利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法

專利名稱：利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法
技術領域：
本發明涉及一種雷達系統誤差估計方法，尤其涉及一種利用北斗一號終端進行雷 達系統誤差估計的方法，屬于雷達校準領域。
背景技術：
雷達的系統誤差是測量值(包括距離、方位角、高度角)出現的固定偏移，在相當 長的時間內保持相對固定，其產生的原因也多種多樣。估計雷達的系統誤差，并且在測量值 中對它進行補償，對提高雷達探測精度、改進多雷達數據融合的性能有重要作用。估計系統 誤差的過程叫做配準或校準(Registration)。二維平面觀測情況下的雷達系統誤差估計方法是以最大似然法為基礎，需要多次 迭代才能得到最終的估計值。而且該方法對三坐標雷達系統誤差的估計存在較大誤差，關 鍵的原因是它對目標位置進行了平面投影近似，當目標位置距離雷達較遠時，地球曲率的 影響就不能忽略了。對最大似然法可以做出各種改進，能提高系統誤差的估計精度，但是它 仍然存在對三坐標雷達的限制。在基于ECEF坐標系的雷達系統誤差校準方法中，假設有兩部分別具有不同系統 誤差的雷達，如果兩部雷達同時觀測到了公共目標，那么利用對公共目標觀測值在ECEF坐 標系中的差值，可以用最小二乘法得到各自的系統誤差。該方法收斂速度較慢，而且公共目 標的選取難以確定。當雷達間的時間異步時，它們相互進行系統誤差估計的方法需要做適當修正。該 方法以目標狀態外推作為基礎，給出了外推后的位置和協方差表示，從而給出了異步雷達 的系統誤差估計值。該方法進一步放松了誤差估計時對雷達工作條件的假設。這些估計算法都要求存在公共目標，而且對公共目標進行較長時間觀測，得到足 夠多數量的觀測樣點，保證計算能最終收斂。在無任何先驗知識的前提下，受單部雷達目標 跟蹤精確性、航跡相關算法的影響，在對系統誤差進行補償前，做出正確的航跡相關是不容 易的。不能準確地判定航跡相關，也就無法確定多部雷達的公共觀測目標。所以在實際應 用中，雷達的配準還在采用試飛校準的方法，從試飛計劃的制定到測試數據的分析，需要花 很多時間和人力，測試過程相當煩瑣。北斗衛星是我國自主研發的衛星導航定位系統，其中“北斗一號”系統有三顆地球 同步衛星，通過定位終端與中心站間的交互，實現局部范圍內的有源定位。經過改進，“北斗 一號”也可以實現被動方式定位。目前北斗已經發展到“北斗二號”，采用了與GPS相似的 機制，但是還沒有部署完成。“北斗一號”除了可以進行定位、授時外，還可以在北斗終端間 進行短消息的發送。“北斗一號”以協調世界時(UTC)表示系統時間，該時間的授時精度可 以達到20ns，其定位精度可以到20米，遠小于常用警戒雷達、搜索雷達等常用傳感器的測 量誤差，能滿足雷達系統誤差估計的需要。

發明內容
本發明針對背景技術中雷達系統誤差估計方法存在的缺陷，而提出一種充分利用 北斗一號終端的定位、授時和短消息通信能力進行雷達系統誤差估計的方法。本發明的利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，包括如下內容 (一)硬件設備組裝將北斗一號終端裝載于飛行器上，并設定飛行器的有效位置區間、最大飛行速度 和最大加速度；將地面配準設備與雷達的目標輸出接口和授時信號接口連接，地面配準設備同時 還連接北斗一號接收機；(二)信息處理1)、放飛飛行器，北斗一號終端通過北斗衛星系統的短消息空中接口，將飛行器當 前的實時位置信息發送至北斗一號接收機，北斗一號接收機將接收到的實時位置信息再發 送至地面配準設備；2)、雷達對飛行器下發的引導空域進行跟蹤，并將其掃描獲取的飛行器狀態數據 發送至地面配準設備；3)、地面配準設備同時接收以上兩種途徑獲得的飛行器數據信息，并根據設定的 飛行器最大飛行速度和最大加速度完成公共目標的選取，利用時間戳對匹配成功的公共目 標數據進行濾波，最后利用Kalman濾波器估計出雷達的系統誤差。本發明利用北斗一號終端的定位、授時和短消息通信能力，在雷達與已知飛行器 間建立目標位置信息的配對關系，從而計算出雷達的系統誤差。該方法不但保證了雷達系 統誤差估計的精確性，而且具有很強的實際可操作性，從根本上改變了現有算法存在的公 共目標選取困難、耗時耗力的問題。


圖1是本發明方法的原理示意圖。圖2是地面配準設備的結構示意圖。
具體實施例方式本發明實施包括兩部分內容1、多途徑公共目標位置信息獲取方法，由北斗一號 終端與飛行器組合的空中設備以及待校準雷達、北斗一號接收機與配準設備組合的地面設 備來實現，兩路目標位置信息同時提交給地面配準設備；2、基于Kalman濾波器的系統誤差 估計過程。該方法要求使用特殊的飛行器，可以方便地安裝北斗一號終端。以探空氣球為例， 可以在其吊艙中安裝北斗一號終端，其它的無人飛機、小型飛行器都可以使用。飛行器上的 北斗一號終端首先請求授時，以該時間作為時間戳，飛行器位置狀態描述的誤差可以忽略 不計，飛行器上的北斗一號終端定時發送定位申請，其定位結果打上時間戳后以短消息的 形式發送給地面配準設備。地面配準設備為實際進行配準計算的設備，其連接北斗一號接收機，以完成授時 和短消息接收功能。授時功能負責雷達本地時間的恢復，以協調世界時表示，作為輸出目標的時間戳基準；短消息接收功能完成飛行器位置信息的接收。待校準雷達也與地面配準設 備連接，地面配準設備能同時接收雷達探測的飛行器位置信息以及飛行器上北斗一號終端 下發的自定位位置信息，通過位置狀態過濾和時間戳匹配后，再運行后續的計算過程，從而 估算出雷達的系統誤差。從雷達的目標輸出接口上可以同時出現多個目標，必須從中選擇出飛行器對應的 目標數據。由于飛行器是探空氣球、無人飛機等慢速目標，可以利用空間位置、速度、加速度 等邏輯進行限制，方便準確地選撿出對應的目標數據。空間位置限制由飛行器下發的位置 信息充當，北斗一號終端起到了對數據選撿操作的引導作用；速度和加速度限制由飛行器 的先驗知識確定。通過選撿，完成了公共目標的選取過程，而且每個目標數據都帶有精確的 時間戳。北斗一號終端具有不同的服務等級，發送短消息和定位申請的時間頻度不同。該 算法對公共目標位置狀態信息的時間戳間隔沒有要求，可以適用于任何類型的北斗一號終 端。高等級的終端單位時間內請求次數較多，對系統誤差估計值的收斂時間有利。由于雷 達的系統誤差可以看作常量，在配準完成后可以保持很長時間不變，所以估計過程對北斗 系統的流量影響可以忽略。如圖1所示，本發明方法的實施過程如下(一 )硬件設備組裝將北斗一號終端裝載于飛行器上，北斗一號終端使用電池為工作電源，并設定飛 行器的有效位置區間、最大飛行速度和最大加速度；將地面配準設備與雷達的目標輸出接口和授時信號接口連接，地面配準設備同時 還連接北斗一號接收機，設備連接的接口可以為RS232接口或以太網接口等本地終端接口 ；( 二)信息處理1)、放飛飛行器，北斗一號終端通過北斗衛星系統的短消息空中接口，將飛行器當 前的實時位置信息發送至北斗一號接收機，北斗一號接收機將接收到的實時位置信息再發 送至地面配準設備；2)、雷達對飛行器下發的引導空域進行跟蹤，并將其掃描獲取的飛行器狀態數據 發送至地面配準設備；3)、地面配準設備同時接收以上兩種途徑獲得的飛行器數據信息，并根據設定的 飛行器最大飛行速度和最大加速度完成公共目標的選取，利用時間戳對匹配成功的公共目 標數據進行濾波，最后利用Kalman濾波器估計出雷達的系統誤差。由于雷達探測時存在隨機觀測誤差、系統誤差的影響，探測位置和飛行器下發位 置存在偏差，所以在這里定義，飛行器有效位置區間是以飛行器下發位置為球心的一個三 維球體，半徑用A表示。只要雷達的探測值落入球體內，就算通過了位置規則的選撿。Kalman濾波器的計算方法為1)、北斗一號終端發送的飛行器實時位置信息充當公共目標選撿時的引導信號；2)、假設北斗一號終端的定位結果沒有系統誤差，只存在隨機誤差；3)、對雷達極坐標形式的目標檢測值進行一階泰勒近似。本發明方法的估計運算原理如下虛擬雷達的定義當使用飛行器做協同配準時，飛行器使用北斗一號終端獲得自身的坐標位置，一般以大地坐標的形式表示。如果以啟動協同配準時刻飛行器的大地坐標 作為極坐標原點，其坐標軸指向與普通雷達的本地坐標系相同，則可以構成一個虛擬雷達 系統。后續的飛行器大地坐標都可以轉換到虛擬雷達坐標系中，形成極坐標形式的虛擬量 測。坐標的變換雷達提供的測量值是以雷達為坐標原點的極坐標值，表示為 其中r是距離；θ是相對于正北的方位角#是俯仰角；k是采樣的時刻；i是雷達 的編號。把極坐標的測量值轉換成以雷達為坐標原點的直角坐標系中的測量值，其公式如 下 設雷達ι是虛擬雷達，飛行器記錄的自身坐標較精確，可以認為是沒有系統誤差 而只有隨機誤差，該隨機誤差包括導航定位誤差和坐標轉換誤差，其量值很小；雷達2是待 校準雷達，其測量值包含了系統誤差和隨機誤差，該隨機誤差包括測量誤差和坐標轉換誤 差。以單個的隨機變量表示隨機誤差，則它們的量測形式如下rka = rta(k) + Arra(k)0ka = 6ta(k) + A 0ra(k)(jjka = (jjta(k) + A φ^ΟΟrkj2 = rtj2 (k) + Δ rr,2 (k) +rSj2 (k)(2)θ k,2= et,2(k) + A er,2(k)+es,2(k)
Φ k,2 = Φ t,2 (k) + Δ φ r,2 (k) + Φ s,2 (k)以下內容中，下標tr、s、r分別表示真實(true)值、系統誤差(system error)值 和隨機誤差(random error)值。把雷達的局部直角坐標系中的測量值轉換到ECEF直角坐 標系中，要通過坐標系旋轉和平移來完成，其轉換公式為
(3)
(4)其中T是坐標旋轉矩陣；λ、ψ分別表示雷達站的經度和緯度；上標為R的分量 表示雷達站在ECEF系中的坐標值，它可以用雷達站的經度、緯度和高度計算得到；上標為t下標為ecef的分量表示目標在ECEF系中的坐標值。虛擬雷達的經緯度是協同配準啟動時 刻飛行器的坐標位置，而待配準雷達的經緯度由其自身給出。公式(4)經過移項和旋轉，可以把目標的ECEF坐標值轉換到指定雷達R的局部直 角坐標系中，其轉換公式的通用形式可以寫成 其中下標為R的分量表示目標在指定雷達R的局部坐標系中坐標；上標為t下 標為ecef的分量表示目標在ECEF直角坐標系中坐標；上標為R的分量表示雷達R在ECEF 直角坐標系中坐標；TR是由指定雷達R的經緯度決定的旋轉矩陣。利用公式(4)、(5)，先把目標在雷達2中的局部直角坐標轉換為ECEF坐標，再把 ECEF坐標轉換為雷達1的局部直角坐標，則雷達2的測量值在虛擬雷達1的局部坐標系中 可以表示為 其中上標為Rl和R2的分量分別表示雷達站1和2的ECEF坐標值；下標為k，2 的分量表示在k時刻雷達2的局部直角坐標系測量值；下標為k，12的分量表示在k時刻雷 達2的測量值轉換到雷達1的局部直角坐標系后的坐標；Tki和Tk2分別表示雷達站1和2 的旋轉矩陣。設 則公式(6)表示為Xkl2 = MXk,2+P (8)Kalman測量方程的形成當雷達2的坐標值轉換到雷達1的坐標后，與虛擬雷達1探測值的差是AX(k) = Xytj-Xtjl2 = Xijl -MX"-P (9)
=Φι (ΤΚχ, , (Pk,x) - MO2 {rk2, 9k2，^2) — P不考慮任何誤差，也就是在真實值處，兩部雷達的測量誤差為零，則
= 0 (10)在真實值處對雷達1檢測到目標的局部直角坐標值進行一階泰勒展開，忽略高階 項的影響，并假設隨機誤差與目標坐標相差較大，則
Φι = φι (。, ，<Pir,i) + J^iAniil(11) Jka為Jacobi陣。同樣，在系統誤差、隨機誤差與目標坐標相差較大的假設下，雷 達2檢測目標的局部直角坐標值可以表示成
(13)其中Jk,2，八！^與叉，口 Anka形式相同，而為雷達2的系統誤差。把公式(10)、(11)、(13)帶入公式(9)則ΔΧΟΟ = -MJkj2A Jlkj^JkjlAnka-MJkj2Ankj2 (14) = -MJk, 2 Δ nkj2+[Jka, -MJk, 2] · [“u，Ankj2]T令Ckjs = -MJkj2Xks=Allk2Xk,r = [Anka, Ank,2]T Hk,s = [Jka, _MJk,2] (15)zk = Δ X (k)則系統誤差與測量誤差的量測方程可以表示為zk = Ck, sXk,s+Hk, Ar (16)顯然，Xu是高斯隨機變量，與雷達的隨機誤差有關，可以用經驗值作初始化，然后 在濾波迭代過程中修正。Hk,sXkj作為一個整體被看作測量誤差，它的協方差可以表示為Rk, s = Hk, SE [Xkj rXTk, J H1k, s = Hk, sRk, rHTk, s (17)其中，Rk,r是隨機誤差的協方差。Kalman系統方程的形成雷達的系統誤差在一定時間范圍內可以看做常量，所以狀態方程表示為Xk+1,s = Xk,s+ k,s (18)cok, s是零均值的高斯隨機變量，代表模型的估計誤差，其協方差Qk, s可以在線估 計，估計方法為 Kalman 遞推計算根據公式(16)和(18)，可以使用標準的Kalman方程迭代計算Δ nk,2D其過程是Xk, s (k I k-1) = Xk, s (k-1 I k-1)P (k I k-1) = P (k-11 k-1) +Qk, s 下面為本發明的一個實施例參照圖1，組裝空中設備及地面設備。開始進行系統誤差估計前，根據飛行器的性能，對飛行器進行設置，設置內容包 括1)、有效位置區間的三維球體半徑A設置為1000米；2)、根據飛行器的類型，設置適當的最大飛行速度和加速度；放飛飛行器，北斗一號終端同時開始工作，實現定位、授時和短消息通信功能；雷 達開機運行，對飛行器下發的引導空域進行跟蹤，輸出目標狀態數據。地面配準設備的原理結構如圖2所示，地面配準設備同時接收雷達的目標數據和 飛行器位置的短消息，根據設定的速度、加速度等邏輯限制完成公共目標的選取。利用時間 戳對匹配成功的公共目標數據進行濾波，開始進行系統誤差的估計，估計計算的主要步驟 如下1)、根據公共目標匹配成功的時刻，確定虛擬雷達的坐標原點和配準起始時間。根 據公式(7)計算M。2)、在每個采樣時刻，獲取飛行器在虛擬雷達和待配準雷達內的局部坐標。根據公 式(12)計算Jacobi陣；計算公式(15)描述的Kalman濾波器量測方程的各種系數。3)、按公式(20)進行Kalman迭代。4)、判斷Kalman濾波器的系統協方差收斂條件，輸出系統誤差估計值。5)、循環轉入步驟2)。
權利要求
一種利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，其特征在于包括如下內容(一)硬件設備組裝將北斗一號終端裝載于飛行器上，并設定飛行器的有效位置區間、最大飛行速度和最大加速度；將地面配準設備與雷達的目標輸出接口和授時信號接口連接，地面配準設備同時還連接北斗一號接收機；(二)信息處理1)、放飛飛行器，北斗一號終端通過北斗衛星系統的短消息空中接口，將飛行器當前的實時位置信息發送至北斗一號接收機，北斗一號接收機將接收到的實時位置信息再發送至地面配準設備；2)、雷達對飛行器下發的引導空域進行跟蹤，并將其掃描獲取的飛行器狀態數據發送至地面配準設備；3)、地面配準設備同時接收以上兩種途徑獲得的飛行器數據信息，并根據設定的飛行器最大飛行速度和最大加速度完成公共目標的選取，利用時間戳對匹配成功的公共目標數據進行濾波，最后利用Kalman濾波器估計出雷達的系統誤差。
2.根據權利要求1所述的利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，其特征在 于所述飛行器為探空氣球或無人飛機。
3.根據權利要求1所述的利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，其特征在 于所述飛行器的有效位置區間是以飛行器下發位置為球心的一個三維球體。
4.根據權利要求1所述的利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，其特征在 于所述地面配準設備與雷達和北斗一號接收機連接的接口為RS232接口或以太網接口。
5.根據權利要求1所述的利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，其特征在 于所述Kalman濾波器的計算方法為1)、北斗一號終端發送的飛行器實時位置信息充當公共目標選撿時的引導信號；2)、假設北斗一號終端的定位結果沒有系統誤差，只存在隨機誤差；3)、對雷達極坐標形式的目標檢測值進行一階泰勒近似。
全文摘要
本發明公開了一種利用北斗一號終端進行雷達系統誤差估計的方法，包括多途徑的公共目標位置信息采集和基于Kalman濾波器的系統誤差估計過程，屬于雷達校準領域。該方法是利用北斗一號終端獲取預定飛行器的空間位置坐標，通過北斗一號終端的短消息功能實時下發給北斗接收機，進而再發至地面配準設備，地面配準設備同時接收雷達探測到的飛行器位置信息和飛行器自定位位置信息，以時間戳為基礎，通過位置、速度、加速度等規則完成雷達輸出位置信息與飛行器下發位置信息的選撿，對匹配成對的位置信息計算位置差，作為Kalman濾波器的輸入，最終估計出雷達的系統誤差。該方法實施方便，估計出的系統誤差能滿足應用的需要。
文檔編號G01S7/40GK101839976SQ201010140950
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月7日 優先權日2010年4月7日
發明者任姝婕, 吳澤民, 張娟, 王海 申請人:中國人民解放軍理工大學