船用二次雷达标校中DGPS技术的应用

摘要 本文根据某二次雷达工程应用的实际，提出一种以DGPS全球卫星定位技术为基础的雷达标校方法，并对该方法进行了理论分析，该方法也可供其它雷达参考使用。

关键词 DGPS；二次雷达；标校

中图分类号TN958 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）85-0105-02

0 引言

雷达的测距误差与系统的延时、系统带宽和本地噪声等因数有关；测角误差与天线和转台的安装，信号处理方法和接收机噪声等因数有关。测距和测角的误差可以分解为系统误差和随机误差。从误差的性质来讲，随机误差部分需在雷达的设计、制造等环节采取措施尽量减小，而系统误差则能在雷达设计、制造、安装等方面予以消除。这种通过校准和标定减小系统误差的方法就称之为标校。

某新型二次雷达现在已经大批量交付用户安装在船舶平台上使用，为使其方位和测距精度满足使用要求，必须进行距离和方位标校。特别是由于该二次雷达采用了单脉冲技术，当标校现场环境复杂时，天线方向图易受环境影响而发生变化，所以该雷达在安装完成后、天线安装环境发生变化后、雷达维修后等情况下都必须进行标校，以满足用户使用要求。

1 传统雷达标校方法和不足

通常的二次雷达标校方法是船舶停泊在码头，二次雷达对指定的目标进行测距和测向后标校。码头的准确经纬度是已知的，在与二次雷达通视的远方（通常为十几公里）已有一个永久性的标校塔，将二次雷达标校应答机应答天线装在塔顶，且这个塔的经纬度也是已知的。这样，舰船停泊的码头中心点对标校塔的距离和方位角就固定了。每当需要标校时，二次雷达开机搜索标校塔方向的标校应答机，采得的距离和方位数据的平均值与固有值比较，就得到二次雷达测量结果的修正值。

另一种标校法与前者大同小异，是采用高精度的光学仪器测定出二次雷达天线座中心点至目标点的方位和距离，然后二次雷达找到标校目标，修正二次雷达的误差。

上述标校方法的优点是精度高，成本低，重复性好，缺点是对标校环境天气要求较高，在舰船较多的时候很难满足条件。而且大部分码头并不具备标校塔设施，难于实现。

2 一种以DGPS定位技术为基础的简易标校法

对于二次雷达，与一次雷达在工作体制上有较大的区别，因此，其配备有专用标校应答机。根据工程应用，我们制定了一种简单可行的标校方法对二次雷达进行标校。

这种标校方法借鉴了传统的标校理念，又引入了一些精确有效的技术，标校的整个过程非常机动灵活。在舰船周围随意选择与二次雷达天线通视的位置，架设标校应答机天线，并利用DGPS技术来进行方位距离校准以减小或消除系统误差。

该标校方法主要采用了DGPS定位技术，标校设备中配置了两套DGPS接收机，一套DGPS天线与标校应答机天线安装在一起，一套DGPS天线与二次雷达天线装在一起，使用DGPS接收机获取标校所需的距离和方位基准。两套掌上电脑作为DGPS接收机的终端，分别测量出需标校的天线和标校点配试天线的精确经、纬度和海拔高度，利用自行开发的程序，在电脑上计算出两点的距离和方位，作为基准，对该雷达进行标校。

测量时，将GPS接收机同时静置在天线位置T0和配试天线T进行30分钟左右的观测，测出天线位置T0和配试天线T在世界大地坐标系（WGS-84）的坐标（、J0、H0）和 （、J、H），GPS接收机测距码单点定位的精度为15m（2DRMS，L1，C/A code， HDOP≤4 without SA）。交通部海事局 “中国沿海RBN-DGPS系统”，从2002年1月1日起该系统正式开通投入使用。该系统在我国沿海建设了20座RBN-DGPS基准台，使得中国沿海地区DGPS定位精度可以达到1m～5m（2DRMS，L1，C/A code， HDOP≤4），完全可以满足船用二次雷达标校的需要，而且这种以DGPS技术为基础的标校方法基本上不会受到各种恶劣天气的影响。

以下是卫星定位技术测距和测角的算法。

1）地球坐标系

地心大地坐标系：地球椭球中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴相吻合，大地纬度为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度J为过地面点的椭球子午面格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线到椭球面的高度。全球定位系统GPS的参考系采用1984年的世界大地坐标系（WGS-84），测量的数据为（、J、H）。

地心空间直角坐标系：原点O与地球质心重合；Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。任一地面点T在世界大地坐标系（WGS-84）中的坐标可表示为（、J、H），任一地面点T在地球空间直角坐标系中的坐标也可表示为（X、Y、Z），这两种坐标相互可以转换。

2）站心坐标系

站心空间直角坐标系：原点位于观测点T0 （该型雷达天线所在点），Z轴与T0的椭球法线相重合，X轴垂直于Z轴指向椭球的短轴， 而Y轴垂直于XT0Z平面，构成左手坐标系。

站心极坐标系：站心极坐标系以XT0Z平面为基准，以T0为极点，以X轴为极轴，站心极坐标系适用于本型雷达。

站心空间直角坐标系与站心极坐标系相互可以进行转换。

需要注意的是，如果该型雷达和一次雷达位于同一桅杆上，认为它们都位于极点上，如果该型雷达和一次雷达有一定距离时，该型雷达对一次雷达提供的目标的距离和方位信息要进行坐标转换。

3）地心大地坐标系与地心空间直角坐标系的转换

首先利用标校设备GPS测出观测点T0和目标点T在世界大地坐标系（WGS-84）的坐标（、J0、H0）和 （、J、H），然后利用转换公式

这样标校设备GPS测出观测点T0和目标点T在世界大地坐标系（WGS-84）的坐标（、J0、H0）和 （、J、H），经过坐标转换可得到r―观测点T0和目标点T距离，α―目标点T在站心极坐标系的方位角，β―为目标点T在站心极坐标系的俯仰角。

对于二次雷达天线来说，它处于站心极坐标系的原点，理想的情况，它的机械轴应与站心极坐标系的极轴，即站心空间直角坐标系X轴相重合，并且机械轴、电轴和编码器轴三个轴应是重合的。因此测角的系统误差与机械轴和极轴以及电轴与机械轴和编码器轴不重合度有关。

这种算法已经通过自行开发的程序置入掌上电脑中，一般正式标校时，待标校雷达天线为定向工作方式，记录配试的目标距离和波束中心角度。算出目标距离r’和方位角的平均值α’。此时通过DGPS定位已经得到了天线位置T0和配试天线T的经维度和高度，通过掌上电脑中计算出来的T0和T的距离r，配试天线T在站心极坐标系的方位角α已经得到，通过r’ 、r和α’ 、α之间的比较，可标定出测距和测角误差。这时将得出的测距和测角误差输入到该新型雷达的终端中进行电补偿，就可以达到修正校准的目的。

具体实施时，标校应答机的天线最好远离二次雷达的天线，在方位上没有特殊要求。因为距离越远，精度越高；而且雷达天线副瓣对标校的影响也会降低。通过计算我们得出当标校应答机的天线距离已二次雷达的天线0.8km`18km时，距离误差能够达到小于±10m；方位角误差能够达到小于±0.1°，满足该新型雷达的技术指标和使用要求。当码头实际环境确实找不到0.8km以上的位置时，配试天线的位置可以距离再近些，但不应低于0.4km，这时候的误差值就提高了一倍左右。

3 结论

本文介绍的以DGPS技术为基础的标校方法已经在某船用二次雷达成功应用。实践表明，该方法操作简易、架设方便，可大大提高了该型雷达的标校效率，降低了标校成本，节省了标校时间。出海对使用该标校方法的效果进行验证的结果表明，该标校方法完全可以满足该型二次雷达的使用要求。