船載雷達方位零位異常變化的分析與影響

鐘德安，包 飛，茅永興，馮鴻奎

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

雷達是航天測控網中的骨干設備，在航天測控任務中發揮著不可替代的作用[1]。而對雷達進行標校是一項必不可少的基礎性技術工作。

目前，傳統的雷達標校技術主要是利用標校塔進行標校，即有塔標校[2-4]。然而，由于標校塔建設周期長、費用高、地點固定，以及標校過程中多徑效應明顯、系統自動化程度低、時間花費較多等問題的存在[5]，該技術已不能很好地適應現今的雷達標校工作。

為了減少配套標校設施建設需求，提高雷達標校的自動化程度，工程研究人員提出了許多無塔標校技術，如信標球標校[6]、恒星標校[7]、射電星標校[8]、太陽跟蹤標校[9]、飛機標校[3]和衛星標校[7，10-11]等。

然而，對于船載雷達來說，由于其所處的工作環境具有動態性，所以對其進行標校時涉及的環節更多、要求更高，導致標校過程較之陸基雷達更為復雜。為了解決船載雷達標校過程中存在的一些相關問題，工程研究人員又提出了許多動態條件下的雷達標校技術。張同雙等[12]在對傳統的航天測量船無線電測量設備方位零位標校方法進行分析之后，提出了一種不需要大地測量的新標校方法，并對其精度進行了驗證，結果表明該標校方法更加簡化、更加節約成本，具有良好的應用前景。在傳統塢內標?；驹淼幕A上，針對測量船的搖擺特點，鐘德安等[13]設計了一種新的測量船碼頭動態標校方法，該方法引入了船姿測量誤差，進一步提高了標校精度。豐少偉等[14]利用差分GPS定位技術建立了一種通用船載雷達標校方法，并對其中涉及的數據同步和系統誤差處理方法進行了討論。楊磊等[15]在嵌入協作策略的參數估計方法基礎上實現了船載外測設備等效軸系參數的標定，解決了船載外測設備狀態易變性與衛星測控高精度要求的矛盾。上述方法均為船載雷達標校技術的穩步發展奠定了扎實的基礎。

船載雷達方位零位是天線機械軸平行于船艏艉線且指向船艏時方位軸角編碼器的讀數。由于雷達機械軸是固定不變的，所以通常情況下對雷達方位零位的多次標定結果也不會出現較大差異(即不超過30″)。然而，在實際操作中，曾多次發生雷達方位零位較前次標定結果出現較大差異的問題。因此，在船載雷達標校工作中及時準確地定位造成方位零位標校差異的原因顯得非常必要，否則將會給標定進度、組織計劃帶來較大影響，同時也將浪費大量人力、物力。

為此，本文簡要介紹船載雷達方位零位標定方法，逐一分析了造成船載雷達方位零位異常變化的幾種可能原因，在此基礎上給出了提出問題排查的通用流程。最后，通過一個典型案例深入排查并探討了船載雷達方位零位的異常原因。

1 雷達方位零位標定方法

為了標定雷達方位零位，首先需要進行經緯儀方位零位標定[16]、船舶塢內航向角標定[17]以及雷達方位零位標定。

1.1 經緯儀方位零位標定

經緯儀方位零位是經緯儀主鏡光軸與全船方位基準平行并指向船艏時，經緯儀方位軸角編碼器輸出值。該值可利用搭建光路的方法使經緯儀主鏡與全船方位基準建立光路聯系，并使主鏡光軸與其平行后得到。

1.2 船舶塢內航向角標定

船舶塢內航向角是船舶在塢內時，全船方位基準與正北方向之間的夾角，即航向角K塢，該參數只能由經緯儀標定得到。由于雷達的光軸離全船方位基準較遠，難以用建立光路聯系的方法與之相關聯，因此只能借助經緯儀瞄方位標或利用測恒星標定的K塢做過渡，才能進一步標定方位零位，其原理如圖1所示。

圖1 達方位零位標定原理

1.3 雷達方位零位標定

由圖1可知，標定時需要使用航向角K塢。首先由經緯儀標定出船舶塢內航向角K塢，然后大地測量隊測量出方位標與正北的夾角(A大地)，最后雷達對方位標進行測量(測量值A測)，并與航向角K塢比較，即可獲得方位零位A0。雷達方位零位A0與A測、A大地、K塢的關系為：

A0=A測-A大地+K塢-360°。

(1)

2 方位零位異常原因分析及排查流程

2.1 原因分析

從式(1)可以看出，雷達方位零位與雷達軸角編碼器測量值A測、大地測量成果A大地及經緯儀標定的航向角K塢密切相關。因此，這3個測量值的異常是造成雷達方位零位異常原因。通過對上述3個測量值的測量過程以及部件、系統工作機制的分析，可進一步了解異常造成的原因。

2.1.1 雷達軸角編碼器測量值A測

軸角編碼器是重要的測角部件，其精度對雷達總精度產生直接影響，一般要求軸角編碼器精度比測量設備總精度高3～10倍。用旋轉變壓器作為角位移傳感器的編碼器是雷達目前較普遍采用的軸角編碼器，船載雷達初次安裝使用時均對其精度進行了檢測，長期使用表明可靠性較高[7]。

2.1.2 大地測量成果

隨著衛星導航技術在大地測量中的廣泛應用，有力提高了大地測量的效率和精度。在船載雷達參數標定中，對大地測量精度產生影響的主要因素是船舶進船塢后不均勻裝載等引起的船體置平度變化，從以往經驗看，該影響大都在指標范圍內。

2.1.3 經緯儀標定的航向角K塢

經緯儀標定的航向角K塢是船載雷達方位零位標定的關鍵，沒有航向角K塢就不能解算出雷達方位零位。航向角K塢與經緯儀零位及軸系誤差修正參數有關，包括方位零位、俯仰零位、照準差、橫軸差和豎軸差5個參數。現代光電經緯儀是非常精密的光學測量設備，具有實時測量、高精度等優點，廣泛地應用于航空、航天和大地測量等領域[18]。從歷史經驗情況看，經緯儀零位及軸系誤差穩定性相對較高。

2.2 排查流程

一旦船載雷達方位零位標定結果出現異常變化，就要進行仔細排查，以消除隱患。在排查的過程中，可利用已有資料或者歷史數據建立雷達方位零位標定異常的故障樹(FTA)或者利用失效模式與影響分析方法(FMEA)逐一列出可能的異常原因，并分析造成的后果。

雷達方位零位標定異常的故障樹分析如圖2所示?？筛鶕摴收蠘?，從左至右，從上到下依次排查，同時也應遵循由簡到難、由淺入深的原則。

圖2 雷達方位零位標定異常的故障樹分析

一般的排查步驟為：

① 雷達軸角編碼器精度檢查

由于軸角編碼器精度決定了測量數據的精度，因此首先要從雷達本身出發，對軸角編碼器進行精度檢查。

② 大地測量成果檢查

大地測量成果是標定基準，對大地測量成果精度產生影響的主要是大地測量施測精度及船體置平度變化，可通過重新進行大地測量施測，并不間斷地跟蹤監視船體置平度變化情況，綜合確定大地測量成果精度是否滿足要求。

③ 經緯儀標定的航向角K塢檢查

在排除雷達軸角編碼器及大地測量因素后，需要檢查經緯儀標定的航向角K塢的準確性，一般采用2種方法：

一是檢查經緯儀測恒星和瞄方位標2種方法標定的航向角之間的差異(簡稱閉合差)，通過檢查閉合差，可以間接驗證大地測量成果的精度，也可以檢查經緯儀測恒星或測方位標的精度。

二是檢查經緯儀零位和軸系誤差標定的準確性。經緯儀零位和軸系誤差標定需要豐富的經驗和技能，實際操作中容易產生誤差。零位和軸系誤差的變化會引起經緯儀標定的航向角K塢產生變化。

④ 重新解算雷達方位零位

經過以上步驟后，需要重新標定航向角K塢，解算雷達方位零位，并與上次標定結果進行比較，以驗證和確定排查結論。

⑤ 經緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線相互關系圖

重新解算雷達方位零位后，可畫出經緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線之間的相互關系圖，進一步分析查找問題原因。

3 方位零位異常排查案例分析

3.1 問題描述

某次塢內標校中發現，某船載雷達方位零位相比上次標定結果相差約1角分(變大)，由于2次標定期間雷達狀態沒有改變，方位零位不應有大的變化，該結果明顯異常，隨后根據上述排查流程進行了一系列分析排查。

3.2 問題排查

3.2.1 雷達軸角編碼器精度檢查

該雷達采用旋轉變壓器作為敏感元件，綜觀歷史測量數據及其他采用同類型旋轉變壓器雷達的工作情況，該型旋轉變壓器可靠性較高。另外，從該雷達已標定的其他項目結果看，數據重復性、一致性均較好。因此認為雷達軸角編碼器正常，不需再用專用檢測工具對軸角編碼器精度進行檢測。

3.2.2 大地測量成果檢查

通過對船載雷達三軸中心、方位標點位進行復測，精度滿足要求。

通過檢查幾天來船體置平度隨時間變化情況，并換算其對大地測量成果的影響，未超出指標要求。

3.2.3 經緯儀標定的航向角K塢檢查

(1) 閉合差檢查

本次標校中經緯儀2種方法標定的航向角一致性很好，瞄方位標航向為46°3′53″，測星航向為46°3′50″，閉合差為3″。由此說明，經緯儀測恒星或測方位標的精度高、離散度小，也從另一個角度說明大地測量成果的精度滿足標定需求。

(2) 經緯儀零位和軸系誤差檢查

經緯儀零位和軸系誤差檢查結果如表1所示。從表1中可以看出，與上次標定結果相比，照準差變化約22″，方位零位變化了50″，其余誤差基本未變。如上所說，經緯儀是一種十分精密的測量設備，照準差變化約22″，方位零位變化約50″屬故障現象。

表1 經緯儀零位和軸系誤差檢查結果

項目名稱本次標定結果上次標定結果方位零位俯仰零位照準差橫軸差50″-5″25″3″0″-3″3″5″

3.2.4 重新解算雷達方位零位

① 根據經緯儀零位和軸系誤差檢查結果重新標定船舶在塢內的航向角K塢。利用新標定的經緯儀零位和軸系誤差結果重新解算得到的船舶航向角為K塢=46°5′(與先前相差約1′)。

② 重新解算雷達方位零位。以新的航向角解算的雷達方位零位-9′9″，而上次標定結果為-11′25″。

可以看出，使用最新標定的經緯儀零位和軸系誤差后，得到的雷達方位零位與上次標定結果差異不僅沒有減小，反而由約1′擴大到2′16″?？梢哉J為，除了已確定的經緯儀方位零位、照準差產生變化外，還有一個誤差因素尚未找到。

3.2.5 經緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線相互關系

將經緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線畫于同一張圖上進行分析，相互關系圖如圖3所示。

圖3 機械軸、經緯儀主鏡光軸、基準鏡法線相互關系

從圖3中可以看出，在雷達機械軸指向不變的前提下(符合實際情況)，全船基準鏡法線(全船方位基準)相比以往變化了2′16″，即上次標定與本次標定使用的全船方位基準不同。實際上全船只有一個方位基準，位于慣導吊筒中，這說明上次標定由于光學標定工具誤差等種種原因，實際使用了一個虛擬的方位基準。而經緯儀零位變化1′26″，是由于全船方位基準和照準差變化雙重原因引起的。

3.3 對測量精度的影響

從上面的分析可以看出，本例中導致雷達方位零位變化的原因2個：設備照準差發生了變化，變化達22″；2次標定沒有對準同一個方位基準(其中一個實際是不存在的)。

3.3.1 照準差變化的影響

照準差是經緯儀一項誤差修正參數，對方位角的影響為ΔA=c×(secE-1)，其中ΔA為經緯儀方位角測量誤差，c為照準差，E為目標仰角。從公式可以看出，隨著仰角的增大，經緯儀方位角測量誤差將增大，如當仰角為30°時，照準差變化22″引起的方位角測量誤差為3.4″；當仰角為60°時，誤差為22″。

3.3.2 方位基準鏡不統一對精度的影響

由于方位基準只有一個，分析認為上次標校時沒有對準準確的方位基準，這等同于經緯儀采用一個方位基準，而慣導采用了另一個方位基準。這將產生船體姿態測量誤差。因為當經緯儀測得的航向校準慣導時，會造成水平姿態測量軸與航向測量軸不垂直。當船搖幅度為6°時，將會產生約5″的水平姿態測量誤差[17]。

4 結束語

船載雷達的標定過程十分復雜，尤其是方位零位的標定涉及環節多，只有徹底摸透雷達方位零位標定差異的原因，才能更加準確地對船載雷達進行標校。本文案例中船載雷達方位零位變化僅是問題的表象，本質原因是經緯儀照準差的變化和全船方位基準前后不一致，并從不同角度對船載雷達測量精度產生影響。

由于經緯儀零位和軸系誤差參數采用搭建光路的方法標定，操作復雜，易產生標定誤差，因此，提高經緯儀零位和軸系誤差修正參數標定精度，不僅可在一定程度上避免雷達方位零位標定異常問題的發生，而且對于提高船載雷達的整體測量精度也有重要價值。

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