無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)使用雷達(dá)定點(diǎn)探測(cè)方法

任 強(qiáng) 王 偉 高一棟

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)已被應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，是軍事強(qiáng)國(guó)不可或缺的作戰(zhàn)力量[1]。隨著無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)日趨成熟和工程化應(yīng)用的深入，其上安裝載荷的工作自主化也得到深入發(fā)展。雷達(dá)系統(tǒng)作為安裝在無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)上的主要探測(cè)設(shè)備，其工作自主化能力對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的作戰(zhàn)效能有著非常重要的影響。裝有雷達(dá)的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)自身有較強(qiáng)的電子偵察監(jiān)視能力，可對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行24h不間斷動(dòng)態(tài)監(jiān)視，并記錄和回傳戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息。監(jiān)視范圍包括大范圍廣域搜索和局部位置重點(diǎn)跟蹤。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提出無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)用雷達(dá)進(jìn)行定位探測(cè)方法，針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)局部位置目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤，實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)位置坐標(biāo)信息，提供給指揮系統(tǒng)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)決策。

1 方法原理

控制雷達(dá)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)局部位置進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤監(jiān)視，需要提供給雷達(dá)待監(jiān)視的局部目標(biāo)區(qū)域位置中心大地坐標(biāo)，雷達(dá)位置大地坐標(biāo)，以及安裝雷達(dá)的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)(航向角，縱搖角，橫滾角)。雷達(dá)根據(jù)自身和監(jiān)視局部位置中心的大地坐標(biāo)(經(jīng)度，緯度，高度)，經(jīng)過(guò)一系列坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，解算出雷達(dá)坐標(biāo)系下的針對(duì)待監(jiān)視目標(biāo)區(qū)域的中心位置的波束指向。然后根據(jù)無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)該波束指向進(jìn)行補(bǔ)償修正，從而得到指向待監(jiān)視目標(biāo)區(qū)域中心位置的準(zhǔn)確的雷達(dá)波束指向。整個(gè)解算過(guò)程隨著無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新。

雷達(dá)定位探測(cè)數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)定位探測(cè)數(shù)據(jù)流圖

1.1 雷達(dá)信息輸入

雷達(dá)工作輸入包括兩部分：監(jiān)視的局部目標(biāo)位置中心大地坐標(biāo)(目標(biāo)經(jīng)度，目標(biāo)緯度，目標(biāo)海拔高度)作為雷達(dá)工作參數(shù)，可從雷達(dá)系統(tǒng)人機(jī)交互界面輸入。雷達(dá)自身大地坐標(biāo)(雷達(dá)經(jīng)度，雷達(dá)緯度，雷達(dá)海拔高度)和無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)的姿態(tài)數(shù)據(jù)(橫滾角，縱搖角，航向角)有該平臺(tái)上安裝的組合慣導(dǎo)給出。

1.2 雷達(dá)波束指向確定

雷達(dá)系統(tǒng)波束指向確定分為波束解算和波束穩(wěn)定兩部分組成。波束解算根據(jù)雷達(dá)和待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的大地坐標(biāo)求出雷達(dá)波束在雷達(dá)坐標(biāo)系中指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的角度。波束穩(wěn)定解決無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)姿態(tài)變化對(duì)雷達(dá)波束指向精度的影響問(wèn)題，也就是要補(bǔ)償裝有雷達(dá)的無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)因自身姿態(tài)變化(航向變化，縱搖變化，橫滾變化)引起的波束指向偏差。

1.3 搜索目標(biāo)輸出

雷達(dá)監(jiān)視的局部目標(biāo)位置信息，根據(jù)不同的功能雷達(dá)探測(cè)的信息有所不同，主要包括目標(biāo)坐標(biāo)，目標(biāo)識(shí)別信息，SAR數(shù)據(jù)，以及氣象數(shù)據(jù)等等。

2 算法設(shè)計(jì)

坐標(biāo)變換完成將大地坐標(biāo)系下的雷達(dá)位置坐標(biāo)和待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)坐標(biāo)系下的待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心相對(duì)雷達(dá)的坐標(biāo)。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程包括將雷達(dá)位置和待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)，然后將地心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到站心坐標(biāo)系(又稱(chēng)東北天坐標(biāo)系(ENU)[2]，最后解算出在雷達(dá)坐標(biāo)系下的波束指向。

2.1 大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地心直角坐標(biāo)系

大地坐標(biāo)系(緯度φ，經(jīng)度λ，高度h)轉(zhuǎn)換到地心地固直角坐標(biāo)系(x，y，z)[2-3]的變換公式：

x=(N+h)cosφcosλ

(1)

y=(N+h)cosφsinλ

(2)

z=[N(1-e2)+h]sinφ

(3)

(4)

(5)

涉及具體參數(shù)說(shuō)明如下：

N：基準(zhǔn)橢球體的卯酉圓曲率半徑；

e：橢球偏心率；

a：基準(zhǔn)橢球體長(zhǎng)半徑；

b：基準(zhǔn)橢球體短半徑。

2.2 地心直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成站心坐標(biāo)

根據(jù)2.1中式(1)、式(2)和式(3)，求出的地心直角坐標(biāo)系下的雷達(dá)坐標(biāo)(無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái))和待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)，求出站心坐標(biāo)系下雷達(dá)到待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)的矢量。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣S為：

(6)

若地心直角坐標(biāo)系下雷達(dá)指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的矢量為

(7)

其中，Φ為大地坐標(biāo)維度；λ為大地坐標(biāo)經(jīng)度；

(xr,yr,zr)為待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心在地心直角坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)；(x0,y0,z0)為雷達(dá)在地心直角坐標(biāo)系下的直角坐標(biāo)。

則站心坐標(biāo)系下的雷達(dá)指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的矢量為

(8)

2.3 波束穩(wěn)定

波束穩(wěn)定是為了解決無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)本身抖動(dòng)造成的雷達(dá)波束指向誤差。無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)本身抖動(dòng)主要有航向角α變化、縱搖角β變化和橫滾角γ變化三個(gè)方面。統(tǒng)籌這三個(gè)角度的影響，生成波束穩(wěn)定變換矩陣T，T的推導(dǎo)過(guò)程如下[3]：

首先，計(jì)算航向角α的變化對(duì)波束矢量的影響，影響矩陣Tα為：

(9)

其次，計(jì)算縱搖角β的變化對(duì)波束矢量的影響，影響矩陣Tβ為：

(10)

最后，計(jì)算橫滾角γ的變化對(duì)波束矢量的影響，影響矩陣Tγ為：

(11)

由式(9)、式(10)及式(11)得到波束穩(wěn)定變換矩陣T，見(jiàn)下面矩陣所示。

(12)

經(jīng)過(guò)T變換后，得到波束穩(wěn)定后的指向矢量，見(jiàn)式(13)所示。

(13)

最后，再將站心直角坐標(biāo)系下的雷達(dá)對(duì)待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的波束指向矢量轉(zhuǎn)換為站心極坐標(biāo)系(即雷達(dá)極坐標(biāo)系)下的雷達(dá)指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的距離、方位角和俯仰角，就得到了正確的雷達(dá)穩(wěn)定波束指向。轉(zhuǎn)換公示見(jiàn)式(14)、式(15)及式(16)所示，

(14)

(15)

(16)

式(14)-(16)中，參數(shù)說(shuō)明如下：

R：雷達(dá)指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的距離；

azi：雷達(dá)指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的方位角；

ele：雷達(dá)指向待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心的俯仰角。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法環(huán)境

無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)使用雷達(dá)進(jìn)行定點(diǎn)探測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)軟件在某型無(wú)人飛艇載毫米波雷達(dá)的嵌入式運(yùn)行平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)并投入使用。平臺(tái)通信及數(shù)據(jù)流見(jiàn)圖2所示。毫米波雷達(dá)安裝在無(wú)人駕駛飛艇上，顯控終端安裝在地面車(chē)輛的顯控終端中，雷達(dá)和顯控終端之間的通信通過(guò)安裝在無(wú)人飛艇和地面上的無(wú)線(xiàn)通信鏈路系統(tǒng)進(jìn)行。

圖2 通信及數(shù)據(jù)流

該嵌入式運(yùn)行平臺(tái)安裝在信處機(jī)箱中，平臺(tái)的硬件環(huán)境為基于PowerPC的單板機(jī)和AD采樣處理板，以及數(shù)據(jù)/信號(hào)處理板，單板機(jī)上設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)的RS-422異步串口，自適應(yīng)10M/100M/1000M以太網(wǎng)絡(luò)接口，AD采樣處理板上設(shè)計(jì)有高速同步串口。平臺(tái)上運(yùn)行的軟件環(huán)境為嵌入式VxWorks操作系統(tǒng)以及該系統(tǒng)上運(yùn)行的雷達(dá)中心控制軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和信號(hào)處理軟件。

地面車(chē)輛中運(yùn)行的顯控終端運(yùn)行在window及其兼容的系統(tǒng)平臺(tái)上，作為待探測(cè)目標(biāo)區(qū)域中心坐標(biāo)的輸入人機(jī)接口(通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)交互)，并以圖文方式顯示雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)數(shù)據(jù)信息。

3.2 算法流程圖

無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)使用雷達(dá)進(jìn)行定位探測(cè)方法的算法流程見(jiàn)圖3所示。

圖3 算法流程

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)使用雷達(dá)進(jìn)行定位探測(cè)方法在某電子裝備試驗(yàn)基地?zé)o人駕駛飛艇上得到了驗(yàn)證。該無(wú)人駕駛飛艇安裝有機(jī)載毫米波雷達(dá)，該毫米波雷達(dá)采用Ka波段，掃描方式為俯仰機(jī)械掃描，方位相位控制掃描體制。驗(yàn)證過(guò)程針對(duì)該雷達(dá)特點(diǎn)而不失一般性，方法的結(jié)論分析分為兩方面：波束指向計(jì)算和波束穩(wěn)定。波束計(jì)算只要按照理論分析和計(jì)算公式進(jìn)行解算就能得到準(zhǔn)確結(jié)果。而波束穩(wěn)定則需要試驗(yàn)驗(yàn)證文中波束穩(wěn)定補(bǔ)償算法的正確性。

驗(yàn)證以雷達(dá)俯仰角控制為例，驗(yàn)證采用的數(shù)據(jù)為載有毫米波雷達(dá)的無(wú)人駕駛飛艇實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5所示。圖4中，雷達(dá)指定俯仰角度變化范圍為(-10，0，10)，縱搖角為(-10，0)，補(bǔ)償角為(5，25)。從圖中數(shù)據(jù)可以看出：平臺(tái)縱搖角造成雷達(dá)俯仰角度偏低，而補(bǔ)償角度彌補(bǔ)了縱搖角對(duì)雷達(dá)俯仰指向的影響，使得最終的俯仰控制角度和雷達(dá)指定角度一致，波束穩(wěn)定補(bǔ)償算法效果圖見(jiàn)圖5所示。

圖4 雷達(dá)控制俯仰角、無(wú)人平臺(tái)縱搖角和補(bǔ)償角變化曲線(xiàn)

圖5 波束補(bǔ)償后的俯仰實(shí)際控制角度和指定角度的變化曲線(xiàn)