大型跟踪测量雷达的卫星标定方法研究

张海成,杨江平,王晗中

(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019;2.空军预警学院陆基预警监视装备系,湖北武汉430019)

0 引言

雷达标定是测量雷达保证测量精度的一项重要技术和手段。目前脉冲测量雷达广泛采用的标定方法主要有常规标定、恒星标定和卫星标定三种。常规标定一般使用标定塔、方位标、标校球[1]等设备,其优点是稳定性好,但是需建立标校塔,因此移动性差,且全程人工干预较多,对雷达周围环境要求较多;恒星标定以恒星天体为基准目标,通过微光电视等光学设备获取测量数据解算雷达误差,其优点是标定过程人工干预少,但是受天气因素和空中遮挡影响大,且需支持的设备多。卫星标定方法由于设备要求简单、标定内容全面、自动化程度较高,已成为大型跟踪测量雷达主要的标校手段。卫星标定是以运行于空间近地轨道的人造地球卫星为基准目标,通过获取卫星精密轨道数据标定雷达系统误差,是目前较为先进的雷达标定技术。

常规标定和恒星标定的方法已广泛应用于我国航天测控网的脉冲测量雷达系统,技术上比较成熟,而卫星标定技术在国内的应用还处于起步阶段。美国、俄罗斯等国已经广泛采用卫星标定方法标定其大型测量雷达、导弹预警雷达以及空间目标监视系统等[2-4],随着我国脉冲测量雷达远程跟踪、精密测量性能的不断提高,卫星标定方法的深入研究以及工程需求也日益迫切,开展雷达卫星标定方法的研究,具有很重要的现实意义以及工程价值。

本文结合某雷达试验系统的工作模式及特点,提出了适用于该雷达的卫星标定方法和模型,并对标定结果进行了仿真。

1 标定方法及误差模型

雷达测量误差主要包括随机误差和系统误差两部分,随机误差通过平滑滤波可以得到抑制,系统误差则需要进行修正[5-6]。结合该雷达的工作模式和结构特点,经过综合分析,适用该雷达系统的误差项主要有零值误差、天线轴系误差和电波折射误差,由此建立误差模型如下：

其中,ΔR i,ΔA i,ΔE i分别为卫星的距离、方位和俯仰系统误差量;ΔR0,ΔA0,ΔE0分别为距离、方位和俯仰零值;r1,e3分别为距离和俯仰角的电波折射修正残余系数;a4,a5为方位码盘不均匀系数;a1,e1,a2和e2分别为大盘不水平系数;a3为俯仰电扫描的不铅锤性引起的两轴不正交误差系数;e4为方位电扫描的不水平性引起的两轴不正交误差系数;A机i为测量时刻对应的机械轴方位角;A电i为测量时刻对应的电扫描方位角;i为观测到的量测点编号。

该模型中,距离误差包含距离零值误差(ΔR0)和大气折射引入的误差(r1cscE i)。方位误差包含方位零值误差(ΔA0)、大盘不水平引入的误差(a1sinA机itanE i+a2cosA机1tanE i)、俯仰电扫不铅锤引入的两轴不正交误差(a3tanE i)以及方位码盘不均匀(偏心)误差(a4cosA机i+a5sinA机i)。俯仰误差包含仰角零值误差(ΔE0)、大盘不水平引入的误差(e1sinA机i+e2cosA机i)、方位电扫不水平引入的两轴不正交误差(e4sinA电i)以及大气折射引入的误差(e3cotE i)。

卫星标定过程为：

(1)开始卫星标校后,首先获取SLR星历数据。星历给出卫星固定时间间隔的地心地固坐标(ECEF坐标),通过坐标转换可换算为以雷达阵地为原点的雷达站心坐标(ENU坐标)。

(2)根据星历计算在指定日期内雷达可探测到的标校卫星,获取可观测卫星的起始时间、结束时间、轨迹信息。并按照计算结果安排雷达观测时间、指向。

(3)雷达获取足够的卫星量测数据后,首先对数据进行预处理,剔除异常值并进行中心平滑及电波修正。

(4)根据雷达量测数据,利用拉格朗日插值法计算对应时间的卫星真值。

(5)按照误差模型进行误差系数解算。

(6)雷达获取新的标校卫星量测数据,并用解算结果对测量值进行修正,再与真值比照。若误差满足要求则结束卫星标定;反之,重新进行卫星标定。

其标定过程如图1所示。

图1 卫星标定过程

2 效果仿真

2.1 卫星选择

卫星标定时,雷达运行于对应的工作模式捕获并跟踪测量卫星目标,获取测量数据;同时,获取该卫星对应于雷达测量弧段的精密轨道数据,将雷达测量数据与卫星精轨数据进行对比,利用最优化算法解算雷达误差系数,达到校准设备的目的。

选择卫星目标需要重点从动态范围和定轨精度两方面考虑。标定雷达设备的基准数据和精轨数据精度应至少优于设备精度的1/3～1/5。从卫星标校条件和轴系标定要求看,卫星轨迹需要通过雷达周围的四个象限(不必要求是同一颗卫星轨迹)。因此,综合考虑,我们选取的目标卫星从国际激光测距卫星(SLR)中选取。

根据上述要求及雷达的精度指标要求和所提供的SLR卫星星历,本文选取了主要的三颗目标卫星,采用STK软件得到了卫星的真实轨迹,采用最小二乘法解算雷达误差模型系数。

2.2 结果分析

使用上节给出的模型和方法进行求解,根据雷达参数,设置不同场景条件下实际卫星轨迹参数,其中卫星1编号为22824,轨道高度为815 km,轨道平面倾角为98.6°;卫星2编号为27 944,轨道高度为691 km,轨道平面倾角为97.8°;卫星3编号为27391,轨道高度为450 km,轨道平面倾角为89°。

解算结果如表1所示。

表1 雷达标定系数求解结果

由上表对比结果可以看出,利用卫星标校方法解算的标定系数,其解算结果能够保证一致性。

通过对三颗卫星目标进行标定前后的误差对比计算,得到了相似的结果。其中,卫星1的距离、方位角、俯仰角误差在标定前后误差对比如图2所示。

由图2中的仿真试验结果可以看出,该雷达的主要系统误差项通过卫星标定的方法基本消除了,标定结果是稳定收敛的,证实了该雷达采用卫星标定方法进行系统误差修正的正确性和合理性。

3 结束语

本文的研究表明,利用先进的卫星标定方法对大型跟踪测量雷达进行系统误差的标定是合理有效并且完全可行的,标定过程与雷达的正常工作程序相同,且标定过程人工干预少,自动化程度高,受天气和场地影响小,比常规的标定方法方便、快捷,又能克服其他标定方法存在的缺点,是大型跟踪测量雷达误差标定时采用的行之有效的方法,具有广阔的工程应用前景。

[1]文玲,高沅铭,常宇亮.基于标校球的瞬态极化雷达校准方法[J].雷达科学与技术,2012,10(6)：580-584.

[2]黄家贵,杨潇.脉冲测量雷达卫星标校的实现[J].系统工程与电子技术,2007,29(10)：1600-1602.

[3]金胜,邓颖丽,朱天林.脉冲测量雷达卫星标定方法研究[J].飞行器测控学报,2005,24(4)：66-70.

[4]袁勇,李革,马鹏斌,等.雷达的卫星标定技术方法[J].陕西科技大学学报,2008,26(4)：109-113.

[5]刘利生.外侧数据事后处理[M].北京：国防工业出版社,2000.

[6]费业泰.误差理论与数据处理(第6版)[M].北京：机械工业出版社,2010.