CN106154232A - 一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，它涉及连续波雷达领域。本方法具体包括以下步骤：(1)在雷达的天线底面安装倾角传感器；(2)倾角传感器预先随天线转动一圈，得到测量数据表；(3)测量雷达与目标之间的距离、方位角和俯仰角；(4)根据目标方位角进行查表，得到对应的两轴倾角；(5)利用两轴倾角数据进行测角姿态补偿，从而可以确定目标在水平面上的方位角和俯仰角。本发明可以代替传统的采用惯性导航系统补偿方法，并且可以降低雷达的成本和简化算法。

Description

一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法

技术领域

本发明涉及在连续波三坐标雷达领域中的一种对目标方位角、俯仰角进行姿态补偿的方法，特别适用于连续波三坐标雷达的角度补偿。

背景技术

目前，在国内外连续波三坐标雷达中采用惯性导航系统进行目标测角姿态补偿，这种补偿方式成本高，而且由于这种补偿方法使用偏航角、俯仰角、横滚角三个角度，使得算法复杂。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于倾角传感器的测角姿态补偿方法，该方法可以代替传统的采用惯性导航系统补偿方法，并且由于倾角传感器价格比惯性导航系统低，这样雷达成本相比传统方法低。同时由于这种补偿方法只使用双轴倾角，算法得到简化。

本发明通过以下技术方案来实现：一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，包括以下步骤：

(1)在雷达的天线底面安装倾角传感器，且倾角传感器平行于天线底面；

(2)倾角传感器随天线转动一圈，测量天线转到各方位角时倾角传感器的x_s轴倾角和y_s轴倾角，将方位角、x_s轴倾角和y_s轴倾角汇总得到测量数据表；所述的倾角传感器的x_s轴指向天线法线方向，y_s轴指向从x_s轴在天线底面上逆时针转90°后的方向；x_s轴倾角为x_s轴与水平面的夹角，y_s轴倾角为y_s轴与水平面的夹角；方位角为从基准线顺时针转到x_s轴的夹角；

(3)测量雷达与目标之间的距离、方位角和俯仰角；

(4)根据测得的方位角查测量数据表，得到该方位角对应的x_s轴倾角和y_s轴倾角；

(5)根据x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量：若x_s轴倾角和y_s轴倾角均为0，则天线为水平，方位角补偿量和俯仰角补偿量均为0；否则，天线为倾斜，由x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量；

(6)根据方位角补偿量和俯仰角补偿量，对测量得到的方位角和俯仰角分别进行补偿，得到补偿后的方位角和俯仰角。

其中，步骤(5)所述的由x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量，具体为：

(501)由x_s轴倾角和y_s轴倾角找到天线底面倾斜时的对称轴，进而计算出倾斜平面和水平面的夹角，以及以对称轴为基准线时目标的方位角；所述的倾斜平面为平面Ox_sy_s，O为天线底面的中心；

(502)根据目标在对称轴坐标系中的极坐标，以及对称轴坐标系和水平面坐标系之间的坐标旋转关系，得到目标在水平面坐标系中的极坐标；

(503)由目标在对称轴坐标系中的极坐标和水平面坐标系中的极坐标，分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量。

本发明相比背景技术具有以下优点：

1.本发明相比采用传统的惯性导航系统补偿的成本低；

2.本发明只使用双轴倾角，算法简单。

附图说明

图1是本发明的天线、倾角传感器和目标示意图。

图2是本发明的对称轴坐标系和水平面坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，包括以下步骤：

(1)把倾角传感器平行安装到雷达天线底面；

实施例中，把倾角传感器安装到雷达天线底面的中心O上，倾角传感器平行于天线底面；x_s轴指向天线法线方向，y_s轴指向从x_s轴在天线底面上逆时针转90°后的方向，z_s轴垂直于平面Ox_sy_s、指向上，构成右手系(如图1所示)。

(2)倾角传感器预先随天线转动一圈，测量天线转到方位角w_i时倾角传感器的双轴倾角，将方位角和双轴倾角汇总得到测量数据表A；所述的双轴倾角为x_s轴倾角(x_s轴和水平面的夹角)和y_s轴倾角(y_s轴和水平面的夹角)；

实施例中，当w_i＝0°，1°，…，359°时，测量得到对应的x_s轴倾角u_i和y_s轴倾角v_i，构成测量数据表A，A＝{w_i,u_i,v_i,i＝1,2,…,n}；

其中，n＝360；

w_i为方位角，w_i＝0°，1°，…，359°；

u_i为天线转到方位角w_i时，倾角传感器的x_s轴倾角；

v_i为天线转到方位角w_i时，倾角传感器的y_s轴倾角。

(3)在时间t时，测量雷达与目标之间的参数；测量的参数包括距离、方位角、俯仰角和径向速度，依次记为r₀、α₀、e₀、v_r；

实施例中，方位角α₀为从正北方向顺时针转到天线法线方向(x_s轴)的角度；俯仰角e₀向上为正，向下为负；

假定在时刻6s时，目标距雷达的真实距离为8km，飞行方向为沿径向远离雷达飞行，速度为0.1km/s，方位角是30°，俯仰角是4°；如果不考虑测量误差，则测量到的目标参数为：(6s，8km，30°，4°，0.1km/s)。

(4)由方位角α₀查测量数据表A，当α₀＝w_j时，得到的方位角α₀对应的x_s轴倾角u和y_s轴倾角v为：u＝u_j，v＝v_j，1≤j≤n；

实施例中，假定在测量数据表A中，当w_j＝30°时，对应的x_s轴倾角u_j和y_s轴倾角v_j分别为u_j＝6°，v_j＝8°，j＝31；

由方位角α₀＝30°，查测量数据表A，得到α₀对应的x_s轴倾角u、y_s轴倾角v为：u＝u_j＝6°，v＝v_j＝8°。

(5)根据x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量：

若u＝0，并且v＝0，则天线为水平，方位角补偿量Δα、俯仰角补偿量Δe分别为：

Δα＝0，Δe＝0；

否则，天线为倾斜，由x_s轴倾角u、y_s轴倾角v计算方位角补偿量Δα、俯仰角补偿量Δe。

实施例中，u＝6°，v＝8°，天线为倾斜，由x_s轴倾角u、y_s轴倾角v计算方位角补偿量Δα、俯仰角补偿量Δe。

天线为倾斜时，由x_s轴倾角u、y_s轴倾角v计算方位角补偿量Δα、俯仰角补偿量Δe；具体包括以下步骤：

501、判断倾斜平面Ox_sy_s的倾斜情况：

由倾角传感器给出的x_s轴倾角u，y_s轴倾角v，可得

实施例中，由u＝6°，v＝8°，可得平面Ox_sy_s的第一象限上仰。

502、计算倾斜平面和水平面的夹角θ：

令

则倾斜平面和水平面的夹角θ为：

实施例中，平面Ox_sy_s的第一象限上仰，

β＝u＝6°，γ＝v＝8°

则倾斜平面和水平面的夹角θ为：

503、计算从倾斜平面的对称轴顺时针转到天线法线方向(x_s轴)的角度σ；所述的对称轴为过天线底面的中心且使倾斜平面左右对称的线；

从对称轴顺时针转到天线法线方向(x_s轴)的角度σ为：

其中，

$\mathrm{\ρ}=arctg\frac{sin\mathrm{\γ}}{sin\mathrm{\β}};$

实施例中，平面Ox_sy_s的第一象限上仰，

则从对称轴顺时针转到天线法线方向x_s轴的角度σ为：

σ＝ρ＝53.09°。

504、计算目标在对称轴坐标系中的极坐标

对称轴坐标系：沿对称轴上仰方向作X轴，从X轴在平面Ox_sy_s上顺时针转90°作Y轴，Z轴垂直于平面OXY、指向下，构成右手系(如图2所示)；

目标在对称轴坐标系中的极坐标的各个元素为：

R＝r₀，A＝σ，E＝-e₀

其中，R为距离；A为方位角，顺时针为正；E为俯仰角，向下为正，向上为负；

实施例中，目标在对称轴坐标系中的极坐标的各个元素为：

R＝r₀＝8km，A＝σ＝53.09°，E＝-e₀＝-4°。

505、将目标在对称轴坐标系中的极坐标转换为直角坐标：

目标在对称轴坐标系中的极坐标为(R,A,E)^T，则直角坐标的各个元素为：

X＝RcosAcosE，Y＝RsinAcosE，Z＝RsinE；

实施例中，目标在对称轴坐标系中的极坐标为：

(R,A,E)^T＝(8km,53.09°,-4°)^T

则直角坐标的各个元素为：

X＝RcosAcosE＝8cos53.09°cos(-4°)≈4.79km

Y＝RsinAcosE＝8sin53.09°cos(-4°)≈6.38km

Z＝RsinE＝8sin(-4°)≈-0.56km；

506、将目标在对称轴坐标系中的直角坐标转换为水平面坐标系中的直角坐标：

水平面坐标系：把X轴投影到过点O的水平面上作x轴，从x轴在水平面上顺时针转90°作y轴，z轴垂直于水平面Oxy、指向下，构成右手系(如图2所示)；

目标在对称轴坐标系中的直角坐标为(X,Y,Z)^T，则在水平面坐标系中的直角坐标(x,y,z)^T为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=R_y(-\mathrm{\θ})\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]$

其中，从水平面坐标系Oxyz到对称轴坐标系OXYZ的坐标旋转矩阵

$R_y\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& 0& -sin\mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ sin\mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right];$

实施例中，目标在对称轴坐标系中的直角坐标(X,Y,Z)^T为：

(X,Y,Z)^T＝(4.79km,6.38km,-0.56km)^T

则在水平面坐标系中的直角坐标(x,y,z)^T为：

507、将目标在水平面坐标系中的直角坐标转换为极坐标：

目标在水平面坐标系中的直角坐标为(x,y,z)^T，则极坐标的各个元素为：

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2},\mathrm{\α}=arctg\frac{y}{x},e=arctg\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2}};$

实施例中，目标在水平面坐标系中的直角坐标(x,y,z)^T为：

(x,y,z)^T＝(4.62km,6.38km,-1.38km)^T

则极坐标的各个元素为：

$r=\sqrt{x^2+y^2+z^2}=\sqrt{{4.62}^2+{6.38}^2+{(-1.38)}^2}\≈8km$

508、计算目标的方位角补偿量Δα和俯仰角补偿量Δe：

目标在对称轴坐标系中的极坐标为(R,A,E)^T，水平面坐标系中的极坐标为(r,α,e)^T；

则顺时针方位角补偿量Δα为：

Δα＝α-A

在俯仰角向上为正，向下为负时，俯仰角补偿量Δe为：

Δe＝(-e)-(-E)＝E-e；

实施例中，目标在对称轴坐标系中的极坐标(R,A,E)^T、水平面坐标系中的极坐标(r,α,e)^T分别为：

(R,A,E)^T＝(8km,53.09°,-4°)^T

(r,α,e)^T＝(8km,54.08°,-9.96°)^T；

则顺时针方位角补偿量Δα为：

Δα＝α-A＝54.08°-53.09°＝0.99°

在俯仰角向上为正，向下为负时，俯仰角补偿量Δe为：

Δe＝E-e＝(-4°)-(-9.96°)＝5.96°；

(6)把测量得到的目标的方位角、俯仰角修正到水平面上，得到补偿后的方位角α、俯仰角e：

α＝α₀+Δα，e＝e₀+Δe；

实施例中，目标在水平面上的方位角α、俯仰角e分别为：

α＝α₀+Δα＝30°+0.99°＝30.99°，e＝e₀+Δe＝4°+5.96°＝9.96°；

完成目标角度补偿。

Claims (6)

1.一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)在雷达的天线底面安装倾角传感器，且倾角传感器平行于天线底面；

(2)倾角传感器随天线转动一圈，测量天线转到各方位角时倾角传感器的x_s轴倾角和y_s轴倾角，将方位角、x_s轴倾角和y_s轴倾角汇总得到测量数据表；所述的倾角传感器的x_s轴指向天线法线方向，y_s轴指向从x_s轴在天线底面上逆时针转90°后的方向；x_s轴倾角为x_s轴与水平面的夹角，y_s轴倾角为y_s轴与水平面的夹角；方位角为从基准线顺时针转到x_s轴的夹角；

(3)测量雷达与目标之间的距离、方位角和俯仰角；

(4)根据测得的方位角查测量数据表，得到该方位角对应的x_s轴倾角和y_s轴倾角；

(5)根据x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量：若x_s轴倾角和y_s轴倾角均为0，则天线为水平，方位角补偿量和俯仰角补偿量均为0；否则，天线为倾斜，由x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量；

(6)根据方位角补偿量和俯仰角补偿量，对测量得到的方位角和俯仰角分别进行补偿，得到补偿后的方位角和俯仰角。

2.根据权利要求1所述的一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，其特征在于：步骤(5)所述的天线为倾斜，由x_s轴倾角和y_s轴倾角分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量，具体包括步骤：

(501)由x_s轴倾角和y_s轴倾角找到天线底面倾斜时的对称轴，进而计算出倾斜平面和水平面的夹角，以及以对称轴为基准线时目标的方位角；所述的倾斜平面为平面Ox_sy_s，O为天线底面的中心；

(502)根据目标在对称轴坐标系中的极坐标，以及对称轴坐标系和水平面坐标系之间的坐标旋转关系，得到目标在水平面坐标系中的极坐标；

(503)由目标在对称轴坐标系中的极坐标和水平面坐标系中的极坐标，分别计算方位角补偿量和俯仰角补偿量。

3.根据权利要求2所述的一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，其特征在于：步骤(501)具体包括步骤：

(601)根据倾斜平面的倾斜情况，计算倾斜平面和水平面的夹角；所述的倾斜平面为平面Ox_sy_s，O为天线底面的中心；

(602)计算从倾斜平面的对称轴顺时针转到x_s轴的角度；所述的对称轴为过天线底面的中心且使倾斜平面左右对称的线。

4.根据权利要求3所述的一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，其特征在于：步骤(502)具体包括步骤：

(701)计算目标在对称轴坐标系中的极坐标；所述的对称轴坐标系为：沿对称轴上仰方向作X轴，从X轴在平面Ox_sy_s上顺时针转90°作Y轴，Z轴垂直于平面OXY、指向下；

(702)将目标在对称轴坐标系中的极坐标转换为直角坐标；

(703)将目标在对称轴坐标系中的直角坐标转换为水平面坐标系中的直角坐标；所述的水平面坐标系为：把X轴投影到过点O的水平面上作x轴，从x轴在水平面上顺时针转90°作y轴，z轴垂直于水平面Oxy、指向下；

(704)将目标在水平面坐标系中的直角坐标转换为极坐标。

5.根据权利要求3或4所述的一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，其特征在于：步骤(601)具体为：

由该方位角对应的x_s轴倾角u和y_s轴倾角v，可得

令

则倾斜平面和水平面的夹角θ为：

6.根据权利要求5所述的一种连续波三坐标雷达测角姿态补偿方法，其特征在于：步骤(602)中从倾斜平面的对称轴顺时针转到x_s轴的角度σ为：

其中，