CN111580053A - 大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正方法 - Google Patents

大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正方法，通过联合计算AIS位置信息误差与船舶的雷达目标散射中心变化在斜距、方位和俯仰上给雷达测量带来的误差，利用AIS位置信息误差在斜距、方位、俯角上的投影并不是同时达到最小的特性，基于AIS数据误差与雷达测量误差间的独立性，联合计算得到了仅利用AIS数据无法得到的AIS位置信息固定误差，联合修正了大型船舶目标AIS位置信息误差与目标时变雷达散射中心在斜距、方位和俯仰上给雷达测量带来的误差，修正后的标定精度满足高精度雷达性能验证需求，且利用同一批次目标不同航段和不同海域不同批次目标的AIS位置信息数据开展雷达性能测试标校得到的结果一致性很好。

Description

大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正 方法
技术领域
本发明属于大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正技术领域，特别涉及大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正方法。
背景技术
雷达是支撑战场态势感知、火力打击的重要装备，其日常性能达标与否，是执行任务前做出决策的重要依据，特别是在执行重大任务前，有针对性地对雷达的技战术指标进行系统检验意义重大。实际中，对于平台位置实时变化的雷达，依靠地面固定地标或有源静态标定的手段无法检验和评估平台运动过程对其目标探测带来的影响，而采用军舰等海上合作目标的雷达性能测试验证手段存在实施难度大、成本高、协调周期长等缺陷，也无法快速便捷地监控和掌握雷达的日常性能底数，迫切需要一种能够便捷完成雷达对海上目标探测性能验证的方法，以保证雷达探测任务的完成。
利用民用船舶作为非合作目标，对其船舶自动识别AIS系统播报的位置信息与雷达测量得到的数据开展性能比对，实现对雷达对海上目标探测性能的标校，且AIS位置信息来自于全球卫星导航系统设备，精度较高，是一种很好的手段。然而，船舶所发的AIS位置报文与发射时船舶所处的位置并不一致。报文中的位置信息和船舶发射时刻所处的真实位置之间的误差主要来自两个方面：一是导航系统的定位精度；二是从定位时刻到发射时刻的时延。根据船速不同，AIS信息更新率为2秒-3分钟不等，误差也不确定。以船速20节，数据更新率为6秒的典型航行状态参数为例，从定位完成时刻到报文发出时刻导致的误差约60m，而对于自身长度为200～300m的大型船舶，散射中心由船头变化为船尾过程中引入的雷达测量误差也达百米量级。因此，大型船舶目标尺寸比标准的标校目标尺寸大很多，不能将其建模为点目标，当大型船舶相对于雷达的视角不同时，目标的回波中心也会发生改变，即目标的回波散射中心时变，导致利用同一目标在不同航段的AIS位置信息开展雷达性能测试标校得到的结果一致性差，受船舶的几何位置和姿态变化的影响大，出现测距测角误差估算不准、波动幅度大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算及修正方法，能够用于解决民用船舶播报的AIS位置信息用于高精度机载雷达性能标校时存在的测距测角系统误差估计结果波动幅度大的问题，其中要解决的技术问题包括：
(1)大型船舶目标AIS位置信息误差与时变雷达散射中心导致的雷达测量误差的联合计算方法；
(2)联合修正大型船舶目标时变雷达散射中心导致的雷达测量误差的实施过程。
本发明所述的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算方法，包括以下步骤：
A1.在雷达对海探测背景下，推导大型船舶的AIS系统从定位时刻到发射时刻间时延引入的位置误差LA投影到雷达坐标系下在斜距维、方位维和俯仰维的解析表达式，分别为
Figure BDA0002517165530000021
其中
Figure BDA0002517165530000022
为雷达所在平台的航向角，rp、
Figure BDA0002517165530000023
θp分别是大型船舶相对于雷达的斜距、方位角和俯仰角；
A2.推导得到大型船舶航行过程中，目标时变雷达散射中心相对于船头的距离为
Figure BDA0002517165530000024
其中LS为雷达散射中心的变化范围，α为船舶航行方向与雷达天线主波束指向角间的夹角；
A3.联合计算得到大型船舶目标AIS位置信息误差与目标雷达散射中心时变在斜距、方位和俯仰上给雷达测量带来的误差，分别为
Figure BDA0002517165530000025
Figure BDA0002517165530000026
本发明所述的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合修正方法，包括以下步骤：
B1.选择雷达平台与大型船舶间相对位置关系包括由远而近的运动过程所对应的AIS位置信息数据批次；
B2.利用步骤B1所选择的AIS位置信息数据，根据权利要求1步骤A1的结果，分析在大型船舶航行的不同阶段，目标回波散射中心由船头到船身再变为船尾时，LA在雷达坐标系下投影的变化规律，分别找出LA在斜距、方位和俯仰上投影最小的几何位置；
B3.选取LA在斜距上投影最小的几何位置附近的数据点，分别计算雷达测距系统误差Δrn，n＝1,...,P，P为AIS数据的批次，再求均值
Figure BDA0002517165530000027
得到该雷达测距系统误差初值；
B4.选取LA在方位上投影最小的几何位置附近的数据点，分别计算得到每批AIS位置信息固定误差
Figure BDA0002517165530000031
M的取值满足
Figure BDA0002517165530000032
条件，tn,M由位置①附近的AIS实测数据的点数决定；
B5.综合每个船舶AIS播报的关于船长和船舶类型的静态信息，用船长乘以系数k近似估计目标回波中心变化范围LS,n；
B6.利用权利要求1的步骤，利用各批次的AIS数据，分别计算每个船舶的固定位置误差LA,n与散射中心时变范围LS,n给雷达测量带来的斜距差ΔRn、方位差
Figure BDA0002517165530000033
俯仰角差Δθn，n＝1,...,P；
B7.对所有批次AIS数据得到的斜距差ΔRn、方位差
Figure BDA0002517165530000034
俯仰角差Δθn分别求平均，得到该雷达的测距系统误差修正值为
Figure BDA0002517165530000035
测方位系统误差修正值为
Figure BDA0002517165530000036
和测俯仰角系统误差修正值为
Figure BDA0002517165530000037
从而实现对大型船舶目标时变雷达散射中心引入的雷达测量误差的联合修正。
与传统的直接利用船舶AIS位置信息作为目标真值开展机载雷达对海性能标校的经典方法相比，本发明利用AIS位置信息误差在斜距、方位、俯仰上的投影并不是同时达到最小的特性，基于AIS数据误差与雷达测量误差间的独立性，联合计算得到了仅利用AIS数据无法得到的AIS位置信息固定误差，联合修正了大型船舶目标AIS位置信息误差与目标时变雷达散射中心在斜距、方位和俯仰上给雷达测量带来的误差，消除了由于船舶目标回波中心变化带来的雷达测量误差，精确估计得到了AIS位置信息误差，修正后的标定精度满足高精度雷达性能验证需求，且利用同一批次目标不同航段和不同海域不同批次目标的AIS位置信息数据开展雷达性能测试标校得到的结果一致性很好。
附图说明
附图1是本发明的机载雷达对海探测示意图。
附图2是本发明的大型船舶目标运动模型与散射中心变化示意图。
附图3是本发明的AIS位置信息误差LA在机载雷达坐标系下投影的变化规律曲线。
附图4是本发明的机载雷达数据与AIS数据之差的理论曲线。
附图5是本发明的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合修正方法实施流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚完整地描述。由于对实施例的阐述是具体的，不能涵盖本发明的所有实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
附图1为本发明所述机载雷达对海探测示意图。某艘船舶从定位时刻到发射时刻的时延导致的AIS播报位置与实际位置间的固定位置误差为LA，飞机航向角为
Figure BDA0002517165530000041
船舶相对于机载雷达的斜距、方位和仰角分别是rp、
Figure BDA0002517165530000042
θp。
附图2为本发明所述大型船舶目标运动模型与散射中心变化示意图。由于大型船舶目标的尺寸太大，机载雷达在对海探测性能测试中，并不能建模为点目标进行处理。当船舶相对于雷达的视角不同时，雷达探测目标的回波中心也在发生改变。“船舶”表示目标船舶的当前位置，黑色圆点表示其回波中心，而黑色六角星表示船舶此时向外播报的位置。当船舶刚进入雷达的威力范围时，可以近似看作是径向航行，船舶的回波散射中心在船头；当船舶与机载雷达探测距离环相切时，回波散射中心在船舶的中部；当远离时目标的回波散射中心在船舶的尾部。假设船头朝向雷达的回波散射中心和船尾朝向雷达的回波散射中心的变化范围为LS，则回波中心相对于船头的距离可以表示为
Figure BDA0002517165530000043
α为船舶航行方向与雷达天线波束指向角间的夹角。
附图3是本发明所述AIS位置信息误差LA在机载雷达坐标系下投影的变化规律曲线。AIS位置信息误差在斜距上的投影为
Figure BDA0002517165530000044
在方位上的投影为
Figure BDA0002517165530000045
在俯仰上的投影为
Figure BDA0002517165530000046
LA为100m，飞机高度为10000m时，沿直线从距离船舶目标300Km处到穿越目标上空再远离目标，距离雷达最近时为10Km，得到AIS位置信息误差LA在雷达局部坐标系下的特征与变化规律曲线，可以看出当船舶在附图2的位置②时，LA在斜距上的投影最小，当船舶在位置①、③时，LA在方位上的投影达到最小，LA在俯仰角上的投影比在方位上的最大投影小了一个数量级，同样在位置②时投影最小。
附图4为本发明所述机载雷达测量数据与AIS位置信息数据差的理论曲线。在时间上对准后，对AIS位置信息误差及目标的雷达回波散射中心时变带来的误差进行联合计算。在附图2的位置①时，雷达回波散射中心和AIS定位接收天线所处位置重合，可以计算得到雷达斜距和AIS位置信息解算后的斜距差ΔR为：ΔR＝LAcosθpcosα，此时cosθp趋近于1，cosα趋近于-1，ΔR近似等于-LA；在位置②时，雷达回波散射中心在船舶中部，对应
Figure BDA0002517165530000051
此时α为90°，故ΔR为0；在位置③时，雷达回波散射中心在船舶尾部，对应ΔR＝(LA-LS)cosθpcosα，cosθp趋近于1，cosα趋近于1，ΔR近似等于LA-LS。因此，可以计算得到雷达与大型船舶间的相对空间位置关系从位置①变化到位置③的过程中，由AIS位置信息误差和船舶目标回波散射中心时变对雷达斜距测量带来的误差为
Figure BDA0002517165530000052
通过类似ΔR的计算过程，可以计算得到雷达与船舶间的相对空间位置关系从位置①变化到位置③的过程中，对雷达方位测量带来的误差为
Figure BDA0002517165530000053
对雷达俯仰角测量带来的误差为
Figure BDA0002517165530000054
图5为本发明所述大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合修正方法，具体实施方式包括以下步骤：
(1)选择雷达平台与大型船舶间相对位置关系包含有如附图2所示的位置①和位置②的AIS数据，假设有P个批次；
(2)利用步骤(1)所选择的AIS位置信息数据批次，分析在大型船舶航行的不同阶段，目标回波散射中心由船头到船身再变为船尾时，LA在雷达坐标系下投影的变化规律，分别找出LA在斜距、方位和俯仰上投影最小的几何位置；
(3)利用P个批次的AIS数据，分别计算雷达测距系统误差
Figure BDA0002517165530000055
式中n＝1,...,P表示AIS位置信息数据批次，J≤i≤K，rn,p,i、rn,a,i分别为第n批次目标的雷达斜距和对应目标AIS位置信息解算后得到的斜距，从第J个到第K个数据点在附图2所示的位置②附近选取，取值满足
Figure BDA0002517165530000056
N为船舶目标航行轨迹对应的所有AIS数据点数，tn,JK由位置②附近的AIS实测数据的点数决定，再求均值
Figure BDA0002517165530000057
得到该雷达测距系统误差初值；
(4)选取每批AIS位置信息数据位置①附近的数据点，分别计算得到每批AIS位置信息固定误差
Figure BDA0002517165530000061
M的取值满足
Figure BDA0002517165530000062
条件，tn,M由位置①附近的AIS实测数据的点数决定；
(5)根据每个船舶AIS播报的关于船长和船舶类型的静态信息，利用船长乘以系数k近似估计目标回波中心变化范围LS,n，通过多批实测数据验证表明，k取值在0.7～1之间；
(6)利用各批次的AIS数据，分别计算每个船舶的固定位置误差LA,n与散射中心时变范围LS,n给雷达测量带来的斜距差ΔRn、方位差
Figure BDA0002517165530000063
俯仰差Δθn；
(7)对所有批次AIS数据得到的斜距差ΔRn、方位差
Figure BDA0002517165530000064
俯仰差Δθn求平均，得到该雷达的测距系统误差修正值为
Figure BDA0002517165530000065
测方位系统误差修正值为
Figure BDA0002517165530000066
和测俯仰系统误差修正值为
Figure BDA0002517165530000067
从而实现对大型船舶目标时变雷达散射中心引入的雷达测量误差的联合修正。

Claims (6)

1.一种大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1.在雷达对海探测背景下，推导大型船舶的AIS系统从定位时刻到发射时刻间时延引入的位置误差LA投影到雷达坐标系下在斜距维、方位维和俯仰维的解析表达式，分别为
Figure FDA0002517165520000011
其中
Figure FDA0002517165520000012
为雷达所在平台的航向角，rp、
Figure FDA0002517165520000013
θp分别是大型船舶相对于雷达的斜距、方位角和俯仰角；
A2.推导得到大型船舶航行过程中，目标时变雷达散射中心相对于船头的距离为
Figure FDA0002517165520000014
其中LS为雷达散射中心的变化范围，α为船舶航行方向与雷达天线主波束指向角间的夹角；
A3.联合计算得到大型船舶目标AIS位置信息误差与目标雷达散射中心时变在斜距、方位和俯仰上给雷达测量带来的误差，分别为
Figure FDA0002517165520000015
Figure FDA0002517165520000016
2.如权利要求1所述的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算方法，所述步骤(1)的在雷达包括机载雷达、星载雷达和岸基对海雷达。
3.如权利要求1所述的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算方法，其特征在于，所述步骤(1)的大型船舶目标包括游轮、货轮和航母。
4.如权利要求1所述的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合计算方法，其特征在于，所述步骤(1)的AIS系统包括A级和B级AIS端机。
5.一种大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
B1.选择雷达平台与大型船舶间相对位置关系包括由远而近的运动过程所对应的AIS位置信息数据批次；
B2.利用步骤B1所选择的AIS位置信息数据，根据权利要求1步骤A1的结果，分析在大型船舶航行的不同阶段，目标回波散射中心由船头到船身再变为船尾时，LA在雷达坐标系下投影的变化规律，分别找出LA在斜距、方位和俯仰上投影最小的几何位置；
B3.选取LA在斜距上投影最小的几何位置附近的数据点，分别计算雷达测距系统误差Δrn，n＝1,...,P，P为AIS数据的批次，再求均值
Figure FDA0002517165520000021
得到该雷达测距系统误差初值；
B4.选取LA在方位上投影最小的几何位置附近的数据点，分别计算得到每批AIS位置信息固定误差
Figure FDA0002517165520000022
M的取值满足
Figure FDA0002517165520000023
条件，tn,M由位置①附近的AIS实测数据的点数决定；
B5.综合每个船舶AIS播报的关于船长和船舶类型的静态信息，用船长乘以系数k近似估计目标回波中心变化范围LS,n；
B6.利用权利要求1的步骤，利用各批次的AIS数据，分别计算每个船舶的固定位置误差LA,n与散射中心时变范围LS,n给雷达测量带来的斜距差ΔRn、方位差
Figure FDA0002517165520000024
俯仰角差Δθn，n＝1,...,P；
B7.对所有批次AIS数据得到的斜距差ΔRn、方位差
Figure FDA0002517165520000025
俯仰角差Δθn分别求平均，得到该雷达的测距系统误差修正值为
Figure FDA0002517165520000026
测方位系统误差修正值为
Figure FDA0002517165520000027
和测俯仰角系统误差修正值为
Figure FDA0002517165520000028
从而实现对大型船舶目标时变雷达散射中心引入的雷达测量误差的联合修正。
6.如权利要求5所述的大型船舶目标时变雷达散射中心测量误差联合修正方法，其特征在于，所述步骤B2中利用的是AIS位置信息误差在斜距、方位、俯角上的投影并不是同时达到最小的特性和AIS位置信息数据误差与雷达测量误差间的相对独立性。
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