CN106501783A - 一种交会对接微波雷达测角性能系统误差标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种交会对接微波雷达测角性能系统误差标定系统及方法，标定系统包括姿态位置调节系统，微波雷达测量系统，外符合标定系统，测量数据采集系统。标定方法包含：1)激光跟踪仪建站及加电预热；2)安装微波雷达天线及标定几何参数；步骤3)获取微波雷达全视场范围内网格式测试数据；4)计算及装订雷达测角性能系统误差。本发明可对微波雷达在全视场范围内的测角性能系统误差进行标定，使目标大角度工况下的测角性能标定不再受到场地因素及外符合设备能力限制；本发明在初始几何参数标定完毕后可进行全自动化的标定工作，标定流程简单可靠。

Description

一种交会对接微波雷达测角性能系统误差标定系统及方法

技术领域

本发明涉及航天空间测量有效载荷的测试技术领域，具体涉及一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定系统及标定方法。

背景技术

交会对接微波雷达是用于两个空间飞行器在远距离和大范围内完成相对空间关系测量的关键载荷，具有测角范围广(俯仰角和方位角至少覆盖：±60°×±60°)和测量精度高(小于0.1°)的特点。在交会对接微波雷达出厂前，需要对由雷达天线阵面机械加工误差、伺服机构组装误差和天线光电轴不一致性等因素导致的雷达测角性能系统误差进行校正。由于上述原因引起的雷达测角性能系统误差在不同测量角度下是非定值且非线性的，因此必须对雷达视场范围内所有角度都进行测角性能系统误差标定。

现有的微波雷达标定方法，一般在吸波暗室内使用光学标定系统完成标定。首先固定微波雷达天线并建立雷达坐标系，然后通过改变目标(即应答机天线)的空间位置来改变目标点在雷达坐标系下的方位角与俯仰角，通过比较目标点在不同位置下外符合测量方法(例如光电经纬仪或激光跟踪仪等)得到的测量值以及微波雷达自身的测量值来获取测角性能系统误差信息。使用传统的标定方法，有几个明显的缺点：

1)不适合大角度工况的标定。微波雷达±60°×±60°的测试范围使普通的吸波暗室的建造尺寸很难满足要求；而且，为了使目标点位置在三维空间内进行大范围改变，需要具备大尺寸的二维扫描架，对测试设备要求高；

2)需要繁复的测量操作。每当改变目标点的位置，就需要使用外符合测量设备(光电经纬仪或者激光跟踪仪)对新的目标位置进行一次测量；

3)±60°×±60°的测试范围给外符合测量设备提出了高要求。不论是光电经纬仪还是激光跟踪仪，其铅垂方向角度测量都有限定范围，为了满足微波雷达的大范围的测试需求，外符合测量设备建站位置必须远离目标点摆放位置。而距离的增加又会导致外符合测量设备的测量精度下降甚至超出工作距离。

专利《一种星载微波跟瞄雷达的电轴光学标定系统及其标定方法》(专利号：CN103454619A公告日期2013/12/18)中介绍了一种自动化的星载微波跟瞄雷达的电轴光学标定方法，该方法引入了二维扫描架以进行自动化标定。微波跟瞄雷达包括信号收发处理组件，伺服机构，伺服控制器及雷达天线。雷达坐标系的Y轴和Z轴分别与伺服机构的俯仰电机轴线和方位电机轴线重合，雷达坐标系的X轴与雷达天线的机械轴重合。首先，将微波跟瞄雷达架设于二维转台上，调整二维转台，使雷达坐标系的YOZ面和二维扫描架运动平面平行。然后，测量得到雷达天线机械轴和二维扫描架运动平面的交点，将目标模拟天线被架设于二维扫描架上该交点处。之后，移动二维扫描架以改变目标模拟天线的位置，通过二维扫描架实时回传的位移值即可计算出目标模拟天线在雷达坐标系下的实时角度值。该外符合角度值与微波跟瞄雷达实时测量得到的角度相比较就可以得到微波跟瞄雷达在不同角度下的测角误差。此专利中介绍的方法，对于大角度工况下的测角性能标定不具优势，若要覆盖视场边沿位置，则需要尺寸巨大的二维扫描架。极端情况下，若需要标定±90°角度下的测角性能，则无论二维扫描架尺寸如何，都无法完成标定工作。另外，为了达到高精度标定的目的，此方法对于微波雷达的工装精度，目标天线的安装精度以及二维扫描架的平面度应有较高要求，这会增加标定过程的复杂度和测量设备制造难度。

论文：《空间交会对接微波雷达测量系统地面校准技术研究》(《宇航计测技术》，Vol31，No.6,Dec.,2011)中使用电子经纬仪搭建标定系统。交会对接雷达由雷达主机和应答机组成，雷达主机和应答机各安装一个立方镜用以标定各自天线的方位与姿态。标定过程中保持微波雷达天线方位与姿态不变。电子经纬仪建站后，通过对微波雷达天线立方镜进行标定以建立微波雷达天线坐标系，然后移动应答机及应答机天线，通过对应答机立方镜的标定来获取应答机在微波雷达天线坐标系下的坐标，将该坐标转换为角度值后与微波雷达的测量值进行比对就可以得到微波雷达在该角度下的测量误差。为了获取微波雷达在不同角度下的测角性能，需要反复的搬移应答机及应答机天线，并使用电子经纬仪进行重复测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种交会对接微波雷达测角性能系统误差标定系统及方法。本发明可以在雷达全视场范围内对雷达测角性能系统误差进行高精度标定，标定流程自动化程度高，使用测量仪器少，方法简单可靠。

本发明的技术方案是：一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定系统，包括姿态位置调节系统、微波雷达测量系统、外符合标定系统和测量数据采集系统；微波雷达测量系统用以产生微波雷达对目标的角度测量信息；姿态位置调节系统可改变目标与微波雷达的相对空间位置关系，以模拟目标在雷达坐标系下不同测量角度的标定工况；外符合标定系统用以标定初始状态时微波雷达测量系统和姿态位置调节系统的几何参数；测量数据采集系统可同时采集并存储微波雷达测量系统的测量信息及姿态位置调节系统的状态信息；所述的姿态位置调节系统包括二维转台、与二维转台连接的二维转台控制器、二维调节支架、与二维支架连接的二维支架控制器；

所述二维转台的转动基座在二维转台俯仰电机和二维转台方位电机驱动下转动；二维转台俯仰电机轴线和二维转台方位电机轴线垂直且相交；

所述的二维调节支架，可在垂直和水平两个维度进行位置调节，调节精度为0.1mm；

所述的微波雷达测量系统包括微波雷达主机、微波雷达天线、应答机和应答机天线；

所述的微波雷达主机和微波雷达天线协同完成对目标的空间角度测量，并输出在雷达坐标系下的目标方位角和俯仰角；

所述的微波雷达天线包括天线阵面和伺服驱动机构；伺服驱动机构驱动天线阵面转动；

所述的伺服驱动机构为二维驱动机构，包括微波雷达方位电机和微波雷达俯仰电机；其中，微波雷达俯仰电机是随动电机；微波雷达俯仰电机轴线和微波雷达方位电机轴线相交且垂直；

所述的微波雷达天线安装于二维转台之上，保持微波雷达方位电机轴线与二维转台俯仰电机轴线保持平行，微波雷达俯仰电机轴线与二维转台方位电机轴线保持平行；所述的微波雷达天线与微波雷达主机连接；

所述的应答机天线与应答机连接，所述的应答机天线正对微波雷达天线安装，所述的应答机加电工作后，向微波雷达提供信标信号；

所述的外符合标定系统包括激光跟踪仪；所述的激光跟踪仪具有水平方向+320°～-320°，垂直方向+79°～-59°的测量范围，以及5ppm的空间测量精度；

所述的数据采集系统包括监控台与监控台上位机；所述的监控台分别与二维转台及微波雷达主机连接，以固定周期向二维转台和微波雷达发送测量指令，采集二维转台和微波雷达的测量信息，并进行存储。

所述的二维转台的俯仰电机和方位电机转动精度为0.005°，其俯仰电机是随动电机。

一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，步骤如下：

1)激光跟踪仪建站及加电预热

进行激光跟踪仪架设并加电预热，激光跟踪仪建站位置选择在二维转台正前方偏45°方向；

2)安装微波雷达天线及标定几何参数

安装微波雷达天线，使雷达坐标系和转台坐标系的三轴平行，标定得到转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转关系和平移关系，标定得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差，标定得到应答机天线在雷达坐标系下的坐标；

3)获取微波雷达全视场范围内网格式测试数据

控制二维转台带动微波雷达天线一起转动，使应答机天线在转动后的雷达坐标系下的相对空间位置遍历微波雷达全视场范围，使用监控台记录微波雷达的测量数据与二维转台的转角数据；

4)计算及装订雷达测角性能系统误差

利用步骤2)中标定的几何参数及步骤3)中记录的转台转角数据，计算应答机在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角和俯仰角，并与雷达测量值进行比对，得到测角性能系统误差。

所述的步骤2)的具体步骤为：

21)测量并拟合得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线，以二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线为基准建立转台坐标系，并测量得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差；

22)将微波雷达天线安装于二维转台的转动基座上，使微波雷达方位电机轴线与二维转台俯仰电机轴线平行，微波雷达俯仰电机轴线与二维转台方位电机轴线平行；

23)测量并拟合得到微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线，以微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线为基准建立雷达坐标系；

24)调整微波雷达天线在二维状态抓东基座上的安装姿态，使调整后的雷达坐标系与转台坐标系三轴旋转参量绝对值小于1°，并得到转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转参量和平移参量；

25)安装应答机天线并标定应答机天线在转台坐标系下的坐标。

所述的步骤21)的具体步骤为：

211)在二维转台上安装激光跟踪仪测量靶球，使靶球能够随着转台电机转动而转动；

212)将二维转台俯仰角回零，令二维转台方位角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对方位角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到二维转台方位电机轴线；

213)将二维转台方位角回零，令二维转台俯仰角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对俯仰角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到二维转台俯仰电机轴线；

214)以二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线为基准建立转台坐标系，并测量得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差。

所述的步骤23)的具体步骤为：

231)在微波雷达天线上安装激光跟踪仪测量靶球，使靶球能够随着微波雷达伺服机构转动而转动；

232)将二维转台方位角与俯仰角回零，令微波雷达俯仰角回零，使微波雷达方位角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对方位角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到微波雷达方位电机轴线；

233)将二维转台方位角与俯仰角回零，令微波雷达方位角回零，使微波雷达俯仰角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对俯仰角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到微波雷达俯仰电机轴线；

234)以微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线为基准建立雷达坐标系。

所述的步骤24)的具体步骤为：

241)使用激光跟踪仪的后处理软件计算得到步骤21)中建立的转台坐标系和步骤23)中建立的雷达坐标系间的坐标轴旋转参数；

242)根据步骤241)中计算出的旋转参数对微波雷达天线的安装进行微调，使转台坐标系和雷达坐标系三轴平行；

243)返回步骤23)重新使用激光跟踪仪测量微调后的雷达坐标系，进行迭代调整，直到三轴旋转参量绝对值小于1°；

244)记录最后一次微调后转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转参量和平移参量。

所述的步骤25)的具体步骤为：

251)在二维调节支架上架设应答机天线，使用激光跟踪仪测量应答机天线在雷达坐标系下的坐标；

252)微调二维调节支架改变应答机天线的位置，调整目标为使应答机天线位置落在雷达坐标系的X轴上；

253)使用激光跟踪仪重新测量微调后的应答机天线坐标，进行迭代调整，直到应答机天线在雷达坐标系下Y坐标绝对值小于1mm，Z坐标绝对值小于1mm；

254)记录最后一次微调后应答机天线在转台坐标系下的坐标。

所述的步骤3)的具体步骤为：

31)使微波雷达和应答机加电工作，并开始对应答机天线进行角度测量；

32)令监控台周期性的向微波雷达和二维转台发送测量指令，并对微波雷达和二维转台的测量结果进行采集；

33)转动二维转台，使微波雷达随着二维转台一起转动，保持微波雷达对目标的测量状态；以固定的步进分别转动二维转台的俯仰角或方位角，如图4所示，使二维转台的角度转动范围覆盖±60°×±60°；

34)通过监控台采集二维转台角度驻留时，微波雷达的测量数据和二维转台的转角数据。

所述的步骤4)的具体步骤为：

41)用步骤2)标定的几何参数及步骤3)中记录的转台转角值，计算在每次二维转台驻留时，应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角和俯仰角；

42)将微波雷达测量值与计算得出的外符合角度做差，得到全范围内的测角误差分布曲面；

43)将得到的测角误差分布曲面装订入微波雷达，完成微波雷达测角性能系统误差标定。

所述的步骤214)建立转台坐标系的方法为：

2141)参数定义：

21411)记雷达坐标系的三轴为坐标原点为O_r；

21412)记微波雷达俯仰电机轴线方位电机轴线

2142)拟合出微波雷达方位电机轴线微波雷达方位电机轴线作为雷达坐标系的Z轴矢量

2143)拟合出微波雷达俯仰电机轴线

2144)使用微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线做叉乘，生成新的矢量，作为微波雷达坐标系中的X轴矢量，即

2145)使用雷达坐标系的X轴矢量和雷达坐标系的Z轴矢量求出雷达坐标系的第三个轴矢量，即

2146)将微波雷达俯仰轴线沿雷达坐标系的X轴平行移动至与微波雷达方位电机轴线相交，交点作为雷达坐标系的原点O_r。

所述的步骤234)建立雷达坐标系的方法为：

2341)参数定义：

23411)记转台坐标系的三轴为坐标原点为O_zt；

23412)记二维转台俯仰电机轴线方位电机轴线

2342)拟合出二维转台方位电机轴线二维转台方位电机轴线作为转台坐标系的Y轴矢量

2343)拟合出二维转台俯仰轴线

2344)使用二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线做叉乘，生成新的矢量，作为转台坐标系中的X轴矢量，即

2345)使用转台坐标系的X轴矢量和转台坐标系中Y轴矢量做叉乘，求出转台坐标系的Z轴矢量，即其中，和的夹角为二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差；

2346)将二维转台俯仰电机轴线沿转台坐标系的X轴平行移动至与二维转台方位电机轴线相交，交点作为转台坐标系的原点O_zt。

所述的步骤41)中所使用的外符合角度计算方法，如图5所示，首先根据步骤2)标定的应答机天线在初始转台坐标系下的坐标计算应答机天线在转动后的转台坐标系下的坐标，然后计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标，最后计算应答机天线在转动后雷达坐标系下的方位角和俯仰角。具体描述如下：

1.参数定义：

1.1记步骤21)中标定的二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差为∠θ_zt；

1.2记步骤24)中标定的转台坐标系到雷达坐标系的三轴旋转参量分别为∠R_x,∠R_y,∠R_z，雷达坐标系原点在转台坐标系下的坐标D_x,D_y,D_z；

1.3记步骤25)中标定的应答机天线在未转动的转台坐标下的坐标为[x_{T_zt0},y_{T_zt0},z_{T_zt0}]^T；

1.4记应答机天线在转动后的转台坐标系下的坐标为：[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T；

1.5记应答机天线在随转台转动后的雷达坐标系下的坐标为：[x_{T_r1},y_{T_r1},z_{T_r1}]^T；

1.6记M_zt0-zt1为转台转动后，原始转台坐标系到新的转台坐标系的转移矩阵；

1.7记矩阵M_zt-r为从转台坐标系到雷达坐标系的转移矩阵；

1.8记向量为转台坐标系原点到雷达坐标系原点的平移向量；

1.9记∠azi_zt为二维转台的方位电机转角；

1.10记∠elv_zt为二维转台的俯仰电机转角；

1.11记∠azi_{T_r1}为应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角；

1.12记∠elv_{T_r1}为应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合俯仰角；

2.计算目标在转动后的转台坐标系下的坐标[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T：

根据二维转台的转动特性，可知：

[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T＝M_zt0-zt1×[x_{T_zt0},y_{T_zt0},z_{T_zt0}]^T

根据步骤21)中转台坐标系的建立方法，并且对二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差进行修正后，有：

其中：

3.计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标[x_{T_r1},y_{T_r1},z_{T_r1}]^T

根据步骤24)中标定的转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转参量和平移参量，有：

其中：

M_zt-r＝M_z(R_z)×M_y(R_y)×M_x(R_x)，

4.计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合角度使用应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标计算外符合角度，有：

∠azi_{T_r1}＝atan(y_{T_r1}/x_{T_r1}),

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1.现有的微波雷达标定方法通过改变目标的三维空间位置来模拟目标在雷达坐标系下的不同角度，目标位置布设的问题会在大角度工况下使标定工作面临严重困难。本发明通过改变微波雷达自身姿态的方式来间接改变目标在雷达坐标系下的角度，避免了目标在三维空间内大尺度的布设困难，操作简便且不受到场地因素和外符合设备的能力限制；

2.本发明中，设计了修正算法计算外符合角度值，分别对1)二维转台方位轴线和二维转台俯仰轴线的正交误差、2)转台坐标系和雷达坐标系三轴不平行及原点不重合进行了数学建模与理论计算，完全消除了二维转台组装误差和微波雷达安装误差的影响。可在二维转台组装精度及微波雷达安装精度较低的情况下，得到高精度外符合角度。降低了二维转台的制造难度和微波雷达的安装要求。

3.本发明标定流程简单，自动化程度高，只需要对初始几何参数进行标定，之后不再需要外符合测量设备介入，对于二维转台在不同转角下应答机天线的外符合角度，可按照二维转台回传的转角值进行实时计算。通过设定二维转台的运动轨迹，可开始全自动化的标定工作。

附图说明

图1为微波雷达测角性能系统误差标定系统侧视图；

图2为微波雷达测角性能标定流程示意图；

图3为微波雷达测角性能系统误差标定系统顶视图；

图4为在进行全视场范围内测试数据时二维转台扫描轨迹示意图；

图5为二维转台转动后雷达坐标系下应答机天线外符合角度值计算流程。

具体实施方式

如图1、图3所示，一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定系统，包括姿态位置调节系统，微波雷达测量系统，外符合标定系统，测量数据采集系统。

所述的姿态位置调节系统，包含：二维转台，与二维转台连接的二维转台控制器，二维调节支架，与二维支架连接的二维支架控制器；

所述的高精度二维转台，其俯仰电机和方位电机转动精度为0.005°，其俯仰电机是随动电机；

所述的微波雷达测量系统包含微波雷达主机，微波雷达天线，应答机和应答机天线；

所述的微波雷达天线，包含天线阵面和伺服驱动机构。其中，伺服驱动机构可驱动天线阵面转动。所述的微波雷达天线安装于二维转台之上，其方位电机轴线与转台俯仰电机轴线保持平行，其俯仰电机轴线与转台方位电机轴线保持平行。所述的微波雷达天线与微波雷达主机连接；

所述的伺服驱动机构为二维驱动机构，包含方位电机和俯仰电机。其中，俯仰电机是随动电机；

所述的应答机天线与应答机连接；

所述的外符合标定系统只包含激光跟踪仪；

所述的数据采集系统包含监控台与监控台上位机；所述的监控台，分别与二维转台及微波雷达主机连接，其以固定周期向二维转台和微波雷达发送测量指令，并采集二维转台和微波雷达的测量信息，并进行存储。

如图2所示，一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，包含以下步骤：

步骤1：激光跟踪仪建站及加电预热。选择二维转台侧前方位置进行激光跟踪仪架设，使当二维转台转动时，安装在二维转台上的测量靶球经过的轨迹有加大观测角度，以减少测量误差。

步骤2：精密安装微波雷达天线及标定重要几何参数。使雷达坐标系和转台坐标系的三轴高精度平行，标定得到转台坐标系到雷达坐标系的旋转关系和平移关系，标定得到二维转台方位电机轴线和俯仰电机轴线的不正交度；

步骤3：获取全视场范围内网格式测试数据。二维转台带着微波雷达天线一起转动，使应答机天线在转动后的雷达坐标系下的相对空间位置遍历雷达全视场范围，使用监控台记录微波雷达的测量数据与二维转台的转角数据；

步骤4：计算及装订雷达测角性能系统误差。利用步骤2中标定的重要几何参数及步骤3中记录的转台转角值，计算应答机在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角和俯仰角，并与雷达测量值进行比对，得到测角性能系统误差。

所述的步骤2，还包含以下步骤：

步骤2.1：测量二维转台的方位电机轴线和俯仰电机轴线，以此电机轴线为基准建立转台坐标系，并测量得到电机轴线正交度；

步骤2.2：初始安装微波雷达天线。将微波雷达天线安装于二维转台的转动基座上，使微波雷达方位电机轴线与转台俯仰电机轴线大致平行，微波雷达俯仰电机轴线与转台方位电机轴线大致平行；

步骤2.3：测量微波雷达的方位电机轴线和俯仰电机轴线，以此电机轴线为基准建立雷达坐标系；

步骤2.4：精密安装微波雷达天线及标定与二维转台的关系。

步骤2.5：精密安装应答机天线及标定其坐标。

所述的步骤2.1，还包含以下步骤：

步骤2.1.1：在二维转台上安装激光跟踪仪测量靶球，使靶球可以随着转台电机转动而转动；

步骤2.1.2：使二维转台俯仰角回零，使二维转台方位角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对方位角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到二维转台方位电机轴线；

步骤2.1.3：使二维转台方位角回零，使二维转台俯仰角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对俯仰角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到二维转台俯仰电机轴线；

步骤2.1.4：以二维转台的电机轴线为基准建立转台坐标系，具体方法见后文所述建立转台坐标系。并测量得到二维转台轴线正交度；

所述的步骤2.3，还包含以下步骤：

步骤2.3.1：在微波雷达天线上安装激光跟踪仪测量靶球，使靶球可以随着微波雷达伺服机构转动而转动；

步骤2.3.2：使二维转台方位角与俯仰角回零，使微波雷达俯仰角回零，使微波雷达方位角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对方位角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到微波雷达方位电机轴线；

步骤2.3.3：使二维转台方位角与俯仰角回零，使微波雷达方位角回零，使微波雷达俯仰角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对俯仰角转动转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到微波雷达俯仰电机轴线；

步骤2.3.4：以微波雷达的伺服机构电机轴线为基准建立雷达坐标系，具体方法见后文所述；

所述的步骤2.4，还包含以下步骤：

步骤2.4.1：使用激光跟踪仪的后处理软件计算出步骤2.1.4中建立的转台坐标系和步骤2.3.4中建立的雷达坐标系间的坐标轴旋转参数；

步骤2.4.2：根据步骤2.4.1中计算出的旋转参数对微波雷达天线的安装进行微调，调整目标使两个坐标三轴尽量平行；

步骤2.4.3：返回步骤2.3，重新使用激光跟踪仪测量微调后的雷达坐标系，进行迭代调整，直到三轴旋转参量绝对值小于1°；

步骤2.4.4：记录最后一次微调后转台坐标系到雷达坐标系的旋转参量和平移参量。

所述的步骤2.5，还包含以下步骤：

步骤2.5.1：在二维调节支架上架设应答机天线，使用激光跟踪仪测量应答机天线在雷达坐标系下的坐标；

步骤2.5.2：微调二维调节支架改变应答机天线的位置，调整目标为使应答机天线位置落在雷达坐标系的X轴上；

步骤2.5.3：使用激光跟踪仪重新测量微调后的应答机天线坐标，进行迭代调整，直到应答机天线坐标中Y绝对值小于1mm，Z绝对值小于1mm；

步骤2.5.4：记录最后一次微调后应答机天线在转台坐标系下的位置参数。

如图4所示，所述的步骤3，还包含以下步骤：

步骤3.1：使微波雷达和应答机加电工作，并开始对目标(应答机天线)进行角度测量；

步骤3.2：控制监控台，使其周期性的向微波雷达和二维转台发送测量指令，并对微波雷达和二维转台的测量结果进行采集；

步骤3.3：转动二维转台，使微波雷达随着二维转台一起转动，保持微波雷达对目标的测量状态。以固定的步进分别转动二维转台的俯仰角或方位角，使二维转台的角度转动范围覆盖±60°×±60°；

步骤3.4：通过监控台采集二维转台角度驻留时，微波雷达的测量值和二维转台的转角值。

如图5所示，所述的步骤4，还包含以下步骤：

步骤4.1：用步骤2.3.4，步骤2.4.4和步骤2.5.4中标定的重要几何参数及步骤3中记录的转台转角值，计算在每次二维转台驻留时，目标在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角和俯仰角；

步骤4.2：将微波雷达测量值与计算得出的外符合角度做差，得到全范围内的测角误差分布曲面；

步骤4.3：将得到的测角误差分布曲面装订入微波雷达，完成微波雷达测角性能系统误差标定。

所述的步骤2.1.4和步骤2.3.4中所使用的坐标系建立方法描述如下：

待建立的坐标系为雷达坐标系和转台坐标系，由于存在组装误差，二维转台或微波雷达的方位轴线和俯仰轴线不可能绝对垂直。因此无法直接使用各自的电机轴线作为各自坐标系的轴线。建立方法如后文所描述。

1.参数定义：

1.1记转台坐标系的三轴为坐标原点为O_zt；

1.2记雷达坐标系的三轴为坐标原点为O_r；

1.3记微波雷达俯仰电机轴线方位电机轴线

1.4记二维转台俯仰轴线方位电机轴线

2.建立流程：

2.1拟合出方位电机轴线和微波雷达方位电机轴线作为雷达坐标系的Z轴矢量二维转台方位电机轴线作为转台坐标系的Y轴矢量

2.2拟合出微波雷达俯仰电机轴线和二维转台俯仰轴线

2.3使用各自方位电机轴线和俯仰电机轴线做叉乘，生成新的矢量，此矢量作为各个坐标系中的X轴矢量，即

2.4使用新生成的X轴矢量和各自坐标系中已有的矢量做叉乘，求出各自坐标系的第三个轴矢量，即其中，和的夹角为转台电机轴线的不正交度；

2.5将各自俯仰轴线沿各自X轴平行移动至于各自方位轴线相交，交点作为各自坐标系的原点O_r和O_zt。

所述的步骤4.1中所使用的外符合角度计算方法描述如下：

1.参数定义：

1.1记步骤2.3.4中标定的转台电机轴线不正交度为∠θ_zt；

1.2记步骤2.4.4中标定的转台坐标系到雷达坐标系的三轴旋转参量分别为∠R_x,∠R_y,∠R_z，雷达坐标系原点在转台坐标系下的坐标D_x,D_y,D_z；

1.3记步骤2.5.4中标定的应答机天线在未转动的转台坐标下的坐标为[x_{T_zt0},y_{T_zt0},z_{T_zt0}]^T；

1.4记应答机天线在转动后的转台坐标系下的坐标为：[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T；

1.5记应答机天线在随转台转动后的雷达坐标系下的坐标为：[x_{T_r1},y_{T_r1},z_{T_r1}]^T；

1.6记M_zt0-zt1为转台转动后，原始转台坐标系到新的转台坐标系的转移矩阵；

1.7记矩阵M_zt-r为从转台坐标系到雷达坐标系的转移矩阵；

1.8记向量为转台坐标系原点到雷达坐标系原点的平移向量；

1.9记∠azi_zt为转台的方位电机转角；

1.10记∠elv_zt为转台的俯仰电机转角；

2.计算流程：

2.1计算目标在转动后的转台坐标系下的坐标[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T：

根据二维转台的转动特性，可知：

[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T＝M_zt0-zt1×[x_{T_zt0},y_{T_zt0},z_{T_zt0}]^T

根据步骤2.1.4中转台坐标系的建立方法，并且对转台电机轴线的不正交度进行修正后，有：

其中：

2.2计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标[x_{T_r1},y_{T_r1},z_{T_r1}]^T

由于微波雷达安装并固连于二维转台的转动基座上，转动后的转台坐标系到雷达坐标系的旋转关系和平移关系依然与步骤2.4.4节中标定的结果相同。因此，有：

其中：

M_zt-r＝M_z(R_z)×M_y(R_y)×M_x(R_x)，

2.3计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合角度计算

使用应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标，根据方位角和俯仰角定义，可得：

∠azi_{T_r1}＝atan(y_{T_r1}/x_{T_r1}),

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定系统，其特征在于：包括姿态位置调节系统、微波雷达测量系统、外符合标定系统和测量数据采集系统；微波雷达测量系统用以产生微波雷达对目标的角度测量信息；姿态位置调节系统可改变目标与微波雷达的相对空间位置关系，以模拟目标在雷达坐标系下不同测量角度的标定工况；外符合标定系统用以标定初始状态时微波雷达测量系统和姿态位置调节系统的几何参数；测量数据采集系统可同时采集并存储微波雷达测量系统的测量信息及姿态位置调节系统的状态信息；所述的姿态位置调节系统包括二维转台、与二维转台连接的二维转台控制器、二维调节支架、与二维支架连接的二维支架控制器；

所述二维转台的转动基座在二维转台俯仰电机和二维转台方位电机驱动下转动；二维转台俯仰电机轴线和二维转台方位电机轴线垂直且相交；

所述的二维转台的俯仰电机和方位电机转动精度为0.005°，其俯仰电机是随动电机

所述的二维调节支架，可在垂直和水平两个维度进行位置调节，调节精度为0.1mm；

所述的微波雷达测量系统包括微波雷达主机、微波雷达天线、应答机和应答机天线；

所述的微波雷达主机和微波雷达天线协同完成对目标的空间角度测量，并输出在雷达坐标系下的目标方位角和俯仰角；

所述的微波雷达天线包括天线阵面和伺服驱动机构；伺服驱动机构驱动天线阵面转动；

所述的伺服驱动机构为二维驱动机构，包括微波雷达方位电机和微波雷达俯仰电机；其中，微波雷达俯仰电机是随动电机；微波雷达俯仰电机轴线和微波雷达方位电机轴线相交且垂直；

所述的微波雷达天线安装于二维转台之上，保持微波雷达方位电机轴线与二维转台俯仰电机轴线保持平行，微波雷达俯仰电机轴线与二维转台方位电机轴线保持平行；所述的微波雷达天线与微波雷达主机连接；

所述的应答机天线与应答机连接，所述的应答机天线正对微波雷达天线安装，所述的应答机加电工作后，向微波雷达提供信标信号；

所述的外符合标定系统包括激光跟踪仪；所述的激光跟踪仪具有水平方向+320°～-320°，垂直方向+79°～-59°的测量范围，以及5ppm的空间测量精度；

所述的数据采集系统包括监控台与监控台上位机；所述的监控台分别与二维转台及微波雷达主机连接，以固定周期向二维转台和微波雷达发送测量指令，采集二维转台和微波雷达的测量信息，并进行存储。

2.一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于步骤如下：

1)激光跟踪仪建站及加电预热

进行激光跟踪仪架设并加电预热，激光跟踪仪建站位置选择在二维转台正前方偏45°方向；

2)安装微波雷达天线及标定几何参数

安装微波雷达天线，使雷达坐标系和转台坐标系的三轴平行，标定得到转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转关系和平移关系，标定得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差，标定得到应答机天线在雷达坐标系下的坐标；

3)获取微波雷达全视场范围内网格式测试数据

控制二维转台带动微波雷达天线一起转动，使应答机天线在转动后的雷达坐标系下的相对空间位置遍历微波雷达全视场范围，使用监控台记录微波雷达的测量数据与二维转台的转角数据；

4)计算及装订雷达测角性能系统误差

利用步骤2)中标定的几何参数及步骤3)中记录的转台转角数据，计算应答机在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角和俯仰角，并与雷达测量值进行比对，得到测角性能系统误差。

3.根据权利要求2所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤2)的具体步骤为：

21)测量并拟合得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线，以二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线为基准建立转台坐标系，并测量得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差；

22)将微波雷达天线安装于二维转台的转动基座上，使微波雷达方位电机轴线与二维转台俯仰电机轴线平行，微波雷达俯仰电机轴线与二维转台方位电机轴线平行；

23)测量并拟合得到微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线，以微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线为基准建立雷达坐标系；

24)调整微波雷达天线在二维状态抓东基座上的安装姿态，使调整后的雷达坐标系与转台坐标系三轴旋转参量绝对值小于1°，并得到转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转参量和平移参量；

25)安装应答机天线并标定应答机天线在转台坐标系下的坐标。

4.根据权利要求3所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤21)的具体步骤为：

211)在二维转台上安装激光跟踪仪测量靶球，使靶球能够随着转台电机转动而转动；

212)将二维转台俯仰角回零，令二维转台方位角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对方位角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到二维转台方位电机轴线；

213)将二维转台方位角回零，令二维转台俯仰角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对俯仰角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到二维转台俯仰电机轴线；

214)以二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线为基准建立转台坐标系，并测量得到二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差。

5.根据权利要求3所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤23)的具体步骤为：

231)在微波雷达天线上安装激光跟踪仪测量靶球，使靶球能够随着微波雷达伺服机构转动而转动；

232)将二维转台方位角与俯仰角回零，令微波雷达俯仰角回零，使微波雷达方位角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对方位角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到微波雷达方位电机轴线；

233)将二维转台方位角与俯仰角回零，令微波雷达方位角回零，使微波雷达俯仰角以5°步进转动并停留，激光跟踪仪对俯仰角转动时靶球经过的半圆形轨迹进行测量，并拟合得到微波雷达俯仰电机轴线；

234)以微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线为基准建立雷达坐标系。

6.根据权利要求3所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤24)的具体步骤为：

241)使用激光跟踪仪的后处理软件计算得到步骤21)中建立的转台坐标系和步骤23)中建立的雷达坐标系间的坐标轴旋转参数；

242)根据步骤241)中计算出的旋转参数对微波雷达天线的安装进行微调，使转台坐标系和雷达坐标系三轴平行；

243)返回步骤23)重新使用激光跟踪仪测量微调后的雷达坐标系，进行迭代调整，直到三轴旋转参量绝对值小于1°；

244)记录最后一次微调后转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转参量和平移参量。

7.根据权利要求3所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤25)的具体步骤为：

251)在二维调节支架上架设应答机天线，使用激光跟踪仪测量应答机天线在雷达坐标系下的坐标；

252)微调二维调节支架改变应答机天线的位置，调整目标为使应答机天线位置落在雷达坐标系的X轴上；

253)使用激光跟踪仪重新测量微调后的应答机天线坐标，进行迭代调整，直到应答机天线在雷达坐标系下Y坐标绝对值小于1mm，Z坐标绝对值小于1mm；

254)记录最后一次微调后应答机天线在转台坐标系下的坐标。

8.根据权利要求2所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤3)的具体步骤为：

31)使微波雷达和应答机加电工作，并开始对应答机天线进行角度测量；

32)令监控台周期性的向微波雷达和二维转台发送测量指令，并对微波雷达和二维转台的测量结果进行采集；

33)转动二维转台，使微波雷达随着二维转台一起转动，保持微波雷达对目标的测量状态；以固定的步进分别转动二维转台的俯仰角或方位角，使二维转台的角度转动范围覆盖±60°×±60°；

34)通过监控台采集二维转台角度驻留时，微波雷达的测量数据和二维转台的转角数据。

9.根据权利要求2所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤4)的具体步骤为：

41)用步骤2)标定的几何参数及步骤3)中记录的转台转角值，计算在每次二维转台驻留时，应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角和俯仰角；

42)将微波雷达测量值与计算得出的外符合角度做差，得到全范围内的测角误差分布曲面；

43)将得到的测角误差分布曲面装订入微波雷达，完成微波雷达测角性能系统误差标定。

10.根据权利要求4所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤214)建立转台坐标系的方法为：

2141)参数定义：

21411)记雷达坐标系的三轴为坐标原点为O_r；

21412)记微波雷达俯仰电机轴线方位电机轴线

2142)拟合出微波雷达方位电机轴线微波雷达方位电机轴线作为雷达坐标系的Z轴矢量

2143)拟合出微波雷达俯仰电机轴线

2144)使用微波雷达方位电机轴线和微波雷达俯仰电机轴线做叉乘，生成新的矢量，作为微波雷达坐标系中的X轴矢量，即

2145)使用雷达坐标系的X轴矢量和雷达坐标系的Z轴矢量求出雷达坐标系的第三个轴矢量，即

2146)将微波雷达俯仰轴线沿雷达坐标系的X轴平行移动至与微波雷达方位电机轴线相交，交点作为雷达坐标系的原点O_r。

11.根据权利要求4所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤234)建立雷达坐标系的方法为：

2341)参数定义：

23411)记转台坐标系的三轴为坐标原点为O_zt；

23412)记二维转台俯仰电机轴线方位电机轴线

2342)拟合出二维转台方位电机轴线二维转台方位电机轴线作为转台坐标系的Y轴矢量

2343)拟合出二维转台俯仰轴线

2344)使用二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线做叉乘，生成新的矢量，作为转台坐标系中的X轴矢量，即

2345)使用转台坐标系的X轴矢量和转台坐标系中Y轴矢量做叉乘，求出转台坐标系的Z轴矢量，即其中，和的夹角为二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差；

2346)将二维转台俯仰电机轴线沿转台坐标系的X轴平行移动至与二维转台方位电机轴线相交，交点作为转台坐标系的原点O_zt。

12.根据权利要求9所述的一种交会对接微波雷达的测角性能系统误差标定方法，其特征在于：所述的步骤41)中所使用的外符合角度计算方法描述如下：

1.参数定义：

1.1记步骤21)中标定的二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差为∠θ_zt；

1.2记步骤24)中标定的转台坐标系到雷达坐标系的三轴旋转参量分别为∠R_x,∠R_y,∠R_z，雷达坐标系原点在转台坐标系下的坐标D_x,D_y,D_z；

1.3记步骤25)中标定的应答机天线在未转动的转台坐标下的坐标为[x_{T_zt0},y_{T_zt0},z_{T_zt0}]^T；

1.4记应答机天线在转动后的转台坐标系下的坐标为：[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T；

1.5记应答机天线在随转台转动后的雷达坐标系下的坐标为：[x_{T_r1},y_{T_r1},z_{T_r1}]^T；

1.6记M_zt0-zt1为转台转动后，原始转台坐标系到新的转台坐标系的转移矩阵；

1.7记矩阵M_zt-r为从转台坐标系到雷达坐标系的转移矩阵；

1.8记向量为转台坐标系原点到雷达坐标系原点的平移向量；

1.9记∠azi_zt为二维转台的方位电机转角；

1.10记∠elv_zt为二维转台的俯仰电机转角；

1.11记∠azi_{T_r1}为应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合方位角；

1.12记∠elv_{T_r1}为应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合俯仰角；

2.计算目标在转动后的转台坐标系下的坐标[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T：根据二维转台的转动特性，可知：

[x_{T_zt1},y_{T_zt1},z_{T_zt1}]^T＝M_zt0-zt1×[x_{T_zt0},y_{T_zt0},z_{T_zt0}]^T

根据步骤21)中转台坐标系的建立方法，并且对二维转台方位电机轴线和二维转台俯仰电机轴线的正交误差进行修正后，有：

M_zt0-zt1＝M_θzt(θ_zt)^-1×M_elv(elv_zt)×M_θzt(θ_zt)×M_azi(azi_zt)，

其中：

$M_{azi}\left({\mathrm{azi}}_{zt}\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\mathrm{azi}}_{zt}\right)& 0& -sin\left({\mathrm{azi}}_{zt}\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left({\mathrm{azi}}_{zt}\right)& 0& \cos \left({\mathrm{azi}}_{zt}\right)\end{array}\right],$

$M_{elv}\left({\mathrm{elv}}_{zt}\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\left({\mathrm{elv}}_{zt}\right)& sin\left({\mathrm{elv}}_{zt}\right)& 0\\ -sin\left({\mathrm{elv}}_{zt}\right)& cos\left({\mathrm{elv}}_{zt}\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$

$M_{{\mathrm{\θ}}_{zt}}\left({\mathrm{\θ}}_{zt}\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left({\mathrm{\θ}}_{zt}\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}_{zt}\right)\\ 0& -sin\left({\mathrm{\θ}}_{zt}\right)& cos\left({\mathrm{\θ}}_{zt}\right)\end{array}\right],$

3.计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标[x_{T_r1},y_{T_r1},z_{T_r1}]^T

根据步骤24)中标定的转台坐标系变换到雷达坐标系的旋转参量和平移参量，有：

${\[x_{T\_r1},y_{T\_r1},z_{T\_r1}\]}^T=M_{zt-r}\×({\[x_{T\_zt1},y_{T\_zt1},z_{T\_zt1}\]}^T-{\stackrel{\→}{s}}_{zt-r}),$

其中：

M_zt-r＝M_z(R_z)×M_y(R_y)×M_x(R_x)，

$\stackrel{\→}{S}=\[D_x,D_y,D_z\],$

$M_x\left(R_x\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& cos\left(R_x\right)& sin\left(R_x\right)\\ 0& -sin\left(R_x\right)& cos\left(R_x\right)\end{array}\right],$

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

$M_z\left(R_z\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\left(R_z\right)& sin\left(R_z\right)& 0\\ -sin\left(R_z\right)& cos\left(R_z\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

4.计算应答机天线在转动后的雷达坐标系下的外符合角度使用应答机天线在转动后的雷达坐标系下的坐标计算外符合角度，有：

∠azi_{T_r1}＝atan(y_{T_r1}/x_{T_r1}),

$\∠{\mathrm{elv}}_{T\_r1}=atan(-z_{T\_r1}/\sqrt{{x_{T\_r1}}^2+{y_{T\_r1}}^2}).$