CN103926571A - 一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法：（1）完成被试验鉴定雷达的架设、标定、大地坐标和高程测量工作，根据被试验鉴定雷达的工作属性选择观测示踪物、观测示踪物包括一次雷达选择反射靶，二次雷达选择与其配套的探空仪；（2）选用合适的探空气球同球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空；（3）探空气球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空过程中，分别由星基导航探空测风系统地面部分接收并采集星基导航探空仪的实时方位、仰角、斜距、以及经纬度、高程等数据；由被试验鉴定雷达获取观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据；进行坐标转换并完成数据计算，评定被试验鉴定雷达的测距和测角误差。

Description

一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法

技术领域

本发明涉及一种利用星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法。

背景技术

测距和测角误差是雷达试验鉴定的重要考核项目之一。长期以来，对于雷达测距和测角误差的考核主要有标准雷达比对、高精度光学经纬仪比对、固定目标物扫描等方法。

标准雷达相对于被考核雷达，其测距和测角误差通常小三分之一以上，这样，标准雷达的测距和测角误差几乎可以忽略不计，标准雷达的测量值相对于被考核雷达就可以作为真值使用。如用作标准雷达使用的某型相控阵测量雷达的测距误差为±3m、测角误差为±0.011°。不足之处在于标准雷达的造价昂贵、使用成本高，且标准雷达在我国数量较少，使用时受到一定的限制。

高精度光学经纬仪比对法使用的经纬仪通常有光学电影经纬仪、光学测风经纬仪等，这种经纬仪的优点是测角精度高、操作使用方便，如160电影经纬仪的测角误差为±0.005°，前苏联ATK-II测风经纬仪测角误差为±0.03°。不足之处是由于光学结构的限制，光学经纬仪在远距离和天气条件不好的情况下应用受到限制且无法用于测距比对；光学电影经纬仪使用电影胶片，成本较高等。

固定目标物扫描法选用已知坐标的固定目标物作为目标物，被试雷达对固定目标物进行扫描探测，并与已知坐标进行比对得到被试雷达的测距和测角误差。固定目标物扫描法受场地和目标物选取的限制，一般用于雷达测距和测角误差的静态测试。

现有的星基导航探空仪主要有基于美国全球导航定位系统的GPS探空仪、基于中国北斗卫星导航定位系统的北斗探空仪、双模（GPS、北斗）导航探空仪、基于其他卫星导航定位系统的探空仪或双模、多模的星基导航探空仪。星基导航探空仪具有地面接收设备简单、定位精度高等优点，通过和地面接收设备配合完成高空温度、气压、湿度、风的探测。

发明内容

本发明的目的：针对目前雷达试验鉴定领域对测距和测角误差各种评定方法中存在的不足和缺陷，提出一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法，利用较低的成本及较方便的方法完成对雷达测距和测角误差的评定。

本发明的技术方案：一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法，所述星基导航探空仪为基于全球定位系统的GPS探空仪，或基于北斗卫星导航定位系统的北斗探空仪，或基于其他卫星导航定位系统的探空仪或双模、多模的星基导航探空仪。上述星基导航探空仪的地面接收设备还可用作提高星基导航探空仪测量精度的差分定位仪。

本发明的具体操作步骤如下：

（1）完成被试验鉴定雷达的架设、标定、大地坐标和高程测量等工作，根据被试验鉴定雷达的工作属性选择观测示踪物（如为一次雷达选择反射靶，二次雷达可选择与其配套的探空仪）；

（2）选用合适的探空气球同球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空；

（3）探空气球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空过程中，分别由星基导航探空测风系统地面部分接收并采集星基导航探空仪的实时方位、仰角、斜距、以及经纬度、高程等数据；由被试验鉴定雷达获取观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据；

（4）对步骤（3）中被试验鉴定雷达获取的观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据进行大气折射修正；

（5）进行坐标转换并完成数据计算，将步骤（3）中获取的星基导航探空仪实时方位、仰角、斜距数据和由被试验鉴定雷达获取的观测示踪物并经大气折射修正的实时方位、仰角、斜距数据转换到同一坐标系中，以星基导航探空仪获取的测距和测角数据为相对标准值来评定被试验鉴定雷达的测距和测角误差。

上述星基导航探空仪为基于全球定位系统的GPS探空仪或基于北斗卫星导航定位系统的北斗探空仪或基于别国及其他卫星导航定位系统的探空仪或具有某两种或三种卫星导航定位兼容或双模、多模的星基导航探空仪。

进一步，上述星基导航探空测风系统地面部分还可以用作提高星基导航探空仪测量精度的差分定位仪。

进一步，数据处理过程中坐标转换可以将标准设备观测结果转换为以被试验鉴定雷达天线作为坐标原点的测量结果，也可将被试验鉴定雷达观测结果转换为以标准设备（某星基导航探空测风系统）天线为坐标原点的观测结果。

本发明的有益效果：通过一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法，利用较低的成本及较方便的方法完成对雷达测距和测角误差的评定，克服了标准雷达比对、高精度光学经纬仪比对、固定目标物扫描等方法中存在的不足和缺陷。

具体实施方式

利用本方法对被试验鉴定雷达测距和测角误差进行评定，其具体步骤如下：

（1）完成被试验鉴定雷达的架设、标定、大地坐标和高程测量等工作，根据被试验鉴定雷达的工作属性选择观测示踪物（如为一次雷达选择反射靶，二次雷达可选择与其配套的探空仪，采用现有技术方案）；

（2）选用合适的探空气球同球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空；

（3）探空气球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空过程中，分别由星基导航探空测风系统地面部分接收并采集星基导航探空仪的实时方位、仰角、斜距、以及经纬度、高程等数据；由被试验鉴定雷达获取观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据；

（4）对步骤（3）中被试验鉴定雷达获取的观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据进行大气折射修正；

（5）进行坐标转换并完成数据计算，将步骤（3）中获取的星基导航探空仪实时方位、仰角、斜距数据和由被试验鉴定雷达获取的观测示踪物并经大气折射修正的实时方位、仰角、斜距数据转换到同一坐标系中，以星基导航探空仪获取的测距和测角数据为相对标准值来评定被试验鉴定雷达的测距和测角误差。

坐标转换方法如下：

设标准设备（某星基导航探空测风系统）地面接收天线坐标为纬度为、经度λ₀和海拔高度h₀，被试验鉴定雷达天线坐标为纬度、经度λ₁和海拔高度h₁。

坐标转换可以将标准设备（某星基导航探空测风系统）观测结果转换为以被试验鉴定雷达天线为坐标原点的坐标系中，也可将被试验鉴定雷达观测结果转换为以标准设备（某星基导航探空测风系统）天线为坐标原点的观测结果。这里以将标准设备（某星基导航探空测风系统）观测结果转换到以被试验鉴定雷达天线为坐标原点的测量结果为例，试验数据处理过程中坐标转换步骤如下：

(a)将标准设备（某星基导航探空测风系统）在地心坐标系中的坐标按照以下公式转换为地心直角坐标系的值(X₀,Y₀,Z₀)。

式中：

N─地球的曲率半径，

e─地球的偏心率，e²＝(a²-b²)a²，一般取0.00669437999013；

h₀─测站海拔高度(m)；

─测站地理纬度(rad)；

λ₀─测站地理经度(rad)；

a─地球椭球的长轴半径，取6378137m；

b─地球椭球的短轴半径，取6356752m。

(b)将标准设备（某星基导航探空测风系统）测量星基导航探空仪得到的i组极坐标(α_i,β_i,R_i)测量数据按以下公式转换为以标准设备（某星基导航探空测风系统）为站心的直角坐标系的值(X′_i,Y′_i,Z′_i)。

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i^{\′}=R_i\cos {\mathrm{\α}}_i\cos {\mathrm{\β}}_i\\ Y_i^{\′}=R_i\cos {\mathrm{\α}}_i\sin {\mathrm{\β}}_i\\ Z_i^{\′}=R_i\sin {\mathrm{\α}}_i\end{array}\right.\·\·\·\left(2\right)$

(c)将测量目标以标准设备（某星基导航探空测风系统）为站心的直角坐标转换为地心直角坐标系的值(X_i,Y_i,Z_i)。

(d)将被被试验鉴定雷达在地心坐标系中的坐标按照以下公式转换为地心直角坐标的值(X₁,Y₁,Z₁)。

(e)将标准设备（某星基导航探空测风系统）在地心直角坐标系的值(X_i,Y_i,Z_i)代入以下公式计算出假设标准设备（某星基导航探空测风系统）在以被试验鉴定雷达位置为原点的站心直角坐标的值(X′₁,Y′₁,Z′₁)。

(f)用以下公式将标准设备（某星基导航探空测风系统）坐标转换的结果(X′₁,Y′₁,Z′₁)转换为以被试验鉴定雷达为原点的极坐标的值(α‘_i,β’_i,R’_i)。其中方位角β’₁用公式还需要结合坐标实际情况进行判断。

(g)对经坐标转换得到的标准设备观测数据(α‘_i,β’_i,R’_i)和经过大气折射修正的被试验鉴定雷达观测数据(α‘_i1,β’_i1,R’_i1)进行数据处理。

数据处理过程如下：

①数据剔除

计算测量误差时，应先根据以下准则进行数据剔除（参见GJB6556.8-2008《军用气象装备定型试验方法数据录取和处理》），计算标准差时，采用“三倍标准偏差准则”剔除粗大误差。

②每组的测试数据，都应以用公式（7）计算差值。

X＝A-A₀………………………………(7)

式中：

X─被试品一次测量的差值；

A─被评定雷达观测数据(α‘_i1,β’_i1,R’_i1)，实际计算时按照仰角、方位、斜距分开来计算；

A₀─经数据处理后得到的标准设备观测数据(α‘_i,β’_i,R’_i)，实际计算时按照仰角、方位、斜距分开来计算。

③先将一组差值x₁,x₂,x₃,…x_k…x_n中绝对值最大的数x_k假设为粗大误差，剔除后分别用公式（8）和公式（9）计算该组差值的系统误差x和标准偏差s。

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i}{n}\·\·\·\left(8\right)$

式中：─系统误差；

x_i─各次测量所得差值；

n─测量的次数。

$s=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2}{n-1}}\·\·\·\left(9\right)$

式中：s─标准偏差；

─系统误差或测量结果的平均值；

x_i─各次测量所得误差或测量结果。

④如果差值x_k落在确定的误差区间以外,应认为是粗大误差予以剔除，否则不应剔除。若经检验绝对值最大的数x_k为粗大误差，应再选一个绝对值最大的数x_k继续进行检验，直至一组差值中不含粗大误差。剔除粗大误差后重新计算的系统误差和标准偏差，即是该组差值的统计结果。参与统计的样本值，均落在以内。

⑤雷达测量误差（仰角、方位、斜距）以时间比对差值为样本，统计每一次试验各组数据的测量误差（仰角、方位、斜距）的标准偏差，同时给出系统差。最后对各次试验数据进行批统计给出综合测量误差。

上述星基导航探空仪为基于全球定位系统的GPS探空仪，或基于北斗卫星导航定位系统的北斗探空仪，或基于其他卫星导航定位系统的探空仪或双模、多模的星基导航探空仪。星基导航探空仪的地面接收设备还可用作提高星基导航探空仪测量精度的差分定位仪，采用差分定位仪可以使导航探空仪测量精度更高。

Claims (4)

1.一种基于星基导航探空仪评定雷达测距和测角误差的方法：其特征在于利用星基导航探空仪获取的测距和测角数据作为相对标准值来评定被试验鉴定雷达的测距和测角误差；

具体操作步骤如下：

（1）完成被试验鉴定雷达的架设、标定、大地坐标和高程测量工作，根据被试验鉴定雷达的工作属性选择观测示踪物、观测示踪物包括一次雷达选择反射靶，二次雷达选择与其配套的探空仪；

（2）选用合适的探空气球同球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空；

（3）探空气球携带星基导航探空仪和观测示踪物升空过程中，分别由星基导航探空测风系统地面部分接收并采集星基导航探空仪的实时方位、仰角、斜距、以及经纬度、高程等数据；由被试验鉴定雷达获取观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据；

（4）对步骤（3）中被试验鉴定雷达获取的观测示踪物的实时方位、仰角、斜距数据进行大气折射修正；

（5）进行坐标转换并完成数据计算，将步骤（3）中获取的星基导航探空仪实时方位、仰角、斜距数据和由被试验鉴定雷达获取的观测示踪物并经大气折射修正的实时方位、仰角、斜距数据转换到同一坐标系中，以星基导航探空仪获取的测距和测角数据为相对标准值来评定被试验鉴定雷达的测距和测角误差。

2.基于星基导航探空仪评定被试验鉴定雷达测距和测角误差的方法：其特征在于上述星基导航探空仪为基于全球定位系统的GPS探空仪或基于北斗卫星导航定位系统的北斗探空仪或基于别国及其他卫星导航定位系统的探空仪或具有某两种或三种卫星导航定位兼容或双模、多模的星基导航探空仪。

3.基于星基导航探空仪评定被试验鉴定雷达测距和测角误差的方法：其特征在于上述星基导航探空测风系统地面部分用作提高星基导航探空仪测量精度的差分定位仪。

4.基于星基导航探空仪评定被试验鉴定雷达测距和测角误差的方法：其特征在于数据处理过程中坐标转换将标准设备观测结果转换为以被试验鉴定雷达天线作为坐标原点的测量结果，或将被试验鉴定雷达观测结果转换为以标准设备天线为坐标原点的观测结果。