CN106093892A - 基于标校卫星同时开展雷达rcs标定与外测标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统，本发明将改变现有雷达分别选择RCS标校卫星与外测标校卫星进行RCS标定与外测标定的工作模式，基于多功能标校卫星的技术特点，雷达可同时进行RCS标定与外测标定，将现有雷达标校工作的效益将提高一倍，雷达标校过程中产生的经济消耗与人力保障需求将降低一倍。

Description

基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统

技术领域

本发明雷达测量技术领域，特别涉及RCS标定与系统误差标定技术，是一种基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统。

背景技术

地面大功率反射式脉冲雷达是目标探测、态势感知等领域的重要骨干设备，具有距离远、全天候的优点。反射式脉冲雷达可获取的信息包括目标相对雷达的距离(R)、角度(方位、俯仰)等外测位置信息以及RCS(雷达散射截面)目标散射特性信息。

RCS表征了目标对雷达照射电磁波的散射能力，目标RCS测量，是利用雷达方程对雷达接收机回波功率进行换算的过程，通常分为绝对标定法和相对标定法。绝对标定法对雷达各参数直接测量，然后按雷达方程算出目标RCS值，这种方法误差较大；相对标定法是通过对精确RCS基准目标的标定，通过建立起待测目标回波功率与基准目标回波功率间的关系，以基准目标RCS为基准，推算被测目标RCS。目前，RCS标定普遍采用相对标定法。

受机械加工、电气设计、信道噪声等因素影响，雷达获取的距离、角度等外测信息中，包括大量系统性误差，如不加以扣除，将会降低测量数据精度，影响数据的后续使用效果，必须通过外测标定加以扣除。系统性误差是各误差项的线性组合，其数学表达式即为系统误差模型。外测标定的过程是，通过对已知精确位置基准目标的测量，建立起系统误差模型，利用建立的系统误差模型，修正雷达测量数据。

利用天基标校卫星进行雷达RCS标定与外测标定是目前最先进的技术手段，具有标校精度高、经济效益好、组织实施灵活等多种优点。在2011年12月出版的《空军装备研究》第5卷第6期第11页至13页中，公开了目前世界上现有RCS标校卫星的设计方法，即利用具有规则几何形状的空心金属球(绝大多数为圆形)，作为精确的RCS定标体。最为代表的为Lincon Calibration Sphere(林肯标校球卫星)，卫星为一个厚约3.2mm、直径1.12m的空心铝球， 其光学反射截面为πR²＝1m²，这种设计方法的缺点是卫星仅能提供高精度目标特性基准用于RCS标定，而不能用于外测标定。在同文中，公开了现有外测标校卫星的设计方法，即在卫星平台上加装GPS接收机或激光角反射器，提供高精度位置基准，用于雷达外测标校。如RADCAL卫星，卫星上携带1台GPS接收机，Larets标校卫星，卫星上加装有激光角反射器，这种设计方法的缺点是卫星仅能提供高精度位置基准用于外测标定，而不能用于RCS标定。

基于现有标校卫星的设计方法与所提供的服务，地面雷达进行标定时，需分别选择RCS标校卫星与外测标校卫星，分时进行RCS标定与外测标定工作，不仅地面雷达标校工作效率低，而且若外测标定与RCS标定间隔时间过长，由于雷达状态的变化，将影响标校结果的有效性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统，通过设计一种多功能标校卫星，同时提供高精度目标特性基准与位置基准，使地面雷达同时开展RCS标定与外测标定工作，提高地面雷达的标校效率与标校效果。

基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统，其特征在于：

建立标校卫星，所述的标校卫星由微小卫星平台、有效载荷组成；其中微小卫星平台内部安装有GNSS接收机、动量轮、磁力矩器、星载计算机、蓄电池、测控应答机、温度传感器；

其中的微小卫星平台对地面的一面挖孔安装龙伯球，负责提供精确目标特性基准，其余表面贴有太阳能电池，负责为蓄电池充电；

GNSS接收机与GNSS接收天线配合，接收GNSS系统导航电文，并通过测控系统下传，负责提供高精度位置基准；

动量轮与磁力矩器配合，负责完成卫星姿态调整；

测控应答机负责下传GNSS接收机测量数据、卫星工程参数，接收上行控制指令；

星载计算机负责星务管理、测控应答、姿轨控制计算、存储、管理任务；

蓄电池负责在地球阴影区内为平台及GNSS接收机供电。

其中的微小卫星平台采用立方体、圆柱体或多边形体。

其中的微小卫星平台对天的一面安装有GNSS接收机天线、磁强计、对天测控天线，平台表面与龙伯球连接处安装对地测控天线，平台四个表面及对天面安装有太阳感敏器。

基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统的标定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、RCS标定：

RCS的测量基础是雷达方程

式中：

P_r－雷达接收机所检测的功率

P_t－发射机功率

G_t－天线发射增益

G_r－天线接收增益

λ－雷达探测信号波长

σ－在雷达工作频率上的目标后向散射面积RCS

R－雷达到目标的距离

L_a－双程大气耗损

L_r－接收通道耗损

L_t－发射通道耗损

雷达检测到的中频功率P_so与接收机输入端接收功率P_r的关系为：

其中A_T为接收机数控衰减量，A_M为接收机增益，得到雷达方程：

其中方括号中的各项与所探测的目标无关，是雷达的技术参数，在一次测量过程中认为是常数，将方括号里的表达式记作则

相对标定法在测量目标RCS前，先对确定已知精确RCS值为σ₀的基准目标进行测量，计算出K值，利用K值计算跟踪目标的σ₁

K值计算过程如下：

其中，下标i或上标i表示第i次采样中的具体值；

由于龙伯球受加工影响，随雷达观测角度的变化，将会有细微变化，事前需在地面对龙伯球不同姿态的RCS值进行精确测量，计算时查表代入相应的值；

为采样时天线接、发增益，与天线方向图有关，计算时根据雷达天线方向图以及采样时天线的动态滞后量查表代入相应的值；

为采样时标校星与雷达的距离，直接代入雷达测量值；

与相关，利用进行修正；

直接由雷达测量数据获取；

得到每次采样的Kⁱ值后，进行算术平均得到K值

步骤二、外测标定：

首先根据雷达测量误差建立误差模型如下：

ΔR_i＝ΔR₀+R₁cscE_i

其中，ΔR₀、ΔA₀、ΔE₀分别为距离、方位和俯仰零值，E_i,A_i为雷达每次测量时所获取的俯仰角、方位角，R₁、e5分别为距离和俯仰角的电波折射修正残系数，a1、e1、a2、e2分别为大盘不水平系数，a3为方位轴、俯仰轴不正交系数，a4为电轴机械轴不平行度数，a5、a6分别为方位编码器非线性系数，e3为俯仰编码器非线性系数，e4为重力下垂变形误差系数，G为常数；ΔU_a,ΔU_e分别为方位和俯仰的误差电压，C_a，C_e分别为方位和俯仰支路角定向灵敏度系数；

采用最小二乘的高斯估计计算对误差系数进行求解，定义误差系数构成状态矢量η,初始值设为η₀；

建立观测方程

其中，Y_i为t_i时的实际观测量，为由初始状态量η₀出发并根据卫星星历算得的t_i时刻的观测真值，ε_i为随机噪声，采用最小二乘法通过观测值和真值来估计初始状态η₀的最佳估计最佳判据取为观测残差的均方和最小；

定义下列矢量

则上式化为

使观测残差均方和最小，即使得为最小，假定η₀为的最佳估计，则

上式是具有n个未知量的n个非线性函数,采用迭代法进行计算，改进过程线性化后构成一个线性系统

D＝Hη+ε，其中，

满足最小二乘估值的条件成为-2(D-Bx)^TB＝0，解得η＝(H^TH)^-1H^TD，

建立误差计算模型为：η_ξ＝(H_ξ ^TH_ξ)^-1H_ξ ^TD_ξ；

式中，下标ξ代表距离、方位角、俯仰角，H为根据误差模型建立的矩阵，D为雷达测量值与卫星精轨值的差，η为误差系数矩阵。

本发明的有益效果：本发明相比于现有单一功能的RCS标校卫星、外测标校卫星，提出了一种可同时提供高精度RCS基准、位置基准信息的多功能标校卫星设计方案。基于多功能标校卫星，提出了同时进行RCS标定与外测标定的数据处理方法。本发明将改变现有雷达分别选择RCS标校卫星与外测标校卫星进行RCS标定与外测标定的工作模式，基于多功能标校卫星的技术特点，雷达可同时进行RCS标定与外测标定，将现有雷达标校工作的效益将提高一倍，雷达标校过程中产生的经济消耗与人力保障需求将降低一倍。

附图说明

图1为本发明实施例中标校卫星实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式做详细说明。

多功能标校卫星由微小卫星平台、有效载荷组成，微小卫星平台可采用立方体、圆柱体、多边形体等多种形式，下面以立方体为例，如图1所示，说明 多功能标校卫星的设计方法，。

平台对地面面挖孔安装龙伯球，负责提供精确目标特性基准。平台除对地面外，其余表面贴有太阳能电池，负责为蓄电池充电。平台对天面安装有GNSS接收机天线、磁强计、对天测控天线。平台表面与龙伯球连接处安装对地测控天线。平台四个表面及对天面安装有太阳感敏器。

平台内部安装有GNSS接收机、动量轮、磁力矩器、星载计算机、蓄电池、测控应答机、温度传感器。GNSS接收机与GNSS接收天线配合，接收GNSS系统导航电文，并通过测控系统下传，负责提供高精度位置基准；磁强计与太阳敏感器相互配合，完成卫星姿态测量；动量轮与磁力矩器配合，负责完成卫星姿态调整；测控应答机负责下传GNSS接收机测量数据、卫星工程参数，接收上行控制指令；星载计算机负责星务管理、测控应答、姿轨控制等计算、存储、管理等任务；蓄电池负责在地球阴影区内为平台及GNSS接收机供电。

本发明的基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、RCS标定：

RCS的测量基础是雷达方程

式中：

P_r－雷达接收机所检测的功率

P_t－发射机功率

G_t－天线发射增益

G_r－天线接收增益

λ－雷达探测信号波长

σ－在雷达工作频率上的目标后向散射面积RCS

R－雷达到目标的距离

L_a－双程大气耗损

L_r－接收通道耗损

L_t－发射通道耗损

雷达检测到的中频功率P_so与接收机输入端接收功率P_r的关系为：

其中A_T为接收机数控衰减量，A_M为接收机增益，得到雷达方程：

其中方括号中的各项与所探测的目标无关，是雷达的技术参数，在一次测量过程中认为是常数，将方括号里的表达式记作则

相对标定法在测量目标RCS前，先对确定已知精确RCS值为σ₀的基准目标进行测量，计算出K值，利用K值计算跟踪目标的σ₁

K值计算过程如下：

其中，下标i或上标i表示第i次采样中的具体值；

由于龙伯球受加工影响，随雷达观测角度的变化，将会有细微变化，事前需在地面对龙伯球不同姿态的RCS值进行精确测量，计算时查表代入相应的值；

为采样时天线接、发增益，与天线方向图有关，计算时根据雷达 天线方向图以及采样时天线的动态滞后量查表代入相应的值；

为采样时标校星与雷达的距离，直接代入雷达测量值；

与相关，利用进行修正；

直接由雷达测量数据获取；

得到每次采样的Kⁱ值后，进行算术平均得到K值

步骤二、外测标定

系统误差模型

1)距离系统误差项主要包括距离零值和大气折射误差两部分。

2)角度系统误差项主要包括零值误差、电轴与俯仰轴不正交引起的误差、俯仰轴与方位轴不正交起的误差、角编码盘偏心误差修正、天线重力下垂误差、动态滞后跟踪误差、大气折射误差等。

根据以上所述的雷达测量误差的主要来源,可以建立以下误差模型:

ΔR_i＝ΔR₀+R₁cscE_i

其中，ΔR₀、ΔA₀、ΔE₀分别为距离、方位和俯仰零值，E_i,A_i为雷达每次测量时所获取的俯仰角、方位角，R₁、e5分别为距离和俯仰角的电波折射修正残系数，a1、e1、a2、e2分别为大盘不水平系数，a3为方位轴、俯仰轴不正交系数， a4为电轴机械轴不平行度数，a5、a6分别为方位编码器非线性系数，e3为俯仰编码器非线性系数，e4为重力下垂变形误差系数，G为常数；ΔU_a,ΔU_e分别为方位和俯仰的误差电压，C_a，C_e分别为方位和俯仰支路角定向灵敏度系数；

利用精密星历求解设备的测量元素

1)根据已知等间隔的地固坐标系中的位置和速度矢量，用切比雪夫插值方法得到测量时刻的位置。

2)求解测量的计算值测距R、方位A、俯仰E。

3)误差模型中误差系数的求解

误差系数求解可以采用最小二乘的高斯估计计算，定义误差系数构成状态矢量η,初始值设为η₀。

建立下述观测方程

其中，Y_i为t_i时的实际观测量，为由初始状态量η₀出发并根据卫星星历算得的t_i时刻的观测真值，ε_i为随机噪声。采用最小二乘法就是通过一系列的观测值和真值来估计初始状态η₀的最佳估计最佳判据取为观测残差的均方和最小。

定义下列矢量

则上式化为

使观测残差均方和最小，即使得为最小，假定η₀为的最佳估计，则

上式是具有n个未知量的n个非线性函数,采用迭代法进行计算，所以需要改进过程线性化后构成一个线性系统

D＝Hη+ε，其中，

满足最小二乘估值的条件成为-2(D-Bx)^TB＝0，解得η＝(H^TH)^-1H^TD，

即可建立误差计算模型为：η_ξ＝(H_ξ ^TH_ξ)^-1H_ξ ^TD_ξ。

式中，下标ξ代表距离、方位角、俯仰角，H为根据误差模型建立的矩阵，D为雷达测量值与卫星精轨值的差，η为误差系数矩阵。

Claims (4)

1.基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统，其特征在于：

建立标校卫星，所述的标校卫星由微小卫星平台、有效载荷组成；其中微小卫星平台内部安装有GNSS接收机、动量轮、磁力矩器、星载计算机、蓄电池、测控应答机、温度传感器；

其中的微小卫星平台对地面的一面挖孔安装龙伯球，负责提供精确目标特性基准，其余表面贴有太阳能电池，负责为蓄电池充电；

GNSS接收机与GNSS接收天线配合，接收GNSS系统导航电文，并通过测控系统下传，负责提供高精度位置基准；

动量轮与磁力矩器配合，负责完成卫星姿态调整；

测控应答机负责下传GNSS接收机测量数据、卫星工程参数，接收上行控制指令；

星载计算机负责星务管理、测控应答、姿轨控制计算、存储、管理任务；

蓄电池负责在地球阴影区内为平台及GNSS接收机供电。

2.如权利要求1所述的基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统，其特征在于，其中的微小卫星平台采用立方体、圆柱体或多边形体。

3.如权利要求2所述的基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统，其特征在于，其中的微小卫星平台对天的一面安装有GNSS接收机天线、磁强计、对天测控天线，平台表面与龙伯球连接处安装对地测控天线，平台四个表面及对天面安装有太阳感敏器。

4.如权利要求1所述的基于标校卫星同时开展雷达RCS标定与外测标定系统的标定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、RCS标定：

RCS的测量基础是雷达方程

$P_r=\frac{P_t{G}^2{\mathrm{\λ}}^2\mathrm{\σ}}{\left(4{\mathrm{\π}}^3\right)R^4{L}_t{L}_r{L}_a}---\left(1\right)$

式中：

P_r－雷达接收机所检测的功率

P_t－发射机功率

G_t－天线发射增益

G_r－天线接收增益

λ－雷达探测信号波长

σ－在雷达工作频率上的目标后向散射面积RCS

R－雷达到目标的距离

L_a－双程大气耗损

L_r－接收通道耗损

L_t－发射通道耗损

雷达检测到的中频功率P_so与接收机输入端接收功率P_r的关系为：

$P_r=P_{so}\·\frac{A_T}{A_M}---\left(2\right)$

其中A_T为接收机数控衰减量，A_M为接收机增益，得到雷达方程：

$P_{so}=\frac{A_M}{A_T}\·\frac{P_t{G}_r{G}_t{\mathrm{\λ}}^2\mathrm{\σ}}{\left(4{\mathrm{\π}}^3\right)R^4{L}_t{L}_r{L}_a}=\frac{P_t{\mathrm{\σG}}_r{G}_t}{R^4{L}_a}\[\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\left(4{\mathrm{\π}}^3\right)L_t{L}_r}\]\·\frac{A_M}{A_T}---\left(3\right)$

其中方括号中的各项与所探测的目标无关，是雷达的技术参数，在一次测量过程中认为是常数，将方括号里的表达式记作则

$K=\frac{P_{so}{\mathrm{\σL}}_a}{P_t{R}^4{G}_r{G}_t}\·\frac{A_T}{A_M}---\left(4\right)$

相对标定法在测量目标RCS前，先对确定已知精确RCS值为σ₀的基准目标进行测量，计算出K值，利用K值计算跟踪目标的σ₁

${\mathrm{\σ}}_1=\frac{1}{K}\·\frac{P_{so}^1{R}_1^4{L}_{a1}{A}_{T1}}{P_{t1}{A}_{M1}}---\left(5\right)$

K值计算过程如下：

$K^i=\frac{P_{so}^i{\mathrm{\σ}}_0^i{L}_a^i}{P_t^i{R}_i^i{G}_r^i{G}_t^i}\·\frac{A_T^i}{A_M^i}---\left(6\right)$

其中，下标i或上标i表示第i次采样中的具体值；

由于龙伯球受加工影响，随雷达观测角度的变化，将会有细微变化，事前需在地面对龙伯球不同姿态的RCS值进行精确测量，计算时查表代入相应的值；

为采样时天线接、发增益，与天线方向图有关，计算时根据雷达天线方向图以及采样时天线的动态滞后量查表代入相应的值；

为采样时标校星与雷达的距离，直接代入雷达测量值；

与相关，利用进行修正；

直接由雷达测量数据获取；

得到每次采样的Kⁱ值后，进行算术平均得到K值

$K=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{K}^j}{n},j=1,2,...,n---\left(7\right)$

步骤二、外测标定：

首先根据雷达测量误差建立误差模型如下：

ΔR_i＝ΔR₀+R₁cscE_i

${\mathrm{\ΔA}}_i={\mathrm{\ΔA}}_0+a1\sin A_i{\mathrm{tgE}}_i+a2\cos A_i{\mathrm{tgE}}_i+a3{\mathrm{tgE}}_i+a4\sec E_i+a5\sin A_i+a6\cos A_i+G\frac{{\mathrm{\ΔU}}_a}{C_a}\sec E_i$

${\mathrm{\ΔE}}_i={\mathrm{\ΔE}}_0+e1\sin A_i+e2\cos A_i+e3\sin E_i+e4\cos E_i+e5{\mathrm{tgA}}_i+a6\cos A_i+G\frac{{\mathrm{\ΔU}}_e}{C_e}$

其中，ΔR₀、ΔA₀、ΔE₀分别为距离、方位和俯仰零值，E_i,A_i为雷达每次测量时所获取的俯仰角、方位角，R₁、e5分别为距离和俯仰角的电波折射修正残系数，a1、e1、a2、e2分别为大盘不水平系数，a3为方位轴、俯仰轴不正交系数，a4为电轴机械轴不平行度数，a5、a6分别为方位编码器非线性系数，e3为俯仰编码器非线性系数，e4为重力下垂变形误差系数，G为常数；ΔU_a,ΔU_e分别为方位和俯仰的误差电压，C_a，C_e分别为方位和俯仰支路角定向灵敏度系数；

采用最小二乘的高斯估计计算对误差系数进行求解，定义误差系数构成状态矢量η,初始值设为η₀；

建立观测方程

其中，Y_i为t_i时的实际观测量，为由初始状态量η₀出发并根据卫星星历算得的t_i时刻的观测真值，ε_i为随机噪声，采用最小二乘法通过观测值和真值来估计初始状态η₀的最佳估计最佳判据取为观测残差的均方和最小；

定义下列矢量

$Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_1\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ Y_m\end{array}\right],\tilde{G}({\mathrm{\η}}_0,t_i)=\left[\begin{array}{c}{\tilde{G}}_1({\mathrm{\η}}_0,t_i)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ {\tilde{G}}_m({\mathrm{\η}}_0,t_i)\end{array}\right],\mathrm{\ϵ}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ {\mathrm{\ϵ}}_m\end{array}\right]---\left(10\right)$

则上式化为

使观测残差均方和最小，即使得为最小，假定η₀为的最佳估计，则

上式是具有n个未知量的n个非线性函数,采用迭代法进行计算，改进过程线性化后构成一个线性系统

D＝Hη+ε，其中，

满足最小二乘估值的条件成为-2(D-Bx)^TB＝0，解得η＝(H^TH)^-1H^TD，

建立误差计算模型为：

式中，下标ξ代表距离、方位角、俯仰角，H为根据误差模型建立的矩阵，D为雷达测量值与卫星精轨值的差，η为误差系数矩阵。