CN104459608A - 一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法，针对舰船摇摆以及天线姿态对天线波束指向影响的问题，通过建立天线波束指向与天线姿态、舰船纵横摇之间关系的数学模型，能够快速将天线坐标系下的波束指向修正到大地坐标系中的波束指向。本发明的方法不仅能够显著提高舰船纵横摇与天线旋转情况时的天线波束指向精度，而且方法简单易行可操作性强。

Description

一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法

技术领域

本发明属于雷达天线技术领域，涉及一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法。 

背景技术

当前舰船对舰船雷达重量提出了越来越苛刻的要求，传统的机械稳定平台笨重且昂贵在应用中受到了很大的限制。电子稳定平台通过计算雷达波束在大地坐标上的指向角，来补偿由于舰船摇摆与天线姿态产生的波束指向偏差。电子稳定平台避免了笨重昂贵的伺服结构，因此具有重量轻、适应性强等优势。现已有多篇文献讨论电子稳定平台的补偿方法，文献（王有朝.对舰艇纵横摇坐标变换的讨论[J]，现代雷达，2001（4）：27-30）给出了一种新的纵横摇变换方法，该方法不随舰船纵横摇次序的变换而变化，但是工程应用中舰船平台罗经均采用的是卡尔丹环架结构，因此从大地到舰船甲板应该是先纵摇后横摇的次序，该方法与工程应用不符。文献（方成一,王振旺.舰载雷达天线电子稳定方程的推导方法[J].雷达与对抗,1999（2）：68-74.）给出了两套转换公式，分别是天线到大地的转换，大地到天线的转换公式，文献没有考虑天线相对于舰船甲板旋转时的情形，这将会给应用场合带来很大的限制。文献（冯同玲，陈龙潭. 舰载雷达天线电子稳定方程的推导与分析[J].火控雷达技术，2001（3）：31-36）、（张志远,罗国富. 舰船姿态坐标变换及稳定补偿分析[J]. 舰船科学技术，2009,31（4）：34-40）、（曹正才.舰载雷达常用稳定方式坐标变换[J].雷达与对抗，2010， 30(1)：47-52.）均推导出了舰船电子稳定补偿公式。文献中所述的这些公式均未考虑天线相对于舰船甲板旋转和雷达天线波束在方位俯仰二维扫描时对现代雷达天线波束指向带来的误差。 

综上所述，以上各种方法均未解决在舰船纵横摇情况下，天线相对甲板旋转后相对大地的变换问题，且未考虑雷达波束二维扫描时的波束相对大地的指向情况，本发明解决了这些问题因此能够精确地修正雷达波束指向。 

发明内容

针对现有的技术缺点，本发明的目的在于提供一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法，旨在修正舰船摇摆与天线旋转情况时的天线波束指向，以提高雷达波束的指向精度。为实现上述目的，本发明通过以下技术方法实现。 

一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法，包含如下步骤。 

第一步：已知天线坐标下的天线波束指向(As，Es)，天线仰角T、舰船纵摇角P、舰船横摇角R、天线旋角Ac； 

第二步：将A-E坐标下的天线波束指向(As，Es)转成直角坐标系下波束指向坐标 ；

第三步：计算旋角与后仰变换矩阵：

旋角变换矩阵（1）

后仰变换矩阵（2）

第四步：利用绕任意矢量旋转公式计算天线的纵摇与横摇变换矩阵：

计算大地X轴在天线上的向量，并归一化得到up，计算大地Y轴在天线上的向量，并归一化得到ur。采用绕任意矢量旋转公式，对于纵摇变换，其旋转矢量为up，旋转角为舰船纵摇角，得到纵摇变换矩阵rotp；对于横摇变换，其旋转矢量为ur，旋转角为舰船横摇角，得到横摇变换矩阵rotr；

第五步：计算大地坐标系下的波束指向角：

（1）计算大地坐标系下的指向角坐标   （3）

（2）计算A-E坐标系下的指向角           （4）。

本发明与现有技术方法相比，其有益效果是： 

①本发明采用了绕任意矢量旋转公式以及坐标变换等方式解决了舰船纵横摇以及天线阵面相对于甲板后仰旋转情况时的天线波束指向修正问题；

②本发明简单易行，可操作性强，且具有实时性的特点。实际中输入天线坐标系下的波束指向仅需公式就能快速计算得出大地坐标系下的波束指向。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

附图说明

图1为舰船纵横摇角定义示意图，图中1表示舰船艏艉线，2表示纵摇角，3表示横摇角。 

图2为天线后仰角以及相对甲板旋转角示意图，图中1表示舰船艏艉线，2表示天线阵面法线，3表示甲板铅垂线，4表示天线阵面旋角，5表示天线阵面仰角。 

图3为绕任意矢量旋转示意图，图中1表示任意矢量。 

图4为波束修正流程图。 

图5为修正前（左图）与修正后（右图）的CAD仿真模型图。 

具体实施方式

本例针对一组天线波束指向进行电子稳定波束修正，并将本发明的计算结果与CAD建模仿真数据进行了对比验证。

第一步：已知天线坐标下的天线波束方位As、俯仰指向Es分别为35°、45°，天线仰角T=18°、舰船纵摇角P=12°、舰船横摇角R=20°、天线旋角Ac=30°。如附图1所示，这里纵摇角2指的是舰船艏艉线1与大地水平面的夹角，舰艏在水平面上为正；横摇角3指的是绕舰船艏艉线1相对大地水平面的摆动，以右舷下倾为正；如附图2所示，天线阵面仰角5是指阵面相对甲板铅垂线3的夹角，以后仰为正；而天线阵面旋角4指的是天线阵面法线2在甲板上的投影线与舰艏线1的夹角，以逆时针为正。 

第二步：将A-E坐标下的天线波束指向(As，Es)转成直角坐标系下波束指向坐标。 

第三步：计算旋角与后仰变换矩阵： 

旋角变换矩阵，

后仰变换矩阵。

第四步：利用绕任意矢量旋转公式计算天线的纵摇与横摇变换矩阵：绕任意矢量旋转示意图如附图3所示。如附图1所示，这里纵摇的旋转矢量是大地X轴，而横摇的旋转矢量是大地Y轴，计算大地X轴在天线上的向量，并归一化得到up，计算大地Y轴在天线上的向量，并归一化得到ur。采用绕任意矢量旋转公式，对于纵摇变换，其旋转矢量为up，旋转角为舰船纵摇角，得到纵摇变换矩阵rotp；对于横摇变换，其旋转矢量为ur，旋转角为舰船横摇角，得到横摇变换矩阵rotr。 

第五步：计算大地坐标系下的波束指向角： 

（1）计算大地坐标系下的指向角坐标；

（2）计算A-E坐标系下的指向角得到。

为了验证本发明的正确性，建立了如附图5所示的CAD模型来验证该方法的正确性。图中方块模拟雷达波束指向，起始方块中心方位面指向35°、俯仰面指向45°，如附图5左图，按照本例中天线后仰18°、旋转30°，舰船纵摇12°、横摇20°建模变换后方块中心点直角坐标为（5.8499，29.2032，-3.5988），中心点距离原点r = 30。按照公式计算出方块中心的方位指向角为121.5994°，俯仰指向角为76.7652°与本发明的计算结果吻合，验证了本发明的正确性。 

Claims (2)

1.一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法，其特征在于：它包含以下步骤：

第一步：获取天线坐标下的天线波束方位俯仰角指向(As，Es)，天线仰角T、舰船纵摇角P、舰船横摇角R、天线旋角Ac；

第二步：将A-E坐标下的天线波束指向(As，Es)转成直角坐标系下波束指向坐标；

第三步：计算旋角与后仰变换矩阵：

旋角变换矩阵                                                 

后仰变换矩阵；

第四步：计算天线的纵摇与横摇变换矩阵：

计算大地X轴在天线上的向量，并归一化得到up，计算大地Y轴在天线上的向量，并归一化得到ur；采用绕任意矢量旋转公式，对于纵摇变换，其旋转矢量为up，旋转角为舰船纵摇角，得到纵摇变换矩阵rotp；对于横摇变换，其旋转矢量为ur，旋转角为舰船横摇角，得到横摇变换矩阵rotr；

第五步：计算大地坐标系下的波束指向角：

（1）计算大地坐标系下的指向角坐标  ；

    （2）计算A-E坐标系下的指向角。

2.根据权利要求1所述的一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法，其特征在于：所述的第四步中的纵摇、横摇变换矩阵的计算采用的是绕任意矢量旋转公式。