CN103901413A

CN103901413A - 基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备及其方法

Info

Publication number: CN103901413A
Application number: CN201410151684.5A
Authority: CN
Inventors: 刘冬利; 程占昕; 谭安胜; 杨辉; 伊柏栋
Original assignee: PLA Dalian Naval Academy
Current assignee: PLA Naval University of Engineering
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明属于一种雷达标定设备，基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备及其方法。该雷达高度动态标定设备包括三个北斗接收机终端、舰载雷达数据记录设备、飞行控制系统和解算分系统；三个北斗接收机终端分别是安装在码头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、安装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安装在旋翼无人直升机的北斗接收机三；标定时，通过在旋翼无人直升机和舰艇上加装北斗设备，记录旋翼无人直升机和舰艇物理位置变化，同时同步利用舰艇雷达录取数据，将旋翼无人直升机上记录的真值数据和舰艇雷达的录取数据进行误差处理分析，最终得出雷达仰角误差值。

Description

基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备及其方法

技术领域

本发明属于一种雷达标定设备，特别涉及基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备及其方法，可以解决雷达仰角精度的标定问题。

背景技术

目前，国内舰载雷达标定研究主要集中在两坐标雷达方向，赵馨等提出采用基于差分GPS、CCD、激光经纬仪等技术结合的零位标定方法，标校系统的位置精度优于50cm，角度精度优于0.05mrad；姚景顺等提出采用GPS技术对舰载雷达进行动态标定，目标位置精度达到1m；段静玄等提出采用GPS RTK技术对三坐标雷达动态标定法，距离标定误差不大于4cm。

三坐标雷达除了可以测定目标的方位和距离值外，还可以测量出目标的高度值。和所有测量装置一样，雷达的高度测量值会存在误差，误差会严重影响雷达的使用，需要进行校准，以确保测量数值的准确。但是，国内尚无专门的科研机构对舰载现役三坐标雷达仰角标定方法进行系统的研究，雷达仰角标定方法主要延用建标定塔、动态标定时可选的合作目标包括军用飞机、气球、民航飞机、专用直升机等。采用军用飞机的申请程序复杂，特别是针对修后的标定，申请比较难、成本高，军用飞机上的GPS据提取困难；采用放气球利用气球作为标定目标的优点是可以检验0～10000m各种高度上的探测精度，可以获得足够的数据，在经济性上使用气球也优于使用军用飞机。但用气球作为标定目标需要进行航管申请，气球放飞后一般无法回收，且也存在安全隐患。利用民航飞机的缺点是目标为非合作目标，容易出现挂错号的现象，由于航路不可控会导致数据量非常少，更重要的是民航飞机的自带的真值定位设备精度低，达不到精度要求。

本发明以旋翼无人直升机作为实时动态标定合作目标，挂载本套设备的便携式双插分实时三维坐标位置记录设备，对直升机航迹精确分析处理。通过时间同步设计、差分技术、录取和处理雷达测量数据、系统消噪及野值剔除、数据误差分析，最终得出雷达三维测量精度误差。

发明内容

本发明解决了现有舰载三坐标雷达标定方法的技术缺陷，提供了一种舰载三坐标雷达标定设备，能够对包括仰角在内的雷达三维探测精度进行便捷高效、安全高精度的标定作业方法。

本发明的技术方案是：

一种基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备，包括三个北斗接收机、舰载三坐标雷达、飞行控制系统和解算分系统，系统组成见图1。三个北斗接收机终端分别是安装在码头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、安装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安装在旋翼无人直升机的北斗接收机三，见图2。舰载三坐标雷达录取数据，飞行控制系统控制旋翼无人直升机的飞行，解算分系统进行真实高度数据的解算。

该三坐标雷达高度动态标定方法，是通过在旋翼无人直升机和舰艇上加装北斗设备，记录旋翼无人直升机和舰艇物理位置变化，同时同步利用舰艇雷达录取数据；在进行一系列的飞行动作之后，将旋翼无人直升机上记录的真值数据和舰艇雷达的录取数据进行误差处理分析，最终得出雷达仰角误差值。具体步骤如下：

1、测量真实高度数据

三台北斗接收机同步接收4颗以上卫星，并实时记录原始数据。标定结束后，按照数据处理和误差分析流程进行数据处理，得到舰艇和旋翼无人直升机精确的位置信息。如果北斗系统实时定位误差为1m，则归算到雷达坐标系中的方向角和仰角误差在0.002°之内，斜距误差在1m之内，高于雷达定位精度数倍。如果三坐标雷达仰角精度为0.5°，真实高度数据设备的单点定位精度在5m之内完全满足要求，目前载波相位型北斗的单点精度完全可以达到，也可以不做差分处理。

2、解算真实高度数据

由于北斗的坐标系统采用的是WGS-84大地坐标，使用时必须将目标的位置转换到以雷达为原点的站心球坐标系中，换算得到距离、方位角和仰角值。首先要将北斗测得的大地坐标转换为空间大地直角坐标，然后将空间直角坐标转换为站心直角坐标，最后再将站心直角坐标转换为站心球坐标，得到距离、方位角和仰角真实高度数据。

3、时间统一

在动态标定中，必须对测量值和真实高度数据进行时间统一，这是测量点迹与真实高度数据点迹比对得出误差分析结果的前提条件。真实高度数据采用北斗设备提供，数据本身带有UTC时间。雷达测量值录取设备录取位置信息采用舰艇时统设备的高稳定原子钟作为振荡源，与真实高度数据位置信息基准时间误差小于100ms，满足时间统一要求。

目前采用的标校手段主要有建标定塔、放气球或者与民航ADS-B系统合作等方式，但是这些方法存在很多不足，与本发明标校手段性能比较见表：

标校手段	动态性能	安全性	标校成本	标校精度	民航报批
						标定塔标定	低	高	较高	高	否
军用飞机试验检飞标定	高	高	高	低	是
						热气球标定	低	低	较高	高	是
民航系统合作标定	高	高	高	低	是
						本系统(旋翼无人直升机)	高	高	低	高	否

本发明的仰角标校设备，系统设计思路新颖，标校方法科学，工程实现简单、现场操作性强。其采用无人直升机挂载特定反射体为合作目标，可控性强、可测性强。用“北斗卫星+公共通信网络+实时差分”相融合的真实高度数据获取方法，标定精度高，并且能够任意规划航路，可在全高度、全方位上对雷达进行仰角标定。

附图说明

图1是本发明的组成示意图。

图2是三台北斗接收机位置示意图。

图3是标定流程示意图。

图4是北斗定位系统仰角测量精度仿真图。

图5是目标真实高度数据解算流程图。

具体实施方式

依据舰船雷达装备修理技术标准规定，对雷达测量精度进行标定时，要求其真实高度数据设备的精度至少是雷达测量精度的3倍以上。若以三坐标雷达精度典型值为例：仰角精度小于0.5°，距离精度小于100m。可见，若仰角真实高度数据精要在0.1°以内，距离真实高度数据精度在25m以内即可以满足要求。

由北斗定位系统仰角测量精度仿真图4可知，在雷达和目标间距离为284.3687m时，仰角测量精度为0.1007°。即只要雷达和目标间距离超过300m时，北斗定位系统的测距精度对真实高度数据仰角精度影响不大。另外，雷达近距一般盲区在2-4km外，对应的仰角精度为0.015°，小于所要求的0.1°，且在标定过程中，为使雷达易发现和测量目标，目标与雷达之间距离要大于3km，由此可见在整个标定过程中，仰角精度都满足标定要求。

1、真实高度数据和测量值录取与处理

针对不同舰艇有三种真实高度数据和测量值的录取实施方法：

一是通过数据录取终端接入水面舰艇作战系统，通过监听作战系统网络上雷达发送的目标数据报文获得，适用于新型水面舰艇；

二是从雷达显控终端上下载目标航迹数据，适用于带目标数据存储功能的雷达；

三是通过和雷达输出接口匹配的数据录取设备获得目标点迹数据，适用于老式雷达。

为保证录取设备的通用性，应该实现舰艇型号及被标雷达的选择，依据选择情况，自如地设定网络接口协议，以录取雷达测量数据。真实高度数据数据读取后，进行数据的预处理，解算流程如图5。

2、真实高度数据数据解算实现

在本发明中，设置真实高度数据设备的数据采集频率为5Hz，即0.2s采一个数据；设置被标雷达的转速为15rpm，若有两个阵面同时工作，则数据采集频率为0.5Hz，即2s采一个数据。

分析可知，为保证小于仰角误差0.1°，则雷达和北斗真实高度数据数据时间误差应小于0.5s，若再考虑到随机误差和系统其它部分的影响，要求雷达和北斗真实高度数据数据时间误差一般应小于0.2s，为满足精度要求，应该对雷达测量数据进行插值处理。

3、时间统一实施

本发明中，为保证系统误差解算正确，满足标定精度指标，要求雷达和北斗真实高度数据数据时间误差应小于0.5s。这主要是由于，在合作目标稳定飞行时，飞行速度一般在（40-55）km/h，若雷达和北斗的时间误差1s，将产生15m的距离误差，并叠加到雷达系统误差中，由此引起的仰角误差将大于0.17°，为保证小于仰角误差0.1°，则雷达和北斗真实高度数据数据时间误差应小于0.5s。另外，考虑到随机误差和系统其它部分的影响，要求雷达和北斗真实高度数据数据时间误差应小于0.1s。

对于具备时统设备的舰艇而言，由于时统设备采用高稳定原子钟作为振荡源，与北斗基准时间误差小于100ms，可以满足雷达标定的要求，实际操作过程中受到人为因素的影响，如采取人工对时等，该时统系统的精度可靠性变差，因此在接入前需将时统设备输出的时间和UTC时间相比对，获得时间误差量，如相差不大可以忽略掉，如果相差较大在数据处理时将此误差进行补偿处理。

对于没有时统设备的舰艇而言，解决时间同步问题，是单独提供一套时统系统。利用卫星定位接收机输出的1PPS秒脉冲信号和解码NEMA-0183中的UTC信息作为时间基准，为各雷达数据录取终端主控计算机传送秒脉冲和相应的绝对时，精度小于20ns。另外，在雷达跟踪测量时一般输出的目标点迹对应时间与真实高度数据时间不完全吻合，因此对真实高度数据数据还要进行插值处理，进行数据补点。

Claims

1.一种基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备，其特征在于，该三坐标雷达高度动态标定设备包括三个北斗接收机终端、舰载三坐标雷达数据记录设备、飞行控制系统和解算分系统；三个北斗接收机终端分别是安装在码头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、安装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安装在旋翼无人直升机的北斗接收机三；舰载三坐标雷达录取数据，飞行控制系统控制旋翼无人直升机的飞行，解算分系统进行真实高度数据的解算。

2.一种基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定方法，其特征在于，

该基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备包括三个北斗接收机终端、舰载雷达数据记录设备、飞行控制系统和解算分系统；三个北斗接收机终端分别是安装在码头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、安装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安装在旋翼无人直升机的北斗接收机三；

该三坐标雷达高度动态标定方法，是通过在旋翼无人直升机和舰艇上加装北斗设备，记录旋翼无人直升机和舰艇物理位置变化，同时同步利用舰艇雷达录取数据；在进行一系列的飞行动作之后，将旋翼无人直升机上记录的真值数据和舰艇雷达的录取数据进行误差处理分析，最终得出雷达仰角误差值；具体步骤如下：

1、测量真实高度数据：三台北斗接收机同步接收4颗以上卫星，并实时记录原始数据。标定结束后，按照数据处理和误差分析流程进行数据处理，得到舰艇和旋翼无人直升机精确的位置信息；如果北斗系统实时定位误差为1m，则归算到雷达坐标系中的方向角和仰角误差在0.002°之内，斜距误差在1m之内，高于雷达定位精度数倍；如果三坐标雷达仰角精度为0.5°，真实高度数据设备的单点定位精度在5m之内完全满足要求；

2、解算真实高度数据：北斗的坐标系统采用的是WGS-84大地坐标，使用时必须将目标的位置转换到以雷达为原点的站心球坐标系中，换算得到距离、方位角和仰角值；首先要将北斗测得的大地坐标转换为空间大地直角坐标，然后将空间直角坐标转换为站心直角坐标，最后再将站心直角坐标转换为站心球坐标，得到距离、方位角和仰角真实高度数据。

3、时间统一：真实高度数据采用北斗设备提供，数据本身带有UTC时间；雷达测量值录取设备录取位置信息采用舰艇时统设备的高稳定原子钟作为振荡源，与真实高度数据位置信息基准时间误差小于100ms，满足时间统一要求。