一種艦載一維相控陣二次雷達高精度算法

左航洲，余 苗，毛夢月，鄭 剛

一種艦載一維相控陣二次雷達高精度算法

左航洲，余 苗，毛夢月，鄭 剛

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

隨著現代雷達技術發展，特別是相控陣雷達技術的引入，高精度已成為雷達技術發展的必然趨勢。船搖、航向對艦載雷達精度都帶來了一定的影響，本文基于艦載一維相控陣二次雷達提出一種高精度算法，以實現艦載二次雷達的精密穩定跟蹤，提高跟蹤精度。

艦載雷達；一維相控陣；二次雷達；高精度

0 引言

二次雷達[1-2]起源于空管雷達信標系統，采用詢問應答協同式工作原理。近年來美軍將二次雷達技術引入艦載武器裝備系統[3]，作為艦載敵我識別系統[4]的切實應用。國內也將二次雷達技術應用到國防、通信等領域，二次雷達的詢問、應答特點相對傳統一次雷達具備更高精度，特別是相控陣雷達技術[5]的發展，高精度、高速掃描成為雷達技術發展的趨勢。

艦載一維相控陣二次雷達采用協同測量可提供艦船成員之間的舷角和距離，艦船的搖擺對艦載雷達高度所引起的變化，對艦載一維相控陣雷達的測量精度[6-7]帶來了一定的影響，本文針對艦載一維相控陣二次雷達，提出一種基于高度坐標轉換迭代算法（Altitude based Coordinate Transformation Iterative Algorithm，A-CTI）。

A-CTI算法是基于艦船雷達安裝時建立的各成員艦載雷達天線安裝高度位置要素表格，采用垂直捷聯實時測量各成員雷達天線姿態信息，通過雷達天線互相發射各成員雷達天線的姿態信息，最終可解算出各成員雷達天線的實時高度，采用高度坐標轉換迭代算法，有效地提高了艦載一維相控陣二次雷達的舷角測量精度。

1 A-CTI算法實現過程

A-CTI算法實現過程如圖1所示。

步驟1：讀取安裝基線信息

各成員艦載雷達天線安裝時建立各成員艦載雷達天線安裝基線信息表格，使用時通過成員編號查找安裝基線信息表格，讀取相應編號成員艦載雷達天線安裝基線信息。

步驟2：捷聯測量天線姿態信息

垂直捷聯和雷達天線安裝的艦船同一水平基面，可實時測量雷達天線的姿態信息。

步驟3：雷達天線發射互測成員姿態信息

艦載二次雷達按照時分和頻分工作，各成員艦載雷達之間互相跟蹤測量，雷達在跟蹤測量時，互相交換雷達天線姿態信息給對方，以便解算出互測成員的雷達天線姿態信息。

步驟4：解算互測成員雷達天線高度

讀取本艦雷達天線安裝基線中高度信息，通過本艦的垂直捷聯測量出本艦雷達天線姿態信息，可解算出本艦雷達天線的海拔高度；讀取被測編號成員艦載雷達天線安裝基線中高度信息，通過雷達天線接收到被測編號成員艦載雷達天線姿態信息，可解算出被測編號成員艦載雷達天線的海拔高度。最終可計算出成員艦載雷達天線的海拔高度差值0。

步驟5：基于高度坐標轉換迭代計算。

圖1 基于高度坐標轉換迭代算法流程圖

轉換到穩定直角坐標如式（2）所示：

轉換穩定甲板直角坐標到不穩定甲板直角坐標如式（3）所示：

式中，艦艇不穩定甲板坐標轉換到大地坐標的轉換矩陣如式（4）所示：

轉換到不穩定甲板球坐標，得到相掃角如式（5）所示：

按照布相，即可實現大地等速掃描。

跟蹤在不穩定甲板坐標系下進行閉環，跟蹤后得到角度，距離，假定俯仰角為（初始設為0）。

轉換到不穩定直角坐標系（以下小寫表示不穩定坐標，大寫表示穩定坐標）如式（6）所示：

再轉換到穩定甲板直角坐標如式（7）所示：

通過A-CTI算法實現過程的步驟1～4可解算出0為互測成員艦載雷達天線高度差值，用0代替式（7）中的后，變回到不穩定甲板坐標系如式（8）所示：

艦艇不穩定甲板坐標轉換到艦艇穩定甲板坐標的轉換矩陣如式（9）所示：

艦艇穩坐標轉艦艇不穩定坐標轉換矩陣為M的逆陣如式（10）所示：

計算如式（11）～式（12）所示：

把sin1和cos1代替式（6）中sin和cos進行迭代運算。經仿真，迭代6次，在最大搖擺條件橫搖22.5°、縱搖7.5°情況下，計算誤差不超過0.0001°，如表1和表2所示。

迭代6次后，再轉為穩定甲板球坐標如式（13）所示：

即可得到系統需要的穩定甲板球坐標。式中，0為互測成員艦載雷達天線高度差值，通過A-CTI算法實現過程的步驟1～4可解算出。

2 實驗結果及分析

如圖2所示，實驗架設甲、乙兩站，雷達天線為4面陣一維相控陣二次雷達，每個天線陣面相掃±47°，4個陣面覆蓋360°全方位掃描。轉臺模擬航向，搖擺臺模擬船搖，捷聯輸出天線姿態信息。

圖2 實驗雷達天線架設圖

2.1 實驗結果

用Matlab按照實驗模型進行仿真，方位精度單位為度。A-CTI算法迭代1～6次計算可得出實驗仿真結果如表1～表2所示。

2.2 結果分析

甲乙兩站相距2 km時，目標方位角度越大忽略高度方位精度越差；A-CTI算法迭代數次越多方位精度越高，該算法收斂性好。

表1 甲乙兩站相距2 km、天線高度差10 m、目標方位0°時實驗結果

表2 甲乙兩站相距2 km、天線高度差0 m、目標方位45°時實驗結果

3 結論

艦載一維相控陣雷達只能測量方位和距離，不能測量俯仰角度，當艦船搖擺量小時，方位精度是能保障的；當艦船搖擺量很大、目標遠離天線法線方向時，方位精度會很差。

A-CTI算法是基于艦載雷達安裝時建立的雷達天線安裝基線表，采用二次雷達詢問、應答原理發射成員艦載雷達天線姿態信息，可對艦載一維相控陣雷達高度進行迭代計算，隨著迭代次數越多雷達測量方位精度越高。由此可知，該算法收斂性好。

[1] 王洪，劉昌忠，汪學剛. 二次雷達S模式綜述[J]. 電訊技術，2008，48（7）：113-118.

[2] 丁鷺飛，耿富錄，陳建春．雷達原理[M]. 西安：電子工業出版社，2010.

[3] 周萬幸. 艦載雷達的現狀及發展趨勢分析[J]. 現代雷達，2007，29（9）：1-4.

[4] 劉顯勇，徐向東，魏恭，等. 艦載二次雷達發展與展望概述[J]. 雷達與對抗，2018，38（3）：5-7.

[5] 張光義，趙玉潔．相控陣雷達技術[M]. 北京：電子工業出版社，2004.

[6] 欒鑄徵，陳舒敏，吳儉. 艦載一維相控陣雷達波束電子穩定研究[J]. 現代雷達，2013，35（8）：14-18.

[7] 張政超，李文臣. 雷達動態精度試驗誤差分析[J]. 中國電子科學研究院學報，2012，7（3）：289-293.

High Precision Algorithm for Shipboard One-Dimensional Phased Array Secondary radar

ZUO Hangzhou, YU Miao, MAO Mengyue, ZHENG Gang

With the development of modern radar technique, especially the introduction of phased array radar technique, high precision has become the inevitable trend of radar technique development. Ship rolling and heading have a certain impact on the accuracy of shipboard radar. A high-precision algorithm based on shipboard one-dimensional phased array secondary radar is proposed to realize the precise and stable tracking of shipboard secondary radar and improve the tracking accuracy.

Shipboard Radar; One-Dimensional Phased Array; Secondary Radar; High Precision

TN959.6

A

1674-7976-(2021)-03-213-04

2021-01-29。左航洲（1988.07-），陜西咸陽人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為雷達數據處理及顯控開發。