CN108181618B

CN108181618B - 一种雷达标定方法

Info

Publication number: CN108181618B
Application number: CN201810170679.7A
Authority: CN
Inventors: 杨军佳; 王世军; 时银水; 纳学柱; 刘志青
Original assignee: Zhengzhou Campus Of Chinese People's Liberation Army Army Artillery Air Defense Academy
Current assignee: Zhengzhou Campus Of Chinese People's Liberation Army Army Artillery Air Defense Academy
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2019-12-20
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: CN108181618A

Abstract

本发明公开了一种雷达标定方法,属于电子设备标校领域。包括步骤：采集雷达地球大地坐标数据、雷达及ADS‑B接收设备在T时间内分别采集到的来自m批目标的方位角数据矩阵和地球大地坐标数据矩阵；进行坐标变换得到雷达在地球直角坐标系下的真实坐标以及t时刻ADS‑B接收设备采集到的m批目标在地球直角坐标系下的真实坐标矩阵；计算T时间内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵；计算T时间内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵；计算m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵；计算雷达标定所需的标定角度。该标定方法不仅能够有效节约雷达标定成本和时间，还能够比较精确地确定雷达标定所需要的标定角度信息。

Description

一种雷达标定方法

技术领域

本发明涉及电子设备标校领域，特别是涉及一种雷达标定方法。

背景技术

雷达标定是雷达对目标方位进行测量的基础，其标定的精确性直接关系到后续目标方位测量的准确性。目前，雷达标定使用比较多的是陀螺电子寻北仪，虽然精度比较高，但是该设备造价昂贵，自动标定需要几分钟的时间，同时由于测量原理的局限，陀螺寻北仪只能在中、低纬度地区保精度工作。航空交通管制广播式自动相关监视系统(AutomaticDependent Surveillance Broadcast,ADS-B)可以通过GPS得到的民航目标精确位置信息以广播形式向四周发射。如果雷达上安装有ADS-B接收设备，就能够实时接收到民航客机的位置信息。利用安装在雷达上的ADS-B接收设备接收ADS-B广播信号，从而获取民航客机比较精确的地理位置信息，通过一定的测算，就可以计算出雷达标定所需要的标定角度信息。通过这样的方式进行雷达标定，不仅能够节约成本和时间，还能够比较准确的确定出雷达基准方位。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种雷达标定方法，解决现有技术中雷达标定过程时间长、成本大以及中、高纬度地区标定精度不够高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种雷达标定方法，包括如下步骤：数据采集，采集雷达的地球大地坐标(B_radar，L_radar，H_radar)、雷达及ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast)接收设备在T时间间隔内分别采集到的来自m批目标的方位角数据矩阵和地球大地坐标数据矩阵其中B_radar、L_radar和H_radar分别表示雷达的经度、纬度和高度值，表示雷达在t_i时刻采集到的第j批目标的方位角数据，分别表示ADS-B接收设备在t_i时刻采集到的第j批目标的经度、纬度和高度值，m表示目标的批次，n表示在T时间间隔内任意选择n个时刻，m、n大于或等于1，0≤t_i≤T，1≤i≤n，1≤j≤m；坐标变换，建立地球直角坐标系O-XYZ，其中，坐标原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向本初子午线，Y轴垂直于XOZ平面，将雷达的地球大地坐标(B_radar，L_radar，H_radar)和ADS-B接收设备在T时间间隔内采集到的来自m批目标的地球大地坐标数据矩阵变换到地球直角坐标系O-XYZ下，得到雷达在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)以及ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵其中表示t_i时刻ADS-B接收设备采集到的第j批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标；基于地球直角坐标系O-XYZ下的雷达真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)和ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵计算T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵其中，表示t_i时刻第j批目标相对于雷达的真实方位角；根据T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵和雷达测到的目标方位角矩阵计算T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵其中，表示t_i时刻第j批目标雷达标定所需的标定角度，计算公式为：

根据T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵其中，表示第j批目标雷达标定所需的标定角度；根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算雷达标定所需的标定角度δ。

在本发明一种雷达标定方法另一实施例中，所述坐标变换还包括如下步骤：计算雷达在地球直角坐标系下的真实坐标

式中,N为雷达位置的卯酉圈曲率半径，e为椭球第一偏心率，N和e满足以下关系式：

式中，lR表示地球长半轴，数值为6378136.49，sR表示地球短半轴，数值为6356755.00；计算t_i时刻ADS-B接收设备采集到的第j批目标在地球直角坐标系下的真实坐标：

式中,N为目标位置,的卯酉圈曲率半径，e为椭球第一偏心率，N和e满足以下关系式：

式中，lR表示地球长半轴，数值为6378136.49，sR表示地球短半轴，数值为6356755.00；得到ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系下的真实坐标矩阵

在本发明一种雷达标定方法另一实施例中，基于雷达在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)和ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵计算T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵还包括如下步骤：(1)构造几何图形，雷达位于北半球东部A点处，从A点出发沿地球经线方向做地球的切线，该切线与地球直角坐标系O-XYZ的Z轴交于一点A'，目标位于地球直角坐标系O-XYZ中的D点且和雷达均位于北半球东部，D'点是目标在经过雷达A点与地球相切的平面上的投影点，C点为地球直角坐标系O-XYZ的Z轴与地球的交点，O点为地球直角坐标系O-XYZ的原点，从而构造出三角形AOC、三角形AOA'、三角形AOD、三角形ADD'、三角形A'D'D、三角形A'AD'和四边形OADD'；(2)利用三角几何关系计算t_i时刻第j批目标相对于雷达的真实方位角式中l_AA'、l_AD'、l_A'D'分别表示点A与点A'、点A与点D'、点A'与点D'的距离，计算l_AA'和求取A'点坐标，式中，l_OA'表示点O与点A'的距离，A'点坐标为(0，0，l_OA')，又式中，l_AO、l_OC、l_AC分别表示点A与点O、点O与点C、点A与点C的距离，其满足以下关系式：

式中，sR表示地球短半轴，数值为6356755.00，计算l_AD'，式中，l_AD、l_DD'分别表示点A与点D、点D与点D'的距离，式中，l_OD表示O点与D的距离且计算l_A'D'，式中，l_A'D表示点A'(0，0，l_OA')与点D的距离，将l_AA'、l_AD'、l_A'D'带入公式求得(3)得到T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵

在本发明一种雷达标定方法另一实施例中，m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵的计算步骤如下：(1)根据T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵得到第j批目标在T时间间隔内的标定角度矩阵构建第j批目标在T时间间隔内的标定角度贴近度矩阵G^j：

式中，表示第j批目标在t_u时刻雷达标定所需的标定角度和在t_v时刻雷达标定所需的标定角度的贴近程度，其中，1≤u≤n,1≤v≤n,0≤t_u≤T,0≤t_v≤T，同时规定其中t_u≠t_v；(2)存在G^j的最大特征值λ^j＞0，其对应的正特征向量使得则是相对于t_i之外的其它时刻标定角度的贴近程度；(3)计算

在本发明一种雷达标定方法另一实施例中，雷达标定所需的标定角度δ计算步骤如下：(1)根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵构建m批目标雷达标定所需标定角度的贴近度矩阵G：

式中，g^pq表示第p批目标雷达标定所需的标定角度和第q批目标雷达标定所需的标定角度的贴近程度，其中，g^pq＝1/|δ^p-δ^q|，1≤p≤m,1≤q≤m，同时规定g^pp＝100·max(g^pq)，其中，p≠q；(2)存在G的最大特征值λ＞0，其对应的正特征向量使得则ε^j是相对于第j批目标之外的其他批目标标定角度的贴近程度；(3)计算δ，

本发明的有益效果是，本发明实施例一种雷达标定方法，包括步骤：数据采集，采集雷达地球大地坐标数据、雷达及ADS-B接收设备在T时间间隔内分别采集到的来自m批目标的方位角数据矩阵和地球大地坐标数据矩阵；坐标变换，将雷达地球大地坐标数据、T时间间隔内分别采集到的来自m批目标地球大地坐标数据矩阵变换到地球直角坐标系下，得到雷达在地球直角坐标系下的真实坐标以及T时间间隔内ADS-B接收设备采集到的m批目标在地球直角坐标系下的真实坐标矩阵；基于地球直角坐标系下雷达真实坐标和T时间间隔内ADS-B接收设备采集到的m批目标在地球直角坐标系下的真实坐标矩阵，计算T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵；根据T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵和雷达测到的目标方位角矩阵，计算T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵根据雷达标定所需的标定角度矩阵计算m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算雷达标定所需的标定角度δ。通过利用雷达上安装的ADS-B接收设备，实时接收到民航客机的地理位置信息，在获取民航客机地理位置信息的基础上，利用上述步骤，可以很方便地计算出雷达标定所需要的标定角度信息，此种标定雷达方法，不仅能够有效节约雷达标定成本和时间，还能够比较精确地确定出雷达标定所需要的标定角度信息。

附图说明

图1是根据雷达标定方法一实施例的工作流程图；

图2是根据雷达标定方法一实施例的地球直角坐标系示意图；

图3是根据雷达标定方法一实施例的几何图形构建示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1是本发明雷达标定方法一实施例的流程图。如图1所示，该雷达标定方法具体包括数据采集；坐标变换；计算T时间内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵；计算m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算对于m批中第j批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算雷达标定所需的标定角度δ六个步骤。

首先，在步骤S1中，数据采集是指采集雷达的地球大地坐标(B_radar，L_radar，H_radar)、雷达及ADS-B接收设备在T时间间隔内分别采集到的来自m批目标的方位角数据矩阵和地球大地坐标数据矩阵其中B_radar、L_radar和H_radar分别表示雷达的经度、纬度和高度值，表示雷达在t_i时刻采集到的第j批目标的方位角数据，分别表示ADS-B接收设备在t_i时刻采集到的第j批目标的经度、纬度和高度值，m表示目标的批次，n表示在T时间间隔内任意选择n个时刻，m、n大于或等于1，0≤t_i≤T，1≤i≤n，1≤j≤m；

如图2所示，在步骤S2中，首先建立地球直角坐标系O-XYZ，其中，坐标原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向本初子午线，Y轴垂直于XOZ平面；然后将雷达的地球大地坐标(B_radar，L_radar，H_radar)和ADS-B接收设备在T时间间隔内采集到的来自m批目标的地球大地坐标数据矩阵变换到地球直角坐标系O-XYZ下，得到雷达在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)以及ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵其中表示t_i时刻ADS-B接收设备采集到的第j批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标；

在步骤S3中，计算T时间内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵具体步骤包括：(1)构造几何图形，将雷达置于北半球东部A点处，从A点出发沿地球经线方向做地球的切线，该切线与地球直角坐标系O-XYZ的Z轴交于一点A'，目标位于地球直角坐标系O-XYZ中的D点且和雷达同位于北半球东部，D'点是目标在经过雷达A点与地球相切的平面上的投影点，C点为地球直角坐标系O-XYZ的Z轴与地球的交点，O点为地球直角坐标系O-XYZ的原点，从而构造出三角形AOC、三角形AOA'、三角形AOD、三角形ADD'、三角形A'D'D、三角形A'AD'和四边形OADD'；(2)利用三角几何关系计算t_i时刻第j批目标相对于雷达的真实方位角式中l_AA'、l_AD'、l_A'D'分别表示点A与点A'、点A与点D'、点A'与点D'的距离，然后计算l_AA'和求取A'点坐标，式中，l_OA'表示点O与点A'的距离，A'点坐标为(0，0，l_OA')，又式中，l_AO、l_OC、l_AC分别表示点A与点O、点O与点C、点A与点C的距离，其满足以下关系式：式中，sR表示地球短半轴，数值为6356755.00；再计算l_AD'，式中，l_AD、l_DD'分别表示点A与点D、点D与点D'的距离，式中，l_OD表示O点与D的距离且然后计算l_A'D'，式中，l_A'D表示点A'(0，0，l_OA')与点D的距离，然后将l_AA'、l_AD'、l_A'D'带入公式求得(3)得到T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵

在步骤S4中，根据T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵和雷达测到的目标方位角矩阵计算雷达标定所需的标定角度矩阵具体计算公式为：

在步骤S5中，m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵的计算步骤如下：根据T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵得到第j批目标在T时间间隔内的标定角度矩阵构建第j批目标在T时间间隔内的标定角度贴近度矩阵G^j：

式中，表示第j批目标在t_u时刻雷达标定所需的标定角度和在t_v时刻雷达标定所需的标定角度的贴近程度，其中，1≤u≤n,1≤v≤n,0≤t_u≤T,0≤t_v≤T，同时规定其中t_u≠t_v；由G^j可知，存在G^j的最大特征值λ^j＞0，其对应的正特征向量使得是相对于t_i之外的其它时刻标定角度的贴近程度；最后计算

在步骤S6中，根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵构建m批目标雷达标定所需标定角度的贴近度矩阵G：

式中，g^pq表示第p批目标雷达标定所需的标定角度和第q批目标雷达标定所需的标定角度的贴近程度，其中，g^pq＝1/|δ^p-δ^q|，1≤p≤m,1≤q≤m，同时规定g^pp＝100·max(g^pq)，其中，p≠q；由G可知，存在G的最大特征值λ＞0，其对应的正特征向量使得ε^j是相对于第j批目标之外的其他批目标标定角度的贴近程度；最后计算δ，

通过以上实施例，本发明雷达标定方法实现：(1)数据采集，采集雷达地球大地坐标数据、雷达及ADS-B接收设备在T时间内分别采集到的来自m批目标方位角数据和大地坐标数据矩阵；(2)进行坐标变换，得到雷达在地球直角坐标系下的真实坐标以及t时刻ADS-B接收设备采集到的m批目标在地球直角坐标系下的真实坐标矩阵；计算T时间内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵；(3)根据T时间内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵和雷达测到的目标方位角矩阵，计算T时间内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵(4)根据T时间内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算对于m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵(5)根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵(6)计算雷达标定所需的标定角度δ这六个步骤，非常方便、快捷地得到标定雷达的所需的标定信息，该标定方法不仅能够有效节约雷达标定成本和时间，还能够比较精确地确定雷达标定所需要的标定角度信息。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种雷达标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)数据采集，采集雷达的地球大地坐标(B_radar，L_radar，H_radar)、雷达及ADS-B(AutomaticDependent Surveillance Broadcast)接收设备在T时间间隔内分别采集到的来自m批目标的方位角数据矩阵和地球大地坐标数据矩阵其中B_radar、L_radar和H_radar分别表示雷达的经度、纬度和高度值，表示雷达在t_i时刻采集到的第j批目标的方位角数据，分别表示ADS-B接收设备在t_i时刻采集到的第j批目标的经度、纬度和高度值，m表示目标的批次，n表示在T时间间隔内任意选择n个时刻，m、n大于或等于1，0≤t_i≤T，1≤i≤n，1≤j≤m；

(2)坐标变换，建立地球直角坐标系O-XYZ，其中，坐标原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向本初子午线，Y轴垂直于XOZ平面，将雷达的地球大地坐标(B_radar，L_radar，H_radar)和ADS-B接收设备在T时间间隔内采集到的来自m批目标的地球大地坐标数据矩阵变换到地球直角坐标系O-XYZ下，得到雷达在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)以及ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵其中表示t_i时刻ADS-B接收设备采集到的第j批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标；

(3)基于地球直角坐标系O-XYZ下的雷达真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)和ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵计算T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵其中，表示t_i时刻第j批目标相对于雷达的真实方位角；

(4)根据T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵和雷达测到的目标方位角矩阵计算T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵其中，表示t_i时刻第j批目标雷达标定所需的标定角度，计算公式为：

(5)根据T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵其中，表示第j批目标雷达标定所需的标定角度；

(6)根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵计算雷达标定所需的标定角度δ,雷达标定所需的标定角度δ计算步骤如下：

S1:根据m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵构建m批目标雷达标定所需标定角度的贴近度矩阵G：

式中，g^pq表示第p批目标雷达标定所需的标定角度和第q批目标雷达标定所需的标定角度的贴近程度，其中，g^pq＝1/|δ^p-δ^q|，1≤p≤m,1≤q≤m，同时规定g^pp＝100·max(g^pq)，其中，p≠q；

S2:存在G的最大特征值λ＞0，其对应的正特征向量使得则ε^j是相对于第j批目标之外的其他批目标标定角度的贴近程度；

S3:计算δ，

2.根据权利要求1所述的雷达标定方法，其特征在于，所述步骤(2)中坐标变换还包括如下步骤：

2.1计算雷达在地球直角坐标系下的真实坐标：

式中,N为雷达位置点的卯酉圈曲率半径，e为椭球第一偏心率，N和e满足以下关系式：

式中，lR表示地球长半轴，数值为6378136.49，sR表示地球短半轴，数值为6356755.00；

2.2计算t_i时刻ADS-B接收设备采集到的第j批目标在地球直角坐标系下的真实坐标：

式中,N为目标位置点的卯酉圈曲率半径，e为椭球第一偏心率，N和e满足以下关系式：

2.3基于步骤2.1、2.2，得到ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系下的真实坐标矩阵

3.根据权利要求1所述的雷达标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中基于雷达在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标(x_radar，y_radar，z_radar)和ADS-B接收设备采集到的T时间间隔内m批目标在地球直角坐标系O-XYZ下的真实坐标矩阵计算T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵还包括如下步骤：

3.1构造几何图形，雷达位于北半球东部A点处，从A点出发沿地球经线方向做地球的切线，该切线与地球直角坐标系O-XYZ的Z轴交于一点A'，目标位于地球直角坐标系O-XYZ中的D点且和雷达同位于北半球东部，D'点是目标在经过雷达A点与地球相切的平面上的投影点，C点为地球直角坐标系O-XYZ的Z轴与地球的交点，O点为地球直角坐标系O-XYZ的原点，从而构造出三角形AOC、三角形AOA'、三角形AOD、三角形ADD'、三角形A'D'D、三角形A'AD'和四边形OADD'；

3.2利用三角几何关系计算t_i时刻第j批目标相对于雷达的真实方位角式中l_AA'、l_AD'、l_A'D'分别表示点A与点A'、点A与点D'、点A'与点D'的距离：

3.2.1计算l_AA'和求取A'点坐标，式中，l_OA'表示点O与点A'的距离，A'点坐标为(0，0，l_OA')，又式中，l_AO、l_OC、l_AC分别表示点A与点O、点O与点C、点A与点C的距离，其满足以下关系式：式中，sR表示地球短半轴，数值为6356755.00；

3.2.2计算l_AD'，式中，l_AD、l_DD'分别表示点A与点D、点D与点D'的距离，式中，l_OD表示O点与D的距离且

3.2.3计算l_A'D'，式中，l_A'D表示点A'(0，0，l_OA')与点D的距离，

3.2.4将l_AA'、l_AD'、l_A'D'带入公式求得

3.3基于步骤3.1、3.2，得到T时间间隔内m批目标相对于雷达的真实方位角矩阵

4.根据权利要求1所述的雷达标定方法，其特征在于，所述步骤(5)中m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵的计算步骤如下：

4.1根据T时间间隔内m批目标雷达标定所需的标定角度矩阵得到第j批目标在T时间间隔内的标定角度矩阵构建第j批目标在T时间间隔内的标定角度贴近度矩阵G^j：

式中，表示第j批目标在t_u时刻雷达标定所需的标定角度和在t_v时刻雷达标定所需的标定角度的贴近程度，其中，1≤u≤n,1≤v≤n,0≤t_u≤T,0≤t_v≤T，同时规定其中t_u≠t_v；

4.2存在G^j的最大特征值λ^j＞0，其对应的正特征向量使得则是相对于t_i之外的其它时刻标定角度的贴近程度；

4.3计算