应用两种方法进行L波段探空雷达天线指向检查

周铁桩，叶 飞

(1. 呼伦贝尔市海拉尔区气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2.内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

L波段雷达探空系统是我国北方高精度探空数据的获取的主要力量，内蒙古也是全国探空测风的大省，目前，全区气象系统内有12部L波段探空雷达正在业务运行，占全国1/10。呼伦贝尔市海拉尔区探空站是内蒙古地区最北部的一个探空站(经度：119.70°，纬度：49.25°，海拔高度：649.7m)，该站冬季温度能达到-30℃左右，属于典型的高寒、高湿站，L波段探空雷达机械部分在冬季经常会出现结冰、霜冻现象，因此，时刻掌握雷达天线指向是否准确就显得十分必要[1-2]。笔者将分别应用太阳法和经纬仪对比观测法对海拉尔区探空雷达天线指向进行检查，通过分析两种方法的对比观测数据以及实际操作过程，总结两种方法的优缺点，希望对探空业务有所促进。

1 太阳法

将太阳作为微波辐射的噪声，L波段雷达对准太阳时，通过获取太阳噪声信号实现雷达实时自动跟踪太阳[3]。太阳法对比观测前只需将计算机授时为正确的北京时间，将雷达天线设置对准太阳后天线打到自动状态即可，然后打开太阳法对比观测软件，根据实验需要设置所需的采样间隔，即可自动执行对比观测，观测完成后数据上传服务器后系统将自动绘制太阳法和雷达对比观测曲线。通过对比太阳位置的理论数值和雷达跟踪太阳时的实际指向(仰角、方位)数值之间的差异，即可知道雷达天线指向是否准确。查找文献可知太阳高度角(θ)，太阳方位角(α)求解公示如下：

sinθ=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

(2)

其中，φ为当地纬度，δ为太阳赤纬角，ω为太阳时角。通过太阳赤纬角算法和当地时差算法的解析即可获得高精度的太阳位置。

在2020年6月16日早上9:30开始应用太阳法对海拉尔区L波段探空雷达天线指向进行检查，图1、图2分别采集了200多组对比数据，每组数据采样间隔为3s，从图中可以看出太阳法理论计算值线性度较高，雷达天线实测值波动范围较小，仰角误差和方位误差基本都在0.3°以内，误差相对较小，对比效果很好，太阳法能够用来检查雷达天线指向是否正确。

由于太阳法对比时除雷达发射机不开以外，其他雷达分部件都正常运行，雷达能否实时跟踪太阳也从侧面检验了雷达接收、伺服、馈线等系统是否存在故障，在L波段雷达放球计算机上安装一个太阳法软件，将雷达对准太阳并能自动跟踪(若无法对准或自动跟踪可判断雷达天控、接收、伺服部分存在故障)，通过对比雷达跟踪太阳时的实时方位、仰角和太阳理论方位仰角之间的误差，判断雷达天线指向是否准确，此方法能够对人工标定雷达是否准确进行验证，提供了一种新的标定雷达天线指向的方法，能第一时间判断雷达主要部件的性能是否正常。

图1 太阳法对比仰角误差

图2 太阳法对比方位误差

2 经纬仪对比观测法

图3 经纬仪对比仰角误差

图4 经纬仪对比方位误差

现行高空观测业务规范中要求每月需通过经纬仪和雷达进行对比观测，检查探空雷达天线指向是否准确。图3、图4分别展示了2020年6月16日早8点放球时的雷达和经纬仪对比观测情况，由于放球半小时后经纬仪已无法观测到探空气球，数据采集从放球第11min开始采集，到第30min结束，数据采样间隔为每分钟一次，其间一共获取了20组对比观测数据。从图中可以看出仰角误差在0.4°以内，放球初期仰角误差较大，随着时间推移，越往后仰角误差越小；方位误差在0.5以内，误差随机性较大。

经纬仪架设、调平、定向以及抓球都需由观测员自主完成，因此，观测员观测水平的高低直接影响了所获取数据的准确性，且每次经纬仪对比观测都需调平和确定固定目标物是否准确，操作繁琐，耗时较长，容易引入人为误差。

3 结论

应用太阳法和经纬仪对比观测法两种方法对内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区探空雷达进行了天线指向检查，通过分析对比观测数据可以得到如下几条结论：①太阳法对比观测只需1人操作对比观测软件即可，操作简便，且可获取任意时间间隔、大体量的对比观测数据；经纬仪对比观测法至少需要2名业务熟练的观测员进行配合操作，且受经纬仪观测距离和天气能见度状况影响较大，一般只能获取到放球前半小时内的对比观测数据。②太阳法对比观测精度更高，误差线性度较好，有利于后期数据偏差订正；经纬仪对比观测法由于人为操作因素较多，容易引入人为误差，对比观测精度相对较差。③太阳法不仅可以检查探空雷达天线指向是否正常，还能作为日常雷达维护保障的验证工具。