船载测量雷达定位方法研究

周立锋

(92941 部队，辽宁 葫芦岛 125001)

0 引言

雷达是用来发现和跟踪目标并对其进行定位的电磁系统。作为自主定位的测控装备，雷达有其自身优势，相比GPS 抗电磁干扰能力强。与光学测量设备不一样，雷达在黑暗、雾霾和雨雪中都能对目标进行定位，可进行24 h 全天候测量。雷达数据录取的频率高、测量的诸元多，能够自成系统进行数据处理，并便于实现测量和数据处理的自动化，可缩短试验的周期。

随着测量任务需要的发展，比如卫星发射，测控任务越来越重，传统的固定站点雷达布站方案已不能满足测量的需要。船载测量雷达由于其布站灵活性，可以布设在海洋中，具有比较大的优势。船载测量雷达作为活动站，其数据处理方法与固定站点测量雷达的处理方法不尽一致。

1 坐标系定义

在船载雷达测量坐标系下，目标的测量参数为斜距R、方位角A和俯仰角E。为方便分析目标航迹，需将测量坐标系的测量值转换到WGS-84 坐标系。在航迹参数解算中，需要用到以下几个坐标系。

1.1 测量坐标系

船载雷达的原始测量数据是基于测量坐标系下的，其原点Oc在雷达方位轴与俯仰轴的交点，OXc轴在大盘平面内指向方位轴输出为零的方向，OYc轴铅垂向上，OZc轴与OXc轴构成右手直角坐标系［1］，如图1所示。

图1 测量坐标系

1.2 甲板坐标系

甲板坐标系原点Oj为惯性导航平台三轴交点，OXj轴在甲板平面内指向船艏，OYj轴垂直甲板向上，OZj与轴与OXj轴、OYj构成右手直角坐标系，如图2所示。

图2 甲板坐标系

1.3 地平坐标系

地平坐标系原点Og为惯性导航平台三轴交点，OXg轴在当地水平面内指向真北，OYg轴铅垂向上，OZg轴与OXg轴、OYg构成右手直角坐标系［2］，如图3所示。

图3 地平坐标系

1.4 WGS-84 坐标系

目前，在航迹参数解算时，坐标系一般采用WGS-84 坐标系。WGS-84 坐标系原点O为地球质心，OX 轴为过原点指向国际时间局BI1984.0时元定义的零子午面和国际时间局BI1984.0时元定义的协议地球赤道的交点;OY 轴为过原点指向国际时间局BI1984.0时元定义的协议地球东向，并垂直于OX 轴;OZ 轴为过原点平行于国际时间局BI1984.0时元定义的协议地球极轴(CTP）方向［3-4］，如图4所示。

图4 WGS-84 坐标系

2 定位算法分析

船载雷达测量得到的是测量坐标系下的球面坐标，在参数解算时，要进行数据预处理、误差修正和方位角跨零等处理，并进行船位修正、船体变形修正和船姿修正。

下面主要分析船载雷达测量坐标系到WGS-84 坐标系的坐标变换过程，船载测量坐标系到WGS-84发射坐标系转换流程，如图5所示。

图5 坐标系转换流程图

2.1 测量坐标系到甲板坐标系的转换

由于雷达测量的测量值是测量坐标系下的斜距R、方位角A和俯仰角E，所以首先得把球面坐标转换到直角坐标，其转换公式如下:

测量直角坐标系到甲板坐标系:

式中B为变形的等效欧拉角矩阵，其形式如式(4），用测量坐标系相对甲板系的3个变形角代替3个船摇角。Xj0、Yj0、Zj0为测量坐标系原点在甲板坐标系的坐标。

2.2 甲板坐标系到地平坐标系的转换

甲板坐标系到地平坐标系的转换公式如下:

其中

式中Kc、Ψc、为输出的航向角、纵摇角和横摇角测量值。

航向角Kc为甲板坐标系OXj轴与地平坐标系OXg在XOZ 平面的夹角，即船艏艉线与真北的夹角，向右为正;纵摇角Ψc为甲板坐标系OXj轴与地平坐标系OXg在XOY 平面的夹角，向上为正;横摇角为甲板坐标系OZj轴与地平坐标系OZg在YOZ 平面的夹角，右舷向下为正。

2.3 地平坐标系到WGS-84 坐标系的转换

地平坐标系到WGS-84 坐标系的转换公式如下:

其中

式中Lc、Bc为提供的船的经度和纬度;Xg0、Yg0、Zg0为地平坐标系原点在地心坐标系的坐标。

3 算例分析

下面分析的数据是某次任务雷达跟踪飞机的数据。飞机上加装了GPS 高精度测量系统，载波相位差分定位时其动态距离测量精度为0.2 m，GPS 数据转换到雷达站点其测角精度为0.01 mrad。GPS定位采用的是WGS-84 坐标系，把GPS定位结果数据转换到雷达测量坐标系，给雷达定位结果数据比对分析当真值。用文中算法得到的雷达定位结果与GPS 数据作一次差比对分析，其具体情况如图6～8所示。图中，横轴为时间，单位s;纵轴为一次差，单位为m 或毫弧度。一次差的均值和标准差如表1所示。

图6 斜距R 一次差

图7 方位角A 一次差

图8 俯仰角E 一次差

表1 一次差均值与标准差

4 结束语

通过算例数据分析，本文采用的雷达定位方法合理正确，精度高，能够满足测量需求，能在测量的相关领域推广应用。但是，由于雷达测量体制的原因，要想得到更高精度的定位数据，在雷达的设计和制造过程中还需进一步提高装备本身的精度。

［1］简仕龙，费加兵，刘冰.航天测量船海上测控技术概论［M］.国防工业出版社，2009:390.

［2］张守信.外弹道测量与卫星轨道测量基础［M］.北京:国防工业出版社，1992:62-63.

［3］朱华统，郑育富.大地测量［M］.北京:测绘出版社，1987:342-344.

［4］罗海银.导弹航天测控通信技术词典［M］.北京:国防工业出版社，2001:448-449.