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CN109828269B - 一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法 - Google Patents

一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法 Download PDF

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CN109828269B
CN109828269B CN201910207421.4A CN201910207421A CN109828269B CN 109828269 B CN109828269 B CN 109828269B CN 201910207421 A CN201910207421 A CN 201910207421A CN 109828269 B CN109828269 B CN 109828269B
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Abstract

本发明公开了一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，解决在运动载体平台上雷达角跟踪精度易受信噪比影响，或被干扰诱偏的问题。该方法首先通过天线接收目标回波并得到角误差信息，姿态测量设备和位置测量设备获取实时状态信息；然后由信号处理器对获取的回波、角误差信息及实时状态信息进行处理，得到雷达测量值在目标坐标系中的坐标；随后由信号处理器进行三维滤波，得到坐标的滤波值，并将该滤波值转换为伺服的角速度值；最后，信号处理器将角速度值发送至伺服，完成角度闭环控制。本方法解决了在运动载体平台上雷达角跟踪精度易受信噪比影响，或被干扰诱偏的问题，具有较强的抗干扰能力，计算量小，适合工程应用。

Description

一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法
技术领域
本发明涉及一种速度环角跟踪的方法，特别是一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法。
背景技术
对于跟踪雷达来说，不仅在探测区域能发现目标，还能确定目标的距离和二维角坐标位置，并在连续观测目标一段时间后，就能提供该目标的轨道或航迹，是其具备的主要功能。常用的跟踪雷达的天线波束通过获取角误差信号和使用一套闭环伺服系统，使得角误差信号最小来保持对目标的跟踪。
但在实际工作中，由于目标信噪比低，角误差信号受噪声影响严重，容易造成角度跟踪不稳定；另外，探测区域中杂波或干扰信号的存在，也可能造成角误差信号错误，造成角度跟踪偏离目标。因此，研究如何处理角误差信号来保持对目标的稳定角度跟踪，在该体制雷达的应用中具有重要意义。
传统的角度跟踪方法主要分为两种：
第一种是伺服工作在速度环路，根据获得的角误差信号，乘上比例系数，作为角速度值控制伺服转动，完成角度跟踪。该方法可对运动的载体平台进行解耦，可实现动平台条件下的雷达角度跟踪。
但该方法在实现中无法使用角度维滤波，跟踪精度受瞬时角误差信号影响大，因此容易受到噪声或干扰影响。
第二种是伺服工作在位置环路，根据获得的角误差信号，乘上比例系统，得到目标相对于雷达的偏角控制伺服，完成角度跟踪。
该方法面临的主要问题是：由于伺服工作在位置环路，无法利用陀螺对载体平台敏感出的角度信息进行解耦，这样在雷达位置环路跟踪过程中载体平台的姿态变化将直接叠加至雷达的测角结果中，即雷达测角为θ1，闭环过程中，载体平台变化，实际目标角度变为θ2，导致雷达无法跟踪上目标。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，解决以往方法在实现中无法使用角度维滤波，跟踪精度受瞬时角误差信号影响大，因此容易受到噪声或干扰影响，由于伺服工作在位置环路，无法利用陀螺对载体平台敏感出的角度信息进行解耦，导致雷达无法跟踪上目标的问题。
一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法的具体步骤为：
第一步搭建角跟踪系统
角跟踪系统，包括：目标模拟设备、天线、伺服、姿态测量设备、位置测量设备和信号处理器。
目标模拟设备输出端与天线输入端导线连接；天线输出端与信号处理器输入端1导线连接；姿态测量设备输出端与信号处理器输入端2导线连接；位置测量设备输出端与信号处理器输入端3连接；信号处理器输出端与伺服输入端导线连接。
第二步天线接收目标回波并得到角误差信息
目标模拟设备在预定角度下释放目标回波，天线对和通道、方位通道和俯仰通道接收到的回波信号进行处理，得到方位角误差信息AZerr、俯仰角误差信息ELerr，并上报给信号处理器。
第三步姿态测量设备和位置测量设备获取实时状态信息
姿态测量设备获取载体平台实时姿态信息：载体方位角yaw、载体俯仰角pitch和载体滚转角roll；位置测量设备获取载体平台在目标坐标系下的实时坐标
Figure BDA0001999434470000021
并将上述实时状态信息上报给信号处理器。
第四步信号处理器对获取的回波、角误差信息及实时状态信息进行处理
信号处理器对回波数据进行目标检测，得到目标距离R，并将角误差信息转化为目标偏离天线的实际角度：方位角AZ＝AZerr·kAZ，俯仰角EL＝ELerr·kEL，并将上述测量值转换到天线坐标系下的坐标
Figure BDA0001999434470000022
kAZ为方位角误差比例系数，kEL为俯仰角误差比例系数。
通过由天线系转换到载体平台系的旋转矩阵，根据姿态测量信息求出雷达测量值在载体平台系中的坐标。
根据载体平台的位置信息，得到雷达测量值在目标坐标系中的坐标。
第五步信号处理器进行三维滤波，得到坐标的滤波值
信号处理器对雷达测量值的坐标进行α-β滤波，滤波到此结束。
第六步信号处理器根据滤波值，转换为伺服的角速度值
根据坐标的滤波值
Figure BDA0001999434470000031
计算天线坐标系下的目标距离滤波值Rf，方位角滤波值AZf，俯仰角滤波值ELf。
将角度值除以kAZ为方位角误差比例系数，kEL为俯仰角误差比例系数，得到伺服的方位角速度值ωAZ，俯仰角速度值ωEL：ωAZ＝AZf/kAZ，ωEL＝ELf/kEL。
第七步将角速度值发送至伺服完成闭环跟踪
信号处理器在接收下一帧回波矩阵前，将得到的角速度值发送至伺服，进行角度闭环跟踪。
角度闭环跟踪过程结束，天线稳定跟踪目标。
优选地，天线坐标系下的坐标为：
x＝R·sin(-AZ) (1)
y＝R·cos(AZ)·cos(EL) (2)
z＝R·cos(AZ)·sin(EL) (3)
优选地，由天线系转换到载体平台系的旋转矩阵为：
Figure BDA0001999434470000032
优选地，雷达测量值在载体平台系中的坐标：
Figure BDA0001999434470000033
优选地，雷达测量值在目标坐标系中的坐标：
Figure BDA0001999434470000041
优选地，信号处理器对雷达测量值的坐标进行α-β滤波，坐标x为：
第k次x坐标的滤波值为
Figure BDA0001999434470000042
x方向速度的滤波值
Figure BDA0001999434470000043
首先得到第k+1次的x坐标的预测值
Figure BDA0001999434470000044
x方向速度的预测值
Figure BDA0001999434470000045
Figure BDA0001999434470000046
Figure BDA0001999434470000047
其中T为两次测量值获取的时间间隔。
根据预测值与测量值得到第k+1次的新息x(k+1)。其中，第k+1次的x坐标的雷达测量值为xm(k+1)。
Figure BDA0001999434470000048
根据第k+1次的新息x(k+1)及第k+1次的x坐标的预测值
Figure BDA0001999434470000049
x方向速度的预测值
Figure BDA00019994344700000410
得到第k+1次的x坐标的滤波值
Figure BDA00019994344700000411
x方向速度的滤波值
Figure BDA00019994344700000412
Figure BDA00019994344700000413
Figure BDA00019994344700000414
其中α为距离滤波参数，β为速度滤波参数，滤波到此结束。
优选地，α为0.01，
优选地，β为0.001。
优选地，天线坐标系下的目标距离滤波值Rf为：
Figure BDA00019994344700000415
优选地，方位角滤波值AZf和俯仰角滤波值ELf为：
Figure BDA0001999434470000051
Figure BDA0001999434470000052
本发明主要应用于跟踪雷达系统，能解决在运动载体平台上雷达角跟踪精度易受信噪比影响，或被干扰诱偏的问题，具有较强的抗干扰能力，计算量小，适合工程应用。
具体实施方式
一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法的具体步骤为：
第一步搭建角跟踪系统
角跟踪系统，包括：目标模拟设备、天线、伺服、姿态测量设备、位置测量设备和信号处理器。
目标模拟设备输出端与天线输入端导线连接；天线输出端与信号处理器输入端1导线连接；姿态测量设备输出端与信号处理器输入端2导线连接；位置测量设备输出端与信号处理器输入端3连接；信号处理器输出端与伺服输入端导线连接。
第二步天线接收目标回波并得到角误差信息
目标模拟设备在预定角度下释放目标回波，天线对和通道、方位通道和俯仰通道接收到的回波信号进行处理，得到方位角误差信息AZerr、俯仰角误差信息ELerr，并上报给信号处理器。
第三步姿态测量设备和位置测量设备获取实时状态信息
姿态测量设备获取载体平台实时姿态信息：载体方位角yaw、载体俯仰角pitch和载体滚转角roll；位置测量设备获取载体平台在目标坐标系下的实时坐标
Figure BDA0001999434470000053
并将上述实时状态信息上报给信号处理器。
第四步信号处理器对获取的回波、角误差信息及实时状态信息进行处理
信号处理器对回波数据进行目标检测，得到目标距离R，并将角误差信息转化为目标偏离天线的实际角度：方位角AZ＝AZerr·kAZ，俯仰角EL＝ELerr·kEL，并将上述测量值转换到天线坐标系下的坐标
Figure BDA0001999434470000061
kAZ为方位角误差比例系数，kEL为俯仰角误差比例系数。
x＝R·sin(-AZ) (1)
y＝R·cos(AZ)·cos(EL) (2)
z＝R·cos(AZ)·sin(EL) (3)
根据姿态测量信息求出雷达测量值在载体平台系中的坐标，其中由天线系转换到载体平台系的旋转矩阵为：
Figure BDA0001999434470000062
得到雷达测量值在载体平台系中的坐标：
Figure BDA0001999434470000063
根据载体平台的位置信息，得到雷达测量值在目标坐标系中的坐标：
Figure BDA0001999434470000064
第五步信号处理器进行三维滤波，得到坐标的滤波值
信号处理器对雷达测量值的坐标进行α-β滤波，下面以坐标x为例，说明滤波过程。假设第k次x坐标的滤波值为
Figure BDA0001999434470000065
x方向速度的滤波值
Figure BDA0001999434470000066
首先得到第k+1次的x坐标的预测值
Figure BDA0001999434470000067
x方向速度的预测值
Figure BDA0001999434470000068
Figure BDA0001999434470000069
Figure BDA00019994344700000610
其中T为两次测量值获取的时间间隔。
根据预测值与测量值得到第k+1次的新息x(k+1)。其中，第k+1次的x坐标的雷达测量值为xm(k+1)。
Figure BDA0001999434470000071
根据第k+1次的新息x(k+1)及第k+1次的x坐标的预测值
Figure BDA0001999434470000072
x方向速度的预测值
Figure BDA0001999434470000073
得到第k+1次的x坐标的滤波值
Figure BDA0001999434470000074
x方向速度的滤波值
Figure BDA0001999434470000075
Figure BDA0001999434470000076
Figure BDA0001999434470000077
其中α为距离滤波参数，取经验值0.01，β为速度滤波参数，取经验值0.001。滤波到此结束，坐标y和坐标z的滤波过程与上述一致。
第六步信号处理器根据滤波值，转换为伺服的角速度值
根据坐标的滤波值
Figure BDA0001999434470000078
计算天线坐标系下的目标距离滤波值Rf，方位角滤波值AZf，俯仰角滤波值ELf：
Figure BDA0001999434470000079
Figure BDA00019994344700000710
Figure BDA00019994344700000711
将角度值除以kAZ为方位角误差比例系数，kEL为俯仰角误差比例系数，得到伺服的方位角速度值ωAZ，俯仰角速度值ωEL：ωAZ＝AZf/kAZ，ωEL＝ELf/kEL。
第七步将角速度值发送至伺服完成闭环跟踪
信号处理器在接收下一帧回波矩阵前，将得到的角速度值发送至伺服，进行角度闭环跟踪。
角度闭环跟踪过程结束，天线稳定跟踪目标。
本发明主要应用于跟踪雷达系统，能解决在运动载体平台上雷达角跟踪精度易受信噪比影响，或被干扰诱偏的问题，具有较强的抗干扰能力，计算量小，适合工程应用。

Claims (10)

1.一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
第一步 搭建角跟踪系统
角跟踪系统，包括：目标模拟设备、天线、伺服、姿态测量设备、位置测量设备和信号处理器；
目标模拟设备输出端与天线输入端导线连接；天线输出端与信号处理器输入端1导线连接；姿态测量设备输出端与信号处理器输入端2导线连接；位置测量设备输出端与信号处理器输入端3连接；信号处理器输出端与伺服输入端导线连接；
第二步 天线接收目标回波并得到角误差信息
目标模拟设备在预定角度下释放目标回波，天线对和通道、方位通道和俯仰通道接收到的回波信号进行处理，得到方位角误差信息AZerr、俯仰角误差信息ELerr，并上报给信号处理器；
第三步 姿态测量设备和位置测量设备获取实时状态信息
姿态测量设备获取载体平台实时姿态信息：载体方位角yaw、载体俯仰角pitch和载体滚转角roll；位置测量设备获取载体平台在目标坐标系下的实时坐标
Figure FDA0002525411790000011
并将上述实时状态信息上报给信号处理器；
第四步 信号处理器对获取的回波、角误差信息及实时状态信息进行处理
信号处理器对回波数据进行目标检测，得到目标距离R，并将角误差信息转化为目标偏离天线的实际角度：方位角AZ＝AZerrgkAZ，俯仰角EL＝ELerrgkEL，并将上述测量值转换到天线坐标系下的坐标
Figure FDA0002525411790000012
kAZ为方位角误差比例系数，kEL为俯仰角误差比例系数；
通过由天线系转换到载体平台系的旋转矩阵，根据姿态测量信息求出雷达测量值在载体平台系中的坐标；
根据载体平台的位置信息，得到雷达测量值在目标坐标系中的坐标；
第五步 信号处理器进行三维滤波，得到坐标的滤波值
信号处理器对雷达测量值的坐标进行α-β滤波，滤波到此结束；
第六步信号处理器根据滤波值，转换为伺服的角速度值
根据坐标的滤波值
Figure FDA0002525411790000021
计算天线坐标系下的目标距离滤波值Rf，方位角滤波值AZf，俯仰角滤波值ELf；
将角度值除以kAZ，kEL，得到伺服的方位角速度值ωAZ，俯仰角速度值ωEL：ωAZ＝AZf/kAZ，ωEL＝ELf/kEL；
第七步 将角速度值发送至伺服完成闭环跟踪
信号处理器在接收下一帧回波矩阵前，将得到的角速度值发送至伺服，进行角度闭环跟踪；
角度闭环跟踪过程结束，天线稳定跟踪目标。
2.根据权利要求1所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
天线坐标系下的坐标为：
x＝R·sin(-AZ) (1)
y＝R·cos(AZ)·cos(EL) (2)
z＝R·cos(AZ)·sin(EL) (3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
由天线系转换到载体平台系的旋转矩阵为：
Figure FDA0002525411790000022
4.根据权利要求3所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
雷达测量值在载体平台系中的坐标为：
Figure FDA0002525411790000023
5.根据权利要求4所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
雷达测量值在目标坐标系中的坐标：
Figure FDA0002525411790000031
6.根据权利要求1所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
信号处理器对雷达测量值的坐标进行α-β滤波，当坐标为x时，第k次x坐标的滤波值为
Figure FDA0002525411790000032
x方向速度的滤波值
Figure FDA0002525411790000033
首先得到第k+1次的x坐标的预测值
Figure FDA00025254117900000314
x方向速度的预测值
Figure FDA0002525411790000034
Figure FDA0002525411790000035
Figure FDA0002525411790000036
其中T为两次测量值获取的时间间隔；
根据预测值与测量值得到第k+1次的新息x(k+1)；其中，第k+1次的x坐标的雷达测量值为xm(k+1)；
Figure FDA0002525411790000037
根据第k+1次的新息x(k+1)及第k+1次的x坐标的预测值
Figure FDA0002525411790000038
x方向速度的预测值
Figure FDA0002525411790000039
得到第k+1次的x坐标的滤波值
Figure FDA00025254117900000310
x方向速度的滤波值
Figure FDA00025254117900000311
Figure FDA00025254117900000312
Figure FDA00025254117900000313
其中α为距离滤波参数，β为速度滤波参数，滤波到此结束。
7.根据权利要求6所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，α为0.01。
8.根据权利要求6所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，β为0.001。
9.根据权利要求1所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
天线坐标系下的目标距离滤波值Rf为：
Figure FDA0002525411790000041
10.根据权利要求9所述的一种基于位置环滤波的速度环角跟踪的方法，其特征在于，
方位角滤波值AZf和俯仰角滤波值ELf为：
Figure FDA0002525411790000042
Figure FDA0002525411790000043
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