大型數字相控陣雷達標校方法探究

李 武,查 林

(中國電子科技集團公司第三十八研究所, 合肥230088)

大型數字相控陣雷達標校方法探究

李 武,查 林

(中國電子科技集團公司第三十八研究所, 合肥230088)

對大型數字相控陣雷達采用的常規標校、恒星標校和衛星標校這三種標校方法進行了比較分析，論證了該雷達的標校流程，對采用衛星標校的精度進行了模型建立及仿真分析。

雷達；標校；恒星；衛星；仿真

0 引 言

雷達對目標位置測量的誤差包含系統誤差和隨機誤差兩個部分。隨機誤差可以通過平滑、濾波等數據處理方法予以消除，而系統誤差須通過數值修正得到降低，修正的好壞或者說修正剩余有多少取決于修正的數學模型和修正用的誤差系數精確與否。誤差系數依靠雷達系統標校手段來獲得，誤差系數愈精確，那么修正愈好。雷達的標校包括標定和校準兩部分工作，標定是給出系統誤差系數，校準是采取措施減小或消除系統誤差。實際工作中，這兩部分工作往往是結合在一起進行的，統稱為標校[1]。

常規雷達系統標校主要由標校塔、距離標等實現，但大型數字相控陣雷達天線系統龐大，自身慣性大，同時由于天線超高超大(其天線口徑可達30～50 m)，難以架設相匹配的標校塔和距離標等條件滿足標校要求，因此必須研究先進的標校方法完成對大型數字相控陣雷達的系統誤差標校。

1 標校方法分析

目前，雷達采用的標校方法主要有常規標校、恒星標校和人造地球衛星標校三種。

1.1 常規標校

一般使用校準塔、方位標等外部固定基準設備及水平儀、望遠鏡等觀測儀器來標定零值、軸系誤差等系統誤差分量，其優點是穩定性好，但需要建立校準塔，移動性差，且全程需要人工干預，對雷達周圍地貌也有一定要求。

對大型數字陣列相控陣雷達，由于其天線超高超大，難以架設匹配的標校塔和距離標，現以天線口徑30 m的大型數字相控陣雷達為例，具體分析如下：

?雷達從地面到機械軸中心約20 m，按國軍標要求，要在雷達陣地周圍找到符合條件的建設5 ～ 6方位標的地理環境比較困難，而且要建標高20 m左右，抖動又能滿足標校精度要求比較困難；

?利用距離標進行距離零值標定，必須建設高度超過100 m的距離標，同時還要滿足之間無遮擋及精度要求，難度很大；

?依據雷達的天線口徑規模及波束寬度，初步計算要建立標校塔的高度超過140 m，距離雷達約4 km，同時若需利用井子標及喇叭標定光電軸匹配，還需建立相隔約15 m遠的兩個標校塔。綜合考慮陣地地形要求及標校塔建設難度，該標校塔的建設困難較大。

因此，本雷達用常規的標校方法難度大，效率低，并且對陣地地形要求苛刻，高精度標校塔、距離標的設施建設難度較大。

1.2 恒星標校

以恒星天體為基準目標，通過微光電視等光學設備獲取測量數據解算雷達系統誤差。其優點是標定過程人工干預少，但是受天氣因素和空中遮擋影響大，且需要雷達具備微光電視設備支持。

1.3 衛星標校

以運行于空間近地軌道的人造地球衛星為基準目標，通過獲取衛星精密軌道數據標定雷達系統誤差，是目前較為先進的雷達標定技術。美國、俄羅斯等國廣泛采用衛星標定方法標定其測量雷達、導彈預警雷達和空間監視雷達系統。

根據國軍標GJB3153-1998《精密測量雷達標定與校正》文件，目前我國雷達測量誤差標定普遍采用常規標定和恒星標定的方法，一般只標定設備的靜態誤差。這些方法不能充分反映雷達在跟蹤過程中的實際誤差，而且常規標定的校軸方法存在校軸精度差、電軸偏差讀數誤差大和校軸效率低的缺點。

衛星標校技術先進，標定范圍廣，自動化程度高，但必須具備一定的條件才能得到準確可信的標校參數。這些條件主要包括：跟蹤衛星獲取數據時，最好能夠獲取10圈次以上的數據，并確保有效數據在四個象限內的均勻分布，具有一定的冗余；設備狀態穩定良好，主要戰術技術指標滿足要求，雷達時統能夠提供準確的時間信號，雷達測量數據具有清楚的配時過程等。

針對大型數字相控陣雷達天線陣面巨大等技術特點，雷達將不建標校塔、距離標等常規標校設施，因此本雷達的常規標校只對雷達的大盤水平進行標定，為后續的標定方式提供必要的誤差參數，便于對恒星及標校衛星的正確捕獲。

如上分析，對大型數字相控陣雷達擬綜合考慮采用衛星標校為主、恒星標校為輔相結合的方案。同時，為充分體現本雷達的數字化優勢，標校全程采用自動化控制方式實現。

2 標校流程分析

針對本雷達的技術特點，在進行系統誤差標校時，整個雷達工作流程如下：

(1) 接收測量任務

啟動系統標校程序。

(2) 初始標定

首先采用常規標校方式完成對大盤水平的自動化標定，其誤差參數作為初始值代入后續衛星標校參數中。

(3) 衛星標校

衛星標校是雷達系統標校的主要方式，從國際SLR衛星(Satellite Laser Ranging)預選星歷中自動選取已知精密軌道數據的衛星進行跟蹤測量，主要完成雷達系統的動態系統誤差標校，其標定的誤差數據進行雷達的系統誤差修正。

(4) 恒星標校

恒星標校為雷達系統標校的輔助方式，啟動自動化恒星標校模塊，進入恒星標定程序，在滿足氣象、環境及合適的恒星條件下對一組空間均勻分布的恒星(20～30顆)進行全程自動跟蹤測量和數據處理。恒星標校主要完成雷達系統的靜態系統誤差標校。

雷達系統標校整個流程如圖1所示。

圖1 雷達系統標校流程

整個系統標校自動化過程由主控分系統中自動化控制統一控制執行，通過計算機直接控制各標校設備工作狀態及雷達伺服、標校工作狀態等，其自動化控制如圖2所示。

圖2 雷達系統自動化標校控制組成示意圖

雷達系統標校采用自動化工作方式，任務的控制由主控分系統中計算機統一調度管理。

3 標校精度分析

常規標校、恒星標校主要完成對該大型雷達的輔助標校、驗證功能，在此不對其標校精度進行分析，本節僅對衛星標校進行分析。

3.1 衛星標校流程

雷達跟蹤測量空間特定的衛星目標，獲取測量數據;同時，獲取該衛星對應于雷達測量弧段的精密軌道數據，將雷達測量數據與衛星精軌數據進行比對，利用最優化方法解算雷達誤差系數，達到校準設備的目的。

采用精密定軌衛星標校方案首先必須掌握用于標校的衛星，也就是該衛星軌道根數不僅已知，而且經過多次改進，考慮各項攝動修正的情況下能提供短弧段高精度的衛星星歷，這個高精度星歷可作為衛星軌跡的“真值”使用。精密定軌衛星標校方案實現關鍵之處在于是否能提供高精度衛星星歷，它與掌握的衛星根數的精確度有關，也與進行攝動修正計算模型有關[2]。

采用精密定軌方案實施衛星標定，衛星標校流程如圖3所示。

3.2 測量誤差模型的建立

采用衛星標定方法主要是修正測量設備的系統誤差，其主要誤差項包括：

(1) 軸系誤差 大盤不水平、電軸與俯仰軸不正交引起的誤差、俯仰軸與方位軸不正交引起的誤差；

(2) 零值誤差 方位、仰角、距離零值。

圖3 衛星標定流程

根據以上所述的雷達測量誤差的主要來源，可以建立以下誤差模型：

△Ri=△R0+R1cscEi

△Ai=△A0+a1sinAitgEi+a2cosAitgEi+a3tgEi+a4secEi+a5sinAi+a6cosAi

△Ei=△E0+e1sinAi+e2cosAi+e3ctgAi+e4sinEi+e5cosEi

其中，△R0、△A0、△E0分別為距離、方位和俯仰零值；r1、e3分別為距離和俯仰角的電波折射修正殘余系數；a1、e1、a2和e2分別為大盤不水平系數；a3為方位軸、俯仰軸不正交系數；a4為電軸機械軸不平行度系數；a5、a6為方位非線性系數；e4、e5為仰角非線性系數及重力下垂變形誤差系數。

3.3 坐標轉換

由于衛星軌道數據都是采用大地坐標系，雷達對目標的探測采用的是空間直角坐標系，因此存在著大地坐標系與空間直角坐標系之間的轉換問題。

圖4 大地坐標系與直角坐標系之間的轉換關系

如圖4 所示，如果已知空間某點的經度L、緯度B和高度H，對于空間中的同一點P(B，L，H)，將其分別投影到直角坐標系XYZ中，就可以得到其直角坐標和大地坐標之間的轉換關系為

地球長半軸a=6378137 m；

地球短半軸b=6356752.3142 m；

扁率倒數 1/α=298.257223563

3.4 誤差系數的求解

誤差系數求解可以采用最小二乘的高斯估計計算，定義誤差系數構成狀態矢量η，初始值設為η0，可建立下述觀測方程：

3.5 標校精度分析

根據雷達參數，設置不同場景條件下實際衛星軌道參數，進行標校精度仿真分析。

(1) 衛星1

衛星1參數：軌道高度787 km，偏心率0.0001195，軌道平面傾角98.5433°，近地點幅角270°，升交點赤經351.19°，真近點112.44°。圖5為衛星1軌道示意圖。

圖5 衛星1軌道示意圖

(2) 衛星2

衛星2參數：軌道高度1787km，偏心率0.00011，軌道平面傾角108. 33°，近地點幅角200°，升交點赤經251.19°，真近點102.44°。圖6為衛星1軌道示意圖。

圖6 衛星2軌道示意圖

(3) 衛星3

衛星參數：軌道高度1300km，偏心率0.0007815，軌道平面傾角66.0442°，近地點幅角271.431°，升交點赤經212.592°，平近點角88.5802°。圖7為衛星1軌道示意圖。

圖7 衛星3軌道示意圖

計算系統誤差[3]如表1所示，衛星標校誤差仿真圖如圖8。

表1 衛星標校精度分析表

圖8 衛星標校誤差仿真圖

4 結束語

通過對大型數字相控陣雷達的標校方法、標校流程及標校精度的分析，衛星標校的自動化程度高，標校過程中人工干預少，受天氣和場地影響小，特別對大型雷達的標校具有廣闊的應用前景。

[1] M I Skolnik．雷達手冊[M]．王軍，林強，等譯．北京:電子工業出版社，2003.

[2] 袁勇,李革,馬鵬斌,廖杰. 雷達的衛星標定技術方法[J]. 陜西科技大學學報(自然科學版)， 2008.

[3] 仇芝.脈沖雷達衛星標定方法的一種工程實現研究[J].飛行器測控學報，2010.

[4] 陳芳允.衛星測控手冊[M].北京:科學出版社,1992.

[5] 黃捷.電波大氣折射誤差修正[M].北京:國際工業出版社，1999.

Research on calibration methods for large digital phased array radars

LI Wu， ZHA Lin

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

Three calibration methods for large digital phased array radars are compared and analyzed, including conventional calibration, star calibration and satellite calibration. The calibration process of such radars is demonstrated. Additionally, the precision of satellite calibration is modeled and simulated.

radar; calibration; star; satellite; simulation

2013-12-19

李武(1974-),男，高級工程師，研究方向:雷達系統工程和總體設計;查林(1979-),男，高級工程師,研究方向:雷 達系統設計、工程研制。

TN958.92

A

1009-0401(2014)01-0006-05