CN113281797B - 一种基于惯性导航的机动侦校雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于惯性导航的机动侦校雷达系统，采用惯性导航系统定位定向和姿态测量，静态标校多个坐标系并修正误差，将雷达对目标的直接观测量变换坐标，将弹道信息转换至大地坐标系，采用行进间定位定向方式，进入阵地直接竖起天线，完成系统定位定向；一体化、小型化设计，相对于分布式多传感器设计，具有高可靠性，省去传统炮位雷达调平时间，降低架设时间，使炮位雷达的机动性能有了提升，提高非调平状态下探测目标的精度，具有很好的工程应用能力，可推广至其他具有野战高机动需求的雷达系统。

Description

一种基于惯性导航的机动侦校雷达系统

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种雷达定位技术。

背景技术

在现代陆军战场中，快速反应是陆军武器装备发展的主要趋势，现代信息化作战对炮位侦校雷达提出了小型化、高机动、高集成、高精度、高可靠的实战化要求。炮位侦校雷达作为战场中的“火力发现者”，通过捕捉炮弹在空中飞行的轨迹，推测出敌军火炮位置，指导我方武器打击敌方火炮，同时结合炮弹的全弹道跟踪技术，与武器组成C-RAM要地防护系统，实现对炮弹和发射点的双重打击。传统炮位雷达进入阵地后，需进行液压调平1.5min，天线倒伏状态下完成定位定向3～5min，天线起竖1.5min，至少需要6min完成架设过程。

炮位侦校雷达作为野战雷达，没有固定站点和基础设施保障，定位定向信息主要由双标杆光学标校系统、双天线差分GPS定位定向系统、寻北仪和单GPS天线系统提供。双标杆光学标校系统是人工标定方式，所需时间较长；双天线差分GPS定位定向系统的天线基线长度受限，定向精度较差；寻北仪和单GPS天线系统采用GPS定位系统提供定位信息，再由单轴光纤陀螺寻北仪完成寻北。三种方式都采用伺服系统方位和俯仰编码器、静态水平仪提供阵面姿态信息，由于阵面姿态测量精度受限，均采用调平系统设计降低阵面横滚角引入的测量误差，且分布式采用多种传感器设备，使系统复杂度提升和可靠性降低。

惯性导航测量系统由陀螺测量载体相对惯性空间的角运动信息，由加速度计测量载体相对惯性空间的线运动信息，由卫星定位系统辅助测量载体地理位置和速度信息，在误差补偿后参与对准和导航计算。

初始对准阶段，在停车状态或行进间对准状态，采用基于惯性的粗对准算法，获得载体的初始姿态和航向；然后解算惯性导航，更新载体位置、速度、姿态和航向，与卫星定位系统信息融合，采用卡尔曼滤波方法精对准，得到载体的精确姿态和航向，获得载体坐标系与导航坐标系的转换关系；将角速度和加速度信息转换到导航系，依据惯性导航原理，推算位置和速度，使用姿态矩阵计算航向和姿态。

组合导航阶段，建立多信息融合框架，实现GNSS/INS/载体约束信息的柔性组合；分系统利用陀螺和加速度计测量信息，捷联惯性导航，更新载体姿态、速度和位置；GNSS系统卫星导航定位和测速计算，利用卡尔曼滤波方法对两种信息最优融合，估计出系统导航误差并修正，给出载体准确航向、姿态信息；遵循各信息有效位判定、故障检测测、序贯量测更新的步骤，当信息准确可靠时，进行该信息的有效融合，从而保证高容错性；实时解算载体姿态、航向、位置等信息，通过通讯端口与外部进行信息交互。

当GNSS信息可用时，GNSS/INS测量分系统主要采用激光捷联惯导和GNSS信息最优融合方式实现组合导航，为载体提供高频、长时间、稳定的动态航向、姿态信息。绝对位置信息和对地速度信息主要依赖于高精度GNSS，同时在组合导航中通过卡尔曼滤波，进一步减小两者的输出噪声，并校正部分误差后实现更高精度的定位和测速。

在恶劣环境下，若GNSS信息不可用，系统仍可依靠高精度激光陀螺长时间保持动态航向姿态，绝对位置误差和速度误差会随着时间的增加而逐步増大，但是依赖载体约束信息和零速修正等措施，仍然可以保证数小时百余米水平误差的定位精度，速度误差也可以得到充分抑制。

发明内容

本发明为了解决现有技术采用调平系统和多传感器的调平和自主定位定向导致架设时间长的问题，结合光纤陀螺仪的惯性导航系统，提出了一种基于惯性导航的机动侦校雷达系统，减少架设时间，保持测量精度，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

选取器件并安装：将惯性导航系统安装于GPS天线的同一个平面，与天线阵面刚性连接，用于定位定向和姿态测量；惯性导航系统采用三轴激光陀螺和石英挠性加速度计作为惯性仪表，集成卫星定位系统。

静态标校并修正误差：定义天线阵面坐标系、惯性导航测量坐标系、载车刚体坐标系、GPS天线在载车刚体坐标系、载车测量坐标系，计算天线阵面坐标系与惯性导航测量坐标系之间的安装角误差、天线阵面坐标系与电磁辐射电轴坐标系之间的机电轴误差；定义天线阵面电轴中心的极坐标系，将雷达对目标的直接观测量修正为机械轴极坐标系的观测量。

进一步的，采用右手螺旋法则，定义天线阵面坐标系(x_array,y_array,z_array)，天线阵面孔径中心为坐标原点，x_array垂直于阵面、电磁波辐射方向为正，y_array阵面长边、车头为正，z_array阵面短边、车左为正；定义惯性导航测量坐标系(x_INS,y_INS,z_INS)，安装平面几何中心为坐标原点，x_INS航向轴感应方向、与x_array同向，y_INS纵倾角感应方向、与y_array同向，z_INS横滚角感应方向、与z_array同向；定义载车刚体坐标系(x_车,y_车,z_车)，天线阵面回转中心为坐标原点，GPS天线在载车刚体坐标系(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，x_车中轴线方向、车头为正，y_车垂直中轴线方向、车左为正，z_车垂直车平面方向、向上为正；定义载车测量坐标系(x_测,y_测,z_测)，天线阵面回转中心为坐标原点，该坐标系为北天东坐标系。

进一步的，定义天线阵面坐标系的x_array、y_array、z_array与惯性导航测量坐标系的x_INS、y_INS、z_INS之间的误差分别为△α_安、△β_安、△γ_安；选取数组不同的阵面姿态，分别记录惯性导航测量姿态信息(α_i，β_i，γ_i)和阵面姿态标定值(α_i0，β_i0，γ_i0)，计算安装角误差

进一步的，定义天线阵面坐标系与电磁辐射电轴坐标系的方位角误差△A_机电和俯仰角误差△E_机电、天线阵面坐标系的方位角和俯仰角(A,E)；设置远场喇叭辐射信号，由波束扫描方向图零深得到电轴对准喇叭时的天线阵面位置，定义波束扫描方向图零深所在角度(A′,E′)；连线喇叭辐射中心与天线阵面孔径中心，计算机电轴误差

△A_机电＝A-A′,△E_机电＝E-E′。

进一步的，定义雷达对目标的直接观测量为斜距R、方位角A、俯仰角E，该坐标系为天线阵面电轴中心的极坐标系，经

修正为机械轴极坐标系。

变换坐标并测量弹道：将机械轴极坐标系变换至机械直角坐标系，将机械直角坐标系变换至阵面中心北天东坐标系，将目标位置从阵面中心北天东坐标系平移至载车北天东坐标系，获得雷达测量系的目标在载车测量坐标系的位置，将弹道信息转换至大地坐标系。

进一步的，将机械轴极坐标系经

变换至机械直角坐标系，经

变换至阵面中心北天东坐标系，得到惯性导航姿态测量值(α′，β′，γ′)，其中α为航向角、北偏东为正，β为纵倾角、与水平面夹角向上为正，γ为横滚角、沿辐射方向左低右高为正。

进一步的，定义天线倒伏时阵面电孔径机械中心在载车刚体坐标系的位置(x′₀,y′₀,z′₀)、系统工作时的阵面姿态(α′，β′，γ′)、方位码盘值θ在载车坐标系的电孔径中心坐标

将阵面中心平移至载车中心，经

得到目标在载车北天东坐标系的位置。

架设雷达系统定位：采用行进间定位定向方式，进入阵地直接竖起天线，将修正的惯性导航姿态测量值和GPS定位值转换至载车阵面回转中心，确定雷达测量系统位置，完成系统定位定向。

进一步的，修正的惯性导航阵面姿态测量值(α′，β′，γ′)，GPS定位值是GPS天线所在位置(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，经

将GPS天线在载车刚体坐标系的位置转换至载车测量坐标系，计算载车阵面回转中心定位值

本发明的有益效果：采用惯性导航和卫星定位系统一体化、小型化设计，实现雷达系统的定位定向和姿态测量能力，相对于分布式多传感器设计，具有高可靠性；基于惯性导航和卫星定位系统，采用行进间定位定向方法，可直接竖起天线开始工作，省去传统炮位雷达进入阵地调平后进行定位定向的时间，大大降低架设时间；将惯性导航系统的行进间定位定向技术引入炮位雷达中，告别了传统的固定点位静止状态的定位定向方法，使炮位雷达的机动性能有了飞跃的提升；基于惯性导航系统的非调平状态下，利用INS提供的阵面姿态测量信息，提高非调平状态下探测目标的精度；炮位雷达开展高机动性能优化设计，使用实测数据完成性能验证，具有很好的工程应用能力，可推广至其他具有野战高机动需求的雷达系统。

附图说明

图1是惯性导航系统工作原理图，图2是天线安装示意图，图3是传统炮位雷达与本发明架设流程对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。

基于某型车载炮位雷达，根据炮弹定位及测量精度要求，惯性导航系统采用三轴激光陀螺和石英挠性加速度计作为惯性仪表，如图1所示，集成卫星定位系统，依据行进间定位定向技术要求，GPS天线、惯性导航系统都与天线阵面刚性安装。

若不用惯性导航行进间提供姿态测量信息，则只需保证运输状态下GPS天线与惯性导航系统相对位置关系不变，GPS可安装至载车其他刚性较强部位，如图2所示，测量GPS天线中心在载车刚体坐标系下的位置(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，记录天线阵面电孔径机械中心在载车刚体坐标系下的位置(x′₀,y′₀,z′₀)。

标定惯性导航的安装角误差，测量多组数据，得到航向角、纵倾角、横滚角的误差，修正惯性导航姿态测量值，标校天线阵面电轴与机械轴之间的误差，修正天线阵面测量值。

测量弹道时，将天线阵面极坐标系下的目标测量值(R，A，E)，经坐标变换至载车测量坐标系北天东(x″，y″，z″)。

利用行进间定位定向技术，在行车进阵地过程中，即利用惯性导航及GPS完成定位定向，架设时只需设备加电和天线举升，定位时将GPS信息(X_GPS,Y_GPS,Z_GPS)经坐标变换至载车回转中心坐标(X_车，Y_车，Z_车)，作为雷达定位信息及弹道外推测量原点。

验证定位精度及机动性能，对比常规架设流程与本发明架设流程时间，对同一组射击试验，对比常规弹道测量方法下调平状态与非调平状态，以及非调平状态下本发明弹道目标计算方法得到的定位精度，如图3所示，对比结果见下表。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，包括：

选取器件并安装：将惯性导航系统安装于GPS天线的同一个平面，与天线阵面刚性连接，用于定位定向和姿态测量；惯性导航系统采用三轴激光陀螺和石英挠性加速度计作为惯性仪表，集成卫星定位系统；

静态标校并修正误差：定义天线阵面坐标系、惯性导航测量坐标系、载车刚体坐标系、GPS天线在载车刚体坐标系、载车测量坐标系，计算天线阵面坐标系与惯性导航测量坐标系之间的安装角误差、天线阵面坐标系与电磁辐射电轴坐标系之间的机电轴误差；定义天线阵面电轴中心的极坐标系，将雷达对目标的直接观测量修正为机械轴极坐标系的观测量；

变换坐标并测量弹道：将机械轴极坐标系变换至机械直角坐标系，将机械直角坐标系变换至阵面中心北天东坐标系，将目标位置从阵面中心北天东坐标系平移至载车北天东坐标系，获得雷达测量系的目标在载车测量坐标系的位置，将弹道信息转换至大地坐标系；

架设雷达系统定位：采用行进间定位定向方式，进入阵地直接竖起天线，将修正的惯性导航姿态测量值和GPS定位值转换至载车阵面回转中心，确定雷达测量系统位置，完成系统定位定向。

2.根据权利要求1所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述静态标校，包括：采用右手螺旋法则，定义天线阵面坐标系(x_array,y_array,z_array)，天线阵面孔径中心为坐标原点，x_array垂直于阵面、电磁波辐射方向为正，y_array阵面长边、车头为正，z_array阵面短边、车左为正；定义惯性导航测量坐标系(x_INS,y_INS,z_INS)，安装平面几何中心为坐标原点，x_INS航向轴感应方向、与x_array同向，y_INS纵倾角感应方向、与y_array同向，z_INS横滚角感应方向、与z_array同向；定义载车刚体坐标系(x_车,y_车,z_车)，天线阵面回转中心为坐标原点，GPS天线在载车刚体坐标系(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，x_车中轴线方向、车头为正，y_车垂直中轴线方向、车左为正，z_车垂直车平面方向、向上为正；定义载车测量坐标系(x_测,y_测,z_测)，天线阵面回转中心为坐标原点，该坐标系为北天东坐标系。

3.根据权利要求1所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述修正误差，包括：定义天线阵面坐标系的x_array、y_array、z_array与惯性导航测量坐标系的x_INS、y_INS、z_INS之间的误差分别为△α_安、△β_安、△γ_安；选取数组不同的阵面姿态，分别记录惯性导航测量姿态信息(α_i，β_i，γ_i)和阵面姿态标定值(α_i0，β_i0，γ_i0)，计算安装角误差

4.根据权利要求3所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述修正误差，还包括：定义天线阵面坐标系与电磁辐射电轴坐标系的方位角误差△A_机电和俯仰角误差△E_机电、天线阵面坐标系的方位角和俯仰角(A,E)；设置远场喇叭辐射信号，由波束扫描方向图零深得到电轴对准喇叭时的天线阵面位置，定义波束扫描方向图零深所在角度(A′,E′)；连线喇叭辐射中心与天线阵面孔径中心，计算机电轴误差△A_机电＝A-A′,△E_机电＝E-E′。

5.根据权利要求4所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述修正误差，还包括：定义雷达对目标的直接观测量为斜距R、方位角A、俯仰角E，该坐标系为天线阵面电轴中心的极坐标系，经

修正为机械轴极坐标系。

6.根据权利要求5所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述变换坐标，包括：将机械轴极坐标系变换至机械直角坐标系

再变换至阵面中心北天东坐标系

得到惯性导航姿态测量值(α′，β′，γ′)，其中α为航向角、北偏东为正，β为纵倾角、与水平面夹角向上为正，γ为横滚角、沿辐射方向左低右高为正。

7.根据权利要求6所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述测量弹道，包括：定义天线倒伏时阵面电孔径机械中心在载车刚体坐标系的位置(x′₀,y′₀,z′₀)、系统工作时的阵面姿态(α′，β′，γ′)、方位码盘值θ在载车坐标系的电孔径中心坐标

将阵面中心平移至载车中心，得到目标在载车北天东坐标系的位置

8.根据权利要求7所述的基于惯性导航的机动侦校雷达系统，其特征在于，所述系统定位，包括：根据修正的惯性导航阵面姿态测量值(α′，β′，γ′)、GPS天线所在位置的定位值(x_GPS,y_GPS,z_GPS)，将GPS天线在载车刚体坐标系的位置转换至载车测量坐标系

计算载车阵面回转中心定位值

Images