CN110673101A - 一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法 - Google Patents

一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法 Download PDF

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朱键华
王晓丹
李阳
蒲季春
白明顺
武春风
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Abstract

本发明公开了一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，所述方法为：建立动态测角补偿的坐标系，通过获取姿态角、原始方位角、原始俯仰角，计算一个波位时间内的天线波束指向后，计算方位角和俯仰角的平均值并利用建立的动态测角补偿的坐标系进行转换，最后利用极坐标直角坐标转换公式求解得到动态补偿后当前波位目标在惯性坐标系下的方位角和俯仰角。本发明的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法可以大大的提高雷达系统的测角精度；在工程应用中再综合考虑波束指向误差、雷达伺服控制转动误差以及系统内的其他误差等因素影响，本发明提供的动态补偿方法在实际应用中将更有应用价值。

Description

一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法
技术领域
本发明涉及雷达系统探测技术领域，尤其是一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法。
背景技术
针对空中低慢小飞行器威胁，现有市面上雷达探测系统可在固定部署情况下实现高精度的目标指示信息输出。对于自身携带发电机供电的车载平台而言，其工作情况下存在一定的振动，影响雷达系统的输出精度；车载平台在不具备车辆调平功能或调平功能较差时，车载平台停止位置与水平面存在一定的角度，误差精度进一步累加，从而增加雷达系统的输出精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，利用高精度的组合导航姿态测量设备，在车载平台有一定频率振动和车载平台停放有一定角度倾斜情况下的雷达目标指示信息输出进行补偿，保证雷达系统输出高精度的目标指示角度误差。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，包括如下步骤：
步骤1，通过结合载体坐标系和惯性坐标系，建立动态测角补偿的坐标系；
步骤2，获取载体在k时刻的姿态角，并根据载体在k时刻的姿态角计算第一姿态转换矩阵；同时，获取雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角，并根据雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角计算天线波束指向单位矢量；
步骤3，在k+1时刻时，获取载体的姿态角，并根据载体在k+1时刻的姿态角计算第二姿态转换矩阵；
步骤4，利用k时刻的第一姿态角转换矩阵和天线波束指向单位矢量，以及k+1时刻的第二姿态角转换矩阵，求解k+1时刻在载体坐标系下的天线波束指向单位矢量；
步骤5，通过步骤1～4计算出一个波为时间内的天线波束指向后，对天线波束指向中的方位角和俯仰角进行取平均值；
步骤6，利用惯性坐标系下的平均值结果
Figure BDA0002232265760000021
通过极坐标直角坐标转换公式计算出
Figure BDA0002232265760000022
然后利用
Figure BDA0002232265760000023
求解得到方位角λyb和俯仰角λzb，求解得到的方位角λyb和俯仰角λzb即是动态补偿后当前波位目标在惯性坐标系下的方位角和俯仰角。
进一步地，步骤2中根据载体在k时刻的姿态角计算得到的第一姿态转换矩阵的表达式为：
Figure BDA0002232265760000024
其中，俯仰角θ、偏航角ψ、滚转角γ分别为载体坐标系在惯性坐标系下的三个姿态角。
进一步地，步骤2中根据雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角计算天线波束指向单位矢量的方法为：
1)k时刻的天线波束指向单位矢量在载体坐标系的表达式为：
Figure BDA0002232265760000025
2)k时刻的天线波束指向单位矢量在惯性坐标系的表达式为：
Figure BDA0002232265760000026
其中，λyb(k)为k时刻的原始方位角，λzb(k)为k时刻的原始俯仰角。
进一步地，步骤4的方法为：
(1)根据步骤2的方法建立k+1时刻的天线波束指向单位矢量表达式；
(2)解耦使得在k+1时刻的天线波束指向在惯性坐标系中与k时刻的相同，即满足
Figure BDA0002232265760000031
(3)利用k时刻的第一姿态角转换矩阵和天线波束指向单位矢量，以及k+1时刻的第二姿态角转换矩阵，通过解算
Figure BDA0002232265760000032
求解k+1时刻在载体坐标系下的天线波束指向单位矢量。
进一步地，步骤5的方法为：
(1)对天线波束指向中的方位角和俯仰角进行取平均值，得到平均值结果
Figure BDA0002232265760000033
(2)将平均值结果
Figure BDA0002232265760000034
转换到惯性坐标系下，得到惯性坐标系下的平均值结果
Figure BDA0002232265760000035
进一步地，所述取平均值的表达式为：
Figure BDA0002232265760000036
其中，K为一个波位时间内光纤捷联组合导航系统输出姿态角的次数。
进一步地，步骤6中所述求解得到方位角λyb和俯仰角λzb的表达式为：
Figure BDA0002232265760000037
Figure BDA0002232265760000038
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法可以大大的提高雷达系统的测角精度；在工程应用中再综合考虑波束指向误差、雷达伺服控制转动误差以及系统内的其他误差等因素影响，本发明提供的动态补偿方法在实际应用中将更有应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的雷达系统动态补偿的流程框图。
图2为本发明的雷达系统动态补偿的原理图。
图3为本发明建立的动态测角补偿的坐标系示意图。
图4a～4c为本发明在低频振动条件下的解算误差的仿真结果波形图。
图5a～5e为本发明在高频加低频条件下的解算误差的仿真结果波形图。
图6a～6e为本发明在不同高频幅度加低频条件下的解算误差的仿真结果波形图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本实施例的一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，包括如下步骤：
步骤1，通过结合载体坐标系和惯性坐标系，建立动态测角补偿的坐标系；
如图2所示，设载体坐标系[xb,yb,zb]在惯性坐标系[xi,yi,zi]下的三个姿态角分别为俯仰角θ、偏航角ψ、滚转角γ，雷达系统的天线在载体坐标系的扫描顺序假设为先扫描方位角λyb后扫描俯仰角λzb。
步骤2，获取载体在k时刻的姿态角，并根据载体在k时刻的姿态角计算第一姿态转换矩阵；同时，获取雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角，并根据雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角计算天线波束指向单位矢量；
具体地，载体运动将使得雷达系统的天线波束指向矢量oξ旋转，天线扫描指向机构的动作将保持天线波束指向矢量oξ的指向在惯性空间内稳定。假设在k时刻，天线波束指向矢量oξ(k)已经对准目标，此时雷达系统的天线波束探测的目标在载体坐标系内的原始方位角为λyb(k)，原始俯仰角为λzb(k)；此时光纤捷联组合导航系统测出的载体的姿态角为θ(k),ψ(k),γ(k)。
(1)根据载体在k时刻的姿态角计算第一姿态转换矩阵；
第一姿态角转换矩阵的表达式：
(2)根据雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角，计算k时刻的天线波束指向单位矢量；
1)k时刻的天线波束指向单位矢量在载体坐标系的表达式为：
Figure BDA0002232265760000052
2)k时刻的天线波束指向单位矢量在惯性坐标系的表达式为：
Figure BDA0002232265760000053
步骤3，在k+1时刻时，获取载体的姿态角，并根据载体在k+1时刻的姿态角计算第二姿态转换矩阵；
在k+1时刻时，载体姿态发生变化，载体的姿态角为θ(k+1),ψ(k+1),γ(k+1)，此时第二姿态角转换矩阵的表达式为
Figure BDA0002232265760000054
步骤4，利用k时刻的第一姿态角转换矩阵和天线波束指向单位矢量，以及k+1时刻的第二姿态角转换矩阵，求解k+1时刻在载体坐标系下的天线波束指向单位矢量；
(1)根据步骤2的方法建立k+1时刻的天线波束指向单位矢量表达式：
假设在k+1时刻时，雷达系统的天线波束探测的目标在载体坐标系内的方位角为λyb(k+1)，俯仰角为λzb(k+1)，根据步骤2的方法同理可得k+1时刻的天线波束指向单位矢量的表达式：
1)k+1时刻的天线波束指向单位矢量在载体坐标系的表达式为：
Figure BDA0002232265760000061
2)k+1时刻的天线波束指向单位矢量在惯性坐标系的表达式为：
Figure BDA0002232265760000062
(2)解耦使得在k+1时刻的天线波束指向在惯性坐标系中与k时刻的相同，即满足
Figure BDA0002232265760000063
(3)利用k时刻的第一姿态角转换矩阵和天线波束指向单位矢量，以及k+1时刻的第二姿态角转换矩阵，通过解算求解k+1时刻在载体坐标系下的天线波束指向单位矢量；解算的方程式为：
Figure BDA0002232265760000065
Figure BDA0002232265760000066
步骤5，通过步骤1～4计算出一个波为时间内的天线波束指向后，对天线波束指向中的方位角和俯仰角进行取平均值；
(1)对天线波束指向中的方位角和俯仰角进行取平均值，得到平均值结果
Figure BDA0002232265760000067
所述取平均值的表达式为：
Figure BDA0002232265760000071
其中，K为一个波位时间内光纤捷联组合导航系统输出姿态角的次数。
(2)将平均值结果
Figure BDA0002232265760000072
转换到惯性坐标系下，得到惯性坐标系下的平均值结果
Figure BDA0002232265760000073
这是因为步骤1～4中的天线波束指向并非惯性坐标系下的波束指向，所以需要将平均值结果
Figure BDA0002232265760000074
转换到惯性坐标系下。
步骤6，利用惯性坐标系下的平均值结果
Figure BDA0002232265760000075
通过极坐标直角坐标转换公式计算出
Figure BDA0002232265760000076
然后利用
Figure BDA0002232265760000077
求解得到方位角λyb和俯仰角λzb。其中，所述求解得到方位角λyb和俯仰角λzb的表达式为：
Figure BDA0002232265760000078
Figure BDA0002232265760000079
求解得到的方位角λyb和俯仰角λzb即是动态补偿后当前波位目标在惯性坐标系下的方位角和俯仰角。
为了说明本发明的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法的有益效果，以下在姿态角测量误差精度为0.02°，角速度测量误差精度为0.02°/s条件下，分别对低频振动条件下的解算误差、高频加低频条件下的解算误差、以及不同高频幅度加低频条件下的解算误差等条件下进行仿真。
(1)低频振动条件下的解算误差如表1所示。
表1：
倾斜/振动条件 采样率 解算误差
3°，2Hz 200Hz 0.26°
2°，2Hz 200Hz 0.18°
1°，2Hz 200Hz 0.09°
仿真结果如图4a～4c所示。
(2)高频加低频条件下的解算误差如表2所示。
表2：
仿真结果如图5a～5e所示。
(3)不同高频幅度加低频条件下的解算误差如表3所示。
表3：
Figure BDA0002232265760000082
仿真结果如图6a～6e所示。
从上述的仿真结果来看，在角速度采样率一定的条件下，解算误差会随着振动频率、振动幅度的变化而变化。规定以2Hz为高低频界限，在低频条件下，振动频率一定，解算误差与振动幅度近似成线性关系，在低频大振幅和高频小振幅条件下，解算误差为低频解算误差加上高频振幅。
根据上述仿真结果，本发明的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法可以大大的提高雷达系统的测角精度；在工程应用中再综合考虑波束指向误差、雷达伺服控制转动误差以及系统内的其他误差等因素影响，本发明提供的动态补偿方法在实际应用中将更有应用价值。

Claims (7)

1.一种基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，通过结合载体坐标系和惯性坐标系，建立动态测角补偿的坐标系；
步骤2，获取载体在k时刻的姿态角，并根据载体在k时刻的姿态角计算第一姿态转换矩阵；同时，获取雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角，并根据雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角计算天线波束指向单位矢量；
步骤3，在k+1时刻时，获取载体的姿态角，并根据载体在k+1时刻的姿态角计算第二姿态转换矩阵；
步骤4，利用k时刻的第一姿态角转换矩阵和天线波束指向单位矢量，以及k+1时刻的第二姿态角转换矩阵，求解k+1时刻在载体坐标系下的天线波束指向单位矢量；
步骤5，通过步骤1～4计算出一个波为时间内的天线波束指向后，对天线波束指向中的方位角和俯仰角进行取平均值；
步骤6，利用惯性坐标系下的平均值结果
Figure FDA0002232265750000011
通过极坐标直角坐标转换公式计算出
Figure FDA0002232265750000012
然后利用
Figure FDA0002232265750000013
求解得到方位角λyb和俯仰角λzb，求解得到的方位角λyb和俯仰角λzb即是动态补偿后当前波位目标在惯性坐标系下的方位角和俯仰角。
2.根据权利要求1所述的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，步骤2中根据载体在k时刻的姿态角计算得到的第一姿态转换矩阵的表达式为：
其中，俯仰角θ、偏航角ψ、滚转角γ分别为载体坐标系在惯性坐标系下的三个姿态角。
3.根据权利要求2所述的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，步骤2中根据雷达系统在k时刻时探测到目标的原始俯仰角和原始方位角计算天线波束指向单位矢量的方法为：
1)k时刻的天线波束指向单位矢量在载体坐标系的表达式为：
Figure FDA0002232265750000021
2)k时刻的天线波束指向单位矢量在惯性坐标系的表达式为：
其中，λyb(k)为k时刻的原始方位角，λzb(k)为k时刻的原始俯仰角。
4.根据权利要求3所述的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，步骤4的方法为：
(1)根据步骤2的方法建立k+1时刻的天线波束指向单位矢量表达式；
(2)解耦使得在k+1时刻的天线波束指向在惯性坐标系中与k时刻的相同，即满足
Figure FDA0002232265750000023
(3)利用k时刻的第一姿态角转换矩阵和天线波束指向单位矢量，以及k+1时刻的第二姿态角转换矩阵，通过解算
Figure FDA0002232265750000024
求解k+1时刻在载体坐标系下的天线波束指向单位矢量。
5.根据权利要求4所述的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，步骤5的方法为：
(1)对天线波束指向中的方位角和俯仰角进行取平均值，得到平均值结果
Figure FDA0002232265750000025
(2)将平均值结果
Figure FDA0002232265750000026
转换到惯性坐标系下，得到惯性坐标系下的平均值结果
6.根据权利要求5所述的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，所述取平均值的表达式为：
Figure FDA0002232265750000032
其中，K为一个波位时间内光纤捷联组合导航系统输出姿态角的次数。
7.根据权利要求5或6所述的基于组合导航姿态的雷达系统动态补偿方法，其特征在于，步骤6中所述求解得到方位角λyb和俯仰角λzb的表达式为：
Figure FDA0002232265750000033
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