

雷达对目标的探测精度主要受2种类型的误差影响,即随机误差和系统误差[5-8]。随机误差可以通过各种滤波技术进行消除;而系统误差是一种确定性的误差,无法通过滤波方法去除,本文主要针对浮空雷达的系统误差进行分析。

浮空雷达的系统误差主要包括:① 雷达测量系统误差,主要是雷达本身因技术体制局限、设计缺陷、器件老化等引起的测量偏差,主要包括测距偏差、测向偏差等;② 浮空平台定位误差,主要是由平台导航系统的偏差引起的,包括对平台的位置、姿态(俯仰、横滚、航向)等的测量偏差。

1.1 雷达测量系统误差

(1)

其中,r、θ、ε分别为雷达对目标距离、方位、仰角的测量值;rt、θt、εt为相应的真值;Δr、Δθ、Δε分别为雷达对目标距离、方位、仰角的测量误差。传感器测量误差可以表示为偏差常量加上随机噪声,因此传感器的距离、方位角和仰角的测量误差可以分别表示为:

(2)

其中,Δrb、Δθb、Δεb分别为相应的高斯白噪声;Δrn、Δθn、Δεn分别为相应的测量偏差。

雷达测量得到的距离、方位和俯仰三维坐标转换到地理坐标系的关系如下：

(3)

在误差较小的情况下,对传感器测量误差进行一阶泰勒展开,即

G(r-Δr,θ-Δθ,ε-Δε)=

(4)

其中

1.2 浮空平台定位误差

近年来，中央及各地政府机构加大财政投入，加强资源整合，在农村地区开展卫生治理、村庄环境建设、道路修建等一系列基础建设工作，使得乡村呈现出天蓝、水绿、村民安居乐业的美好景象。

平台地理坐标系转换为地心地固(earth centered earth fixed,ECEF)直角坐标系,结果如下:

(5)

其中,B、L、H分别为经度、纬度、高度;C的表达式为:

(6)

其中，Eq为地球祁有球的长半轴；e为第一偏心率。

平台定位偏差较小时,在地理坐标系下,对传感器平台偏差进行泰勒一阶展开分析,即

F(B-ΔB,L-ΔL,H-ΔH)≈

(7)

其中

JF=

(8)

则有

(9)

假设Δz=0,目标位置为x、y,则平台定位误差引起的测距偏差为:

-Δxsinθ-Δycosθ

(10)

平台定位误差引起的测向偏差为:

(11)

2 误差校准

雷达系统存在的随机误差和系统误差,使雷达探测到的目标位置偏离了目标的真实位置。因此，必须对雷达系统偏差进行实时在线估计,并对航迹数据进行误差补偿,即系统误差校准。如果存在目标高精度定位数据,那么可以借助同一个目标的高精度定位值和雷达带有误差的探测值来估计雷达的系统偏差。

(12)

(13)

E(ΔRs)=E(ΔRs)=ΔRs;

E(Δθs)=E(Δθs)=Δθs

(14)

当点数足够多时,有

E(ΔRs)=ΔRs,

E(Δθs)=Δθs

(15)

当样本数足够多时,雷达测量值与目标的高精度值之差的样本均值趋于雷达的系统偏差。

3 高精度测量

由上文分析可知,雷达测量系统误差主要是由雷达本身引起的,提高雷达本身性能(如减少距离分辨单元内的杂波、提高信杂比)，采用更高的带宽信号发射波形,减小距离分辨单元以提高距离分辨和测距精度,都能减小雷达系统自身的测量误差,实现浮空雷达目标检测距离精度的提高。测量误差为：

(16)

不同的带宽发射波形影响如图1所示。其中，图1a瞬时工作带宽为2.5 MHz，图1b瞬时工作带宽为10 MHz。由图1可知，瞬时工作带宽提升4倍，则杂波等效面积降低至原来的1/4。

浮空平台定位误差主要受平台定位精度影响,可以设计采用高精度定位测量设备有效降低浮空平台定位误差，以提高浮空雷达对目标检测的精度。

浮空雷达装配的高精度设备如船舶自动识别系统(automotic identification system,AIS)等可以接收海面目标包括经度、纬度、高度等信息。由于AIS信息中船舶位置精度可达米级[9],将其位置信息坐标转换,转化为浮空雷达坐标系下的位置，包括距离、方位、高度等信息与雷达探测的目标位置信息进行融合校准。利用AIS融合功能,根据基于多因素量化匹配的海面目标AIS点迹与雷达航迹融合相关算法,将AIS位置信息与一次雷达海面目标航迹进行配对,综合多批多帧数据后统计和计算雷达的系统误差和标准差,实时自动校正一次雷达系统误差,提高测量精度。

图1 不同带宽发射波形影响

将上述方法应用于某型雷达,通过实测数据分析得到的结果如图2所示。

从图2可以看出，应用本文方法后，浮空雷达的探测精度得到了提升，将雷达探测获取的距离和方位值与高精度差分GPS获取的目标距离和方位真值进行比较发现，两值基本吻合；计算距离和方位测量误差可以得到，距离探测误差降至25.5 m，方位测量误差降至0.192°。

图2 某浮空雷达实测距离误差和实测方位误差

4 结 论

由于浮空平台受气流影响,其航向、姿态等一直变化,导致所搭载雷达的系统误差随之变化,影响了雷达目标的探测性能。本文对影响浮空雷达探测精度的系统误差和平台误差进行了分析,提出了一种减小系统误差和误差自动校准的方法,并在某型雷达上成功应用。测量结果表明,该方法有效地提高了浮空雷达的探测精度。

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[3] 卢斌,王斌,吴兆彬,等.美军JLENS系统研制现状综述[J].飞航导弹,2013(5):50-54.

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[5] 何友,修建娟,张晶炜,等.雷达数据处理及应用[M].北京:电子工业出版社,2006:215-223.

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[7] HALL D L,LLINAS J.Handbook of multisensor data fusion [M].The Electrical Engineering and Applied Signal Processing Series.Boca Raton，Florida:CRC Press，2001：102-128.

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(责任编辑 胡亚敏)

Analysis of high precision detection for aerostat-borne radar

ZHU Yong, GUO Fabin

(Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, No.38 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Hefei 230088, China)

The detection performance of the aerostat-borne radar suffers from the aerostat platform positioning biases and sensor’s detecting biases. The effect of these two kinds of biases is analyzed and the high precision detection method is presented. The technique adopts the transmit waveform of the wideband signals and employs the high precision location to reduce the error of radar detection, where the automatic identification system(AIS) automatic calibration is used for error compensation. The results of processing engineering application measurement data show that this method is effective.

aerostat-borne radar; high precision detection; error compensation; automatic identification system(AIS)

2017-01-15；

2017-02-28

朱 勇(1975-),男,安徽潜山人,中国电子科技集团第三十八研究所高级工程师; 郭法滨(1979-),男,山东泰安人,博士,中国电子科技集团第三十八研究所高级工程师,通讯作者，E-mail:guofabin@163.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.014

TN959.73

A

1003-5060(2017)07-0930-04