消除水平度误差对雷达俯仰角精度影响的方法研究

吕红娟 郝坤鹏 陈明哲 姬淑娟

(1.西安昆仑工业(集团)有限责任公司 西安 710043；2.西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

影响武器系统射击精度的误差源按类型可分为：武器系统误差、人员误差、条件误差，其中武器系统误差包括：制造误差、原理误差、调整校正误差和工作误差。为实现武器系统对来袭目标的有效毁伤，研制过程中对远离误差按照系统精度指标分解至各单机设备，对关键设备跟踪雷达的角度、速度、距离的测量精度均有明确的指标要求。在样机试制时通常通过系统检飞试验，检查跟踪雷达各项测量精度(即雷达跟踪精度)是否满足指标要求。

某车载火炮武器系统集探测、跟踪、火控解算、火力打击及作战/运载平台于一体，可独立完成低空近程防空反导的作战任务。本文针对该车载火炮武器系统在某次检飞试验中两个架次的跟踪精度评定中出现的“跟踪雷达俯仰测角精度超差”问题，进行了深入排查及原因分析，将问题原因定位为：在系统方位运转时，雷达俯仰零位与绝对水平度间误差超差。雷达俯仰零位与绝对水平间的误差属于制造误差范畴，在系统方位运转时对雷达俯仰测角精度的影响无法消除，因此本文提出了精度评定时在雷达俯仰角度值中引入一种修正方法，以尽可能减小该误差对雷达俯仰角测量精度评定的影响。

1 系统结构布局及工作原理

该车载火炮武器系统集探测、跟踪、火控解算、火力打击及作战/运载平台于一体，主要组成包括：雷达、火炮、火控计算机及拖车底盘等设备。雷达集成光电系统，两者采用共伺服系统的方式。系统总体结构布局示意见图1所示。

图1 某车载火炮武器系统总体结构布局示意图

系统作战时，雷达完成对目标的探测、跟踪，提供目标航迹数据及实时高精度的目标现在点坐标信息；火控计算机对现在点坐标信息进行坐标转化完成射击诸元解算，并控制火炮随动运转指向未来点，雷达伺服在火炮随动运转基础上进行复合运动。作战平台水平度由拖车底盘上的调平装置保证。

当调平装置传感器采集的车体水平面(火炮安装面)向、向不大于2′时，即可认为雷达安装面水平度满足水平度要求，此种状态下，进行雷达俯仰零位与绝对水平的标定。标定完成，在系统方位运转工况下，车体调平水平度、火炮回转面水平度及雷达回转面水平度叠加后引起雷达俯仰零位与绝对水平间的误差依然存在且动态变化。设计时在雷达天线座内安装了一个水平度传感器用于对其回转平面水平度进行测量。

2 雷达跟踪精度评定基本方法

雷达跟踪精度是指雷达跟踪目标时，测量值与目标真值之差的统计值。通常样机装调完成后通过检飞试验检查雷达各项跟踪精度的满足情况，从评定角度出发，把雷达测量值与真值的一次差作为测量系统误差；把各种情况产生的雷达误差取均方根值，作为测量随机误差。试验时选取合适的目标机按照系统作战典型航路进行等速直线飞行(获取飞行过程中位置数据作为真值)，系统跟飞过程中对各设备间交互数据进行录取，事后对雷达测量数据及真值数据进行处理获取雷达测量精度。

3 雷达俯仰角系统精度超差原因分析

3.1 问题概述

检飞试验两个架次该车载火炮武器系统进行处于同一位置，两个架次目标航向一致。且每个架次试验前进行车体调平，确保水平度满足向、向均不大于2′。统计两个架次6个进入雷达俯仰角精度结果见表1所示。

表1 某次检飞雷达俯仰角精度结果

从表1中看出：两个架次6个进入航次传感器(跟踪雷达、电视/红外)俯仰角系统误差均在-1.5 mrad左右，超出了不大于0.8 mrad的指标要求；6个进入航次传感器(跟踪雷达、电视/红外)俯仰角随机误差均满足指标要求。

3.2 问题排查及原因分析

根据雷达工作原理可知，影响跟踪雷达测角、测距精度的因素很多。主要有:

1)目标误差类：包括目标闪烁、动态滞后误差；

2)雷达误差类：包括接收机噪声、相移误差、幅度不一致误差、耦合误差、零飘误差、发射脉冲前沿抖动、伺服噪声等；

3)转换误差类：包括量化误差、标定误差等；

4)传播误差：包括多路径误差、杂波剩余误差等。

根据第一章描述该火炮系统的系统结构布局及工作原理，综合分析认为本次引起雷达俯仰测角精度系统误差超差的原因可能为以下3个方面：

1)传感器跟踪角误差；

2)雷达光电轴轴系不一致；

3)雷达俯仰零位与绝对水平间的误差。

3.2.1 传感器跟踪角误差

传感器跟踪误差即目标偏离电轴、光轴的误差。雷达稳定跟踪时视频画面见图2所示。

图2 雷达稳定跟踪的视频画面

从图2画面上可看出：雷达稳定跟踪时视频画面上目标始终处于十字线中线，俯仰上未存在明显偏差，因此认为此项不是引起俯仰角系统误差超差的原因。

3.2.2 轴系不一致误差

1)从表1各航次的精度结果可以看出：雷达俯仰角系统误差均在负向1.5 mrad±0.1 mrad，误差的一致性非常好；

2)从雷达和电视/红外跟踪精度结果对比可以看出：跟踪雷达电轴、电视光轴和红外光轴的一致性非常好，各轴之间误差小于0.1 mrad。

因此认为此项不是引起俯仰角系统误差超差的原因。

3.2.3 雷达俯仰零位与绝对水平零位间的误差

首先进行车体调平，确保车体水平度满足向、向不大于2′,检查跟踪雷达俯仰零位与绝对水平间的误差。

3.2.3.1 采用经纬仪与雷达对瞄的方法检查跟踪雷达俯仰零位与绝对水平间的误差，并分析误差规律。

具体方法为：

1)根据系统工作状态，跟踪目标时，火炮和跟踪雷达指向一致，按照检飞航线方位角变化区间(在从目标进入方位角到航捷点方位角)选取火炮七个典型位置；

2)将经纬仪架设在距离火炮大于100 m远的地方并调平，将火炮指向调整为0 mil、500 mil、1000 mil、1500 mil、2000 mil、2500 mil、3000 mil七个典型位置上，用经纬仪与跟踪雷达互瞄，读取跟踪雷达俯仰架位及经纬仪水平度值；

3)将雷达俯仰架位与经纬仪读数取反后做差求取跟踪雷达俯仰零位与绝对水平的误差。测试数据及误差计算结果见表2所示。

表2 经纬仪与雷达对瞄计算误差结果

从表2测试数据可看出：在火炮指向0 mil时跟踪雷达俯仰零位与绝对水平的误差最大，为-1.6 mil，且误差大小及方向均与表1中6个架次的俯仰角系统误差大小及方向相吻合。

3.2.3.2 读取跟踪雷达天线座内的水平度传感器数据，计算跟踪雷达俯仰零位与绝对水平间的误差，并分析误差规律。

具体方法为：

1)分别将火炮指向为0 mil、500 mil、1000 mil、1500 mil、2000 mil、2500 mil、3000 mil七个典型位置，读取雷达天线与火炮同向(0 mil)、雷达天线与火炮反向(3000 mil)两个位置时天线座内的水平度传感器数据；

2)计算雷达回转平面水平度值，测试数据及误差计算结果见表3所示。

表3 水平度传感器数据计算误差结果

从表3中测试数据可看出：水平度传感器数据计算的雷达俯仰零位与绝对水平误差与表2中雷达与经纬仪对瞄计算的误差数值基本一致，误差方向一致。

两组试验方法误差对比见图3所示。

图3 两组试验计算误差对比

从表1、表2测试数据及图3误差曲线可以看出：雷达俯仰零位与绝对水平的误差随火炮指向不同而不同，在车载火炮武器系统作战过程时，火炮及雷达处于方位随动运转状态下，该误差亦为动态变化的。

3.3 解决措施及验证

3.3.1 解决措施

为了消除车载火炮武器系统作战过程火炮及雷达随动运转工况下，动态变化的雷达俯仰零位与绝对水平间误差对雷达俯仰角测量精度的影响，将天线座内水平传感器发送的向、向水平度数据，修正至目标空间位置量(、、)上。

3.3.2 仿真验证

对表1中6个航次的雷达测量数据及传感器的水平度数据进行数据处理，重新进行精度评定，验证补偿方法的可行性。

具体方法为：

1)按照检飞试验时火炮架位运转范围，静态测量火炮方位指向0 mil和1500 mil时雷达俯仰零位与绝对水平零位的误差。

2)火炮指向0 mil，分别读取跟踪雷达在火炮0 mil及3000 mil两种状态下的水平传感器的数值，两值相减除以2，即为火炮0 mil时跟踪雷达相对大地的水平度；火炮指向1500 mil，分别读取跟踪雷达在火炮1500 mil及4500 mil两种状态下的水平传感器的数值，两值相减除以2，即为火炮90°时跟雷达相对大地的水平度。

3)数据处理：按照公式(×cos方位角+×sin方位角)计算对应方位角度下的误差值，并将该误差值修正在雷达俯仰角测量值上。

4)重新进行精度评定，评定结果见表4所示。

表4 误差修正后俯仰角精度

各航次修正前、后误差曲线对比见图4至图7所示。

图4 1-1航次修正前后俯仰误差曲线对比

图5 1-2航次修正前后俯仰误差曲线对比

图6 2-1航次修正前后俯仰误差曲线对比

图7 2-2航次修正前后俯仰误差曲线对比

从表4、图4至图7可以看出：用水平传感器数据对雷达俯仰角测量值进行补偿后，跟踪雷达俯仰角系统误差及随机误差均不大于0.8 mil,满足指标要求。

3.3.3 检飞验证

后续检飞试验中，进行跟踪雷达测量精度评定，俯仰角精度未再出现超差现象。

4 结束语

通过采用前期检飞数据进行的仿真验证及后续检飞试验结果表明：

在进行雷达跟踪精度评定时，通过将安装在雷达天线座内的水平度传感器采集到的雷达回转平面向、向水平度数据修正至雷达输出的目标空间位置量(、、)上，以减小雷达俯仰零位与绝对水平误差对雷达俯仰角测量精度影响的方法是可行的。

该修正方法对其他雷达精度评定、误差分析、设计有一定的借鉴作用。