基于標校衛星同時開展雷達rcs標定與外測標定系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統，本發明將改變現有雷達分別選擇RCS標校衛星與外測標校衛星進行RCS標定與外測標定的工作模式，基于多功能標校衛星的技術特點，雷達可同時進行RCS標定與外測標定，將現有雷達標校工作的效益將提高一倍，雷達標校過程中產生的經濟消耗與人力保障需求將降低一倍。
【專利說明】
基于標校衛星同時開展雷達RGS標定與外測標定系統
技術領域
[0001] 本發明雷達測量技術領域，特別涉及RCS標定與系統誤差標定技術，是一種基于標 校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統。
【背景技術】
[0002] 地面大功率反射式脈沖雷達是目標探測、態勢感知等領域的重要骨干設備，具有 距離遠、全天候的優點。反射式脈沖雷達可獲取的信息包括目標相對雷達的距離(R)、角度 (方位、俯仰)等外測位置信息以及RCS(雷達散射截面）目標散射特性信息。
[0003] RCS表征了目標對雷達照射電磁波的散射能力，目標RCS測量，是利用雷達方程對 雷達接收機回波功率進行換算的過程，通常分為絕對標定法和相對標定法。絕對標定法對 雷達各參數直接測量，然后按雷達方程算出目標RCS值，這種方法誤差較大;相對標定法是 通過對精確RCS基準目標的標定，通過建立起待測目標回波功率與基準目標回波功率間的 關系，以基準目標RCS為基準，推算被測目標RCS。目前，RCS標定普遍采用相對標定法。
[0004] 受機械加工、電氣設計、信道噪聲等因素影響，雷達獲取的距離、角度等外測信息 中，包括大量系統性誤差，如不加以扣除，將會降低測量數據精度，影響數據的后續使用效 果，必須通過外測標定加以扣除。系統性誤差是各誤差項的線性組合，其數學表達式即為系 統誤差模型。外測標定的過程是，通過對已知精確位置基準目標的測量，建立起系統誤差模 型，利用建立的系統誤差模型，修正雷達測量數據。
[0005] 利用天基標校衛星進行雷達RCS標定與外測標定是目前最先進的技術手段，具有 標校精度高、經濟效益好、組織實施靈活等多種優點。在2011年12月出版的《空軍裝備研究》 第5卷第6期第11頁至13頁中，公開了目前世界上現有RCS標校衛星的設計方法，即利用具有 規則幾何形狀的空心金屬球（絕大多數為圓形），作為精確的RCS定標體。最為代表的為 Lincon Calibration Sphere(林肯標校球衛星），衛星為一個厚約3.2mm、直徑1.12m的空心 鋁球，其光學反射截面為抓2 = lm2，這種設計方法的缺點是衛星僅能提供高精度目標特性 基準用于RCS標定，而不能用于外測標定。在同文中，公開了現有外測標校衛星的設計方法， 即在衛星平臺上加裝GPS接收機或激光角反射器，提供高精度位置基準，用于雷達外測標 校。如RADCAL衛星，衛星上攜帶1臺GPS接收機，Larets標校衛星，衛星上加裝有激光角反射 器，這種設計方法的缺點是衛星僅能提供高精度位置基準用于外測標定，而不能用于RCS標 定。
[0006] 基于現有標校衛星的設計方法與所提供的服務，地面雷達進行標定時，需分別選 擇RCS標校衛星與外測標校衛星，分時進行RCS標定與外測標定工作，不僅地面雷達標校工 作效率低，而且若外測標定與RCS標定間隔時間過長，由于雷達狀態的變化，將影響標校結 果的有效性。
【發明內容】
[0007] 本發明所要解決的技術問題是，提出基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測 標定系統，通過設計一種多功能標校衛星，同時提供高精度目標特性基準與位置基準，使地 面雷達同時開展RCS標定與外測標定工作，提高地面雷達的標校效率與標校效果。
[0008]基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統，其特征在于：
[0009]建立標校衛星，所述的標校衛星由微小衛星平臺、有效載荷組成;其中微小衛星平 臺內部安裝有GNSS接收機、動量輪、磁力矩器、星載計算機、蓄電池、測控應答機、溫度傳感 器；
[0010] 其中的微小衛星平臺對地面的一面挖孔安裝龍伯球，負責提供精確目標特性基 準，其余表面貼有太陽能電池，負責為蓄電池充電；
[0011] GNSS接收機與GNSS接收天線配合，接收GNSS系統導航電文，并通過測控系統下傳， 負責提供高精度位置基準；
[0012] 動量輪與磁力矩器配合，負責完成衛星姿態調整；
[0013] 測控應答機負責下傳 GNSS接收機測量數據、衛星工程參數，接收上行控制指令； [0014]星載計算機負責星務管理、測控應答、姿軌控制計算、存儲、管理任務；
[0015] 蓄電池負責在地球陰影區內為平臺及GNSS接收機供電。
[0016] 其中的微小衛星平臺采用立方體、圓柱體或多邊形體。
[0017] 其中的微小衛星平臺對天的一面安裝有GNSS接收機天線、磁強計、對天測控天線， 平臺表面與龍伯球連接處安裝對地測控天線，平臺四個表面及對天面安裝有太陽感敏器。
[0018] 基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統的標定方法，其特征在于，具 體包括以下步驟：
[0019] 步驟一、RCS標定：
[0020] RCS的測量基礎是雷達方程
[0022]式中：
[0023] Pr-雷達接收機所檢測的功率
[0024] Pt-發射機功率
[0025] Gt-天線發射增益
[0026] Gr-天線接收增益
[0027] λ-雷達探測信號波長
[0028] σ-在雷達工作頻率上的目標后向散射面積RCS
[0029] R-雷達到目標的距離
[0030] La-雙程大氣耗損
[0031] Lr 一接收通道耗損
[0032] Lt 一發射通道耗損
[0033]雷達檢測到的中頻功率Ps。與接收機輸入端接收功率Pr的關系為：
[0035]其中At為接收機數控衰減量，Am為接收機增益，得到雷達方程：
[0037]其中方括號中的各項與所探測的目標無關，是雷達的技術參數，在一次測量過程 中認為是常數，將方括號里的表達式記作
[0039]相對標定法在測量目標RCS前，先對確定已知精確RCS值為〇〇的基準目標進行測 量，計算出Κ值，利用Κ值計算跟蹤目標的〇1
[0041 ] Κ值計算過程如下：
[0043]其中，下標i或上標i表示第i次采樣中的具體值；
[0044] 由于龍伯球受加工影響，隨雷達觀測角度的變化，<將會有細微變化，事前需 在地面對龍伯球不同姿態的RCS值進行精確測量，計算時查表代入相應的值；
[0045] 穹、峰:為采樣時天線接、發增益，與天線方向圖有關，計算時根據雷達天線方向 圖以及采樣時天線的動態滯后量查表代入相應的值；
[0046] 茗:為采樣時標校星與雷達的距離，直接代入雷達測量值；
[0047] 4 :與劣相關，利用考進行修正；
[0048] 4、療、4、直接由雷達測量數據獲取；
[0049]得到每次采樣的Κ1值后，進行算術平均得到Κ值
[00511步驟二、外測標定：
[0052] 首先根據雷達測量誤差建立誤差模型如下：
[0053] Δ Ri= Δ R〇+RicscEi
[0056]其中，AR〇、ΛΑ〇、ΛΕ〇分別為距離、方位和俯仰零值，Ei，Ai為雷達每次測量時所獲 取的俯仰角、方位角，Ri、e5分別為距離和俯仰角的電波折射修正殘系數，&1、^、&2、 62分別 為大盤不水平系數，a3為方位軸、俯仰軸不正交系數，a4為電軸機械軸不平行度數，a5、a6分 別為方位編碼器非線性系數，e3為俯仰編碼器非線性系數，e4為重力下垂變形誤差系數，G 為常數；△ Ua，△仏分別為方位和俯仰的誤差電壓，Ca，Cj別為方位和俯仰支路角定向靈敏 度系數；
[0057] 采用最小二乘的高斯估計計算對誤差系數進行求解，定義誤差系數構成狀態矢量 η,初始值設為n〇;
[0058] 建立觀測方程K = (?) + &，f = U,,川
[0059] 其中，Yi為ti時的實際觀測量，(Un)為由初始狀態量％出發并根據衛星星歷算 得的t時刻的觀測真值，￡l為隨機噪聲，采用最小二乘法通過觀測值和真值來估計初始狀態 η〇的最佳估計％ _，最佳判據取為觀測殘差的均方和最小；
[0060] 定義下列矢量 「00611
[0062] 則上式化為 Γ = 0(7〇，巧）+ C (11)
[0063] 使觀測殘差均方和最小，即使得ρ = y S = [κ -()(%，/)]' [r - 為最小，假定 η0為成.的最佳估計，貝1J
[0064]
[0065] 上式是具有η個未知量的η個非線性函數，采用迭代法進行計算，改進過程線性化 后構成一個線性系統
[0067] 滿足最小二乘估值的條件成為= 0
[0068] 建立誤差計算模型為:ru=(HjHd^tTDu
[0069] 式中，下標ξ代表距離、方位角、俯仰角，Η為根據誤差模型建立的矩陣，D為雷達測 量值與衛星精軌值的差，η為誤差系數矩陣。
[0070] 本發明的有益效果：本發明相比于現有單一功能的RCS標校衛星、外測標校衛星， 提出了一種可同時提供高精度RCS基準、位置基準信息的多功能標校衛星設計方案。基于多 功能標校衛星，提出了同時進行RCS標定與外測標定的數據處理方法。本發明將改變現有雷 達分別選擇RCS標校衛星與外測標校衛星進行RCS標定與外測標定的工作模式，基于多功能 標校衛星的技術特點，雷達可同時進行RCS標定與外測標定，將現有雷達標校工作的效益將 提高一倍，雷達標校過程中產生的經濟消耗與人力保障需求將降低一倍。
【附圖說明】
[0071] 圖1為本發明實施例中標校衛星實例示意圖。
【具體實施方式】
[0072] 下面結合附圖對本發明的優選實施方式做詳細說明。
[0073]多功能標校衛星由微小衛星平臺、有效載荷組成，微小衛星平臺可采用立方體、圓 柱體、多邊形體等多種形式，下面以立方體為例，如圖1所示，說明多功能標校衛星的設計 方法，。
[0074] 平臺對地面面挖孔安裝龍伯球，負責提供精確目標特性基準。平臺除對地面外，其 余表面貼有太陽能電池，負責為蓄電池充電。平臺對天面安裝有GNSS接收機天線、磁強計、 對天測控天線。平臺表面與龍伯球連接處安裝對地測控天線。平臺四個表面及對天面安裝 有太陽感敏器。
[0075] 平臺內部安裝有GNSS接收機、動量輪、磁力矩器、星載計算機、蓄電池、測控應答 機、溫度傳感器。GNSS接收機與GNSS接收天線配合，接收GNSS系統導航電文，并通過測控系 統下傳，負責提供高精度位置基準;磁強計與太陽敏感器相互配合，完成衛星姿態測量;動 量輪與磁力矩器配合，負責完成衛星姿態調整;測控應答機負責下傳 GNSS接收機測量數據、 衛星工程參數，接收上行控制指令;星載計算機負責星務管理、測控應答、姿軌控制等計算、 存儲、管理等任務;蓄電池負責在地球陰影區內為平臺及GNSS接收機供電。
[0076]本發明的基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定的方法，具體包括以下 步驟：
[0077] 步驟一、RCS標定：
[0078] RCS的測量基礎是雷達方程
[0080]式中：
[00811 Pr-雷達接收機所檢測的功率 [0082] Pt-發射機功率 [0083] Gt-天線發射增益 [0084] Gr-天線接收增益
[0085] λ-雷達探測信號波長
[0086] σ-在雷達工作頻率上的目標后向散射面積RCS [0087] R-雷達到目標的距離
[0088] La-雙程大氣耗損
[0089] Lr-接收通道耗損
[0090] Lt 一發射通道耗損
[0091 ]雷達檢測到的中頻功率Ps。與接收機輸入端接收功率Pr的關系為：
[0093]其中At為接收機數控衰減量，Am為接收機增益，得到雷達方程：
[0095]其中方括號中的各項與所探測的目標無關，是雷達的技術參數，在一次測量過程 中認為是常數，將方括號里的表達式記作
[0097]相對標定法在測量目標RCS前，先對確定已知精確RCS值為〇〇的基準目標進行測 量，計算出Κ值，利用Κ值計算跟蹤目標的〇1
[0101] 其中，下標i或上標i表示第i次采樣中的具體值；
[0102] 由于龍伯球受加工影響，隨雷達觀測角度的變化，<將會有細微變化，事前需 在地面對龍伯球不同姿態的RCS值進行精確測量，計算時查表代入相應的值；
[0103] 唸、為采樣時天線接、發增益，與天線方向圖有關，計算時根據雷達天線方 向圖以及采樣時天線的動態滯后量查表代入相應的值；
[0104] 為采樣時標校星與雷達的距離，直接代入雷達測量值；
[0105] I；:與i?丨相關，利用i?丨進行修正；
[0106] 〇 C、4:直接由雷達測量數據獲取；
[0107] 得到每次采樣的K1值后，進行算術平均得到K值
[0109] 步驟二、外測標定
[0110] 系統誤差模型
[0111] 1)距離系統誤差項主要包括距離零值和大氣折射誤差兩部分。
[0112] 2)角度系統誤差項主要包括零值誤差、電軸與俯仰軸不正交引起的誤差、俯仰軸 與方位軸不正交起的誤差、角編碼盤偏心誤差修正、天線重力下垂誤差、動態滯后跟蹤誤 差、大氣折射誤差等。
[0113] 根據以上所述的雷達測量誤差的主要來源，可以建立以下誤差模型：
[0114] Δ Ri= Δ R〇+RicscEi
[0117] 其中，AR〇、ΔΑ〇、ΔΕ〇分別為距離、方位和俯仰零值，Ei，Ai為雷達每次測量時所獲 取的俯仰角、方位角，Ri、e5分別為距離和俯仰角的電波折射修正殘系數， &1、61、&2、以分別 為大盤不水平系數，a3為方位軸、俯仰軸不正交系數，a4為電軸機械軸不平行度數，a5、a6 分別為方位編碼器非線性系數，e3為俯仰編碼器非線性系數，e4為重力下垂變形誤差系數， G為常數；AUa，分別為方位和俯仰的誤差電壓，Ca，Ce分別為方位和俯仰支路角定向靈 敏度系數；
[0118] 利用精密星歷求解設備的測量元素
[0119] 1)根據已知等間隔的地固坐標系中的位置和速度矢量，用切比雪夫插值方法得到 測量時刻的位置。
[0120] 2)求解測量的計算值測距R、方位A、俯仰E。
[0121] 3)誤差模型中誤差系數的求解
[0122] 誤差系數求解可以采用最小二乘的高斯估計計算，定義誤差系數構成狀態矢量II， 初始值設為％。
[0123] 建立下述觀測方程
[0124] =G (/;,,,r,) + 6',/ -
[0125] 其中，YiSti時的實際觀測量，為由初始狀態量no出發并根據衛星星歷算 得的時刻的觀測真值，ε1為隨機噪聲。采用最小二乘法就是通過一系列的觀測值和真值來 估計初始狀態η〇的最佳估計4,最佳判據取為觀測殘差的均方和最小。
[0126] 定義下列矢量
[0127]
[0128] 貝丨j上式化為y=(5(K)+" （11)
[0129] 使觀測殘差均方和最小，即使得0 =4F- ?Ο/,,,Ο??Γ- )]為最小，假定％ 為仏的最佳估計，則
[0131]上式是具有η個未知量的η個非線性函數，采用迭代法進行計算，所以需要改進過 程線性化后構成一個線性系統
[0133] 滿足最小二乘估值的條件成為-2(D_Bx)TB = 0,解得11=(11?)?
[0134] 即可建立誤差計算模型為:ru = (?? Γ1^%。
[0135] 式中，下標ξ代表距離、方位角、俯仰角，Η為根據誤差模型建立的矩陣，D為雷達測 量值與衛星精軌值的差，η為誤差系數矩陣。
【主權項】
1. 基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統，其特征在于： 建立標校衛星，所述的標校衛星由微小衛星平臺、有效載荷組成;其中微小衛星平臺內 部安裝有GNSS接收機、動量輪、磁力矩器、星載計算機、蓄電池、測控應答機、溫度傳感器； 其中的微小衛星平臺對地面的一面挖孔安裝龍伯球，負責提供精確目標特性基準，其 余表面貼有太陽能電池，負責為蓄電池充電； GNSS接收機與GNSS接收天線配合，接收GNSS系統導航電文，并通過測控系統下傳，負責 提供高精度位置基準； 動量輪與磁力矩器配合，負責完成衛星姿態調整； 測控應答機負責下傳 GNSS接收機測量數據、衛星工程參數，接收上行控制指令； 星載計算機負責星務管理、測控應答、姿軌控制計算、存儲、管理任務； 蓄電池負責在地球陰影區內為平臺及GNSS接收機供電。2. 如權利要求1所述的基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統，其特征在 于，其中的微小衛星平臺采用立方體、圓柱體或多邊形體。3. 如權利要求2所述的基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統，其特征在 于，其中的微小衛星平臺對天的一面安裝有GNSS接收機天線、磁強計、對天測控天線，平臺 表面與龍伯球連接處安裝對地測控天線，平臺四個表面及對天面安裝有太陽感敏器。4. 如權利要求1所述的基于標校衛星同時開展雷達RCS標定與外測標定系統的標定方 法，其特征在于，具體包括W下步驟： 步驟一、RCS標定： RCS的測量基礎是雷達方程(1) 式中： Pr -雷達接收機所檢測的功率 Pt-發射機功率 Gt-天線發射增益 Gr 一天線接收增値 λ-雷達探測信號波長 0-在雷達工作頻率上的目標后向散射面積RCS R-雷達到目標的距離 La-雙程大氣耗損 接收通道耗損 發射通道耗損 雷達檢測到的中頻功率Ps。與接收機輸入端接收功率Pr的關系為：掛 其中At為接收機數控衰減量，Am為接收機增益，得到雷達方程：餅 其中方括號中的各項與所探測的目標無關，是雷達的技術參數，在一次測量過程中認 為是常數，將方括號里的表達式記作則 (4) Ir I LV1 相對標定法在測量目標RCS前，先對確定已知精確RCS值為σ〇的基準目標進行測量，計算 出Κ值，利用Κ值計算跟蹤目標的曰1其中，下標i或上標i表示第i次采樣中的具體值； 由于龍伯球受加工影響，隨雷達觀測角度的變化，<將會有細微變化，事前需在地 面對龍伯球不同姿態的RCS值進行精確測量，計算時查表代入相應的值； 巧、巧;為采樣時天線接、發增益，與天線方向圖有關，計算時根據雷達天線方向圖W 及采樣時天線的動態滯后量查表代入相應的值； 巧：為采樣時標校星與雷達的距離，直接代入雷達測量值； 我:與相關，利用巧進行修正； P,.、巧、4、4;直接由雷達測量數據獲取； 得到每次采樣的r值后，進行算術平均得到K值(7) 步驟二、外測標定： 首先根據雷達測量誤差建立誤差模型如下：其中，ARo、ΔΑο、ΔΕο分別為距離、方位和俯仰零值，Ei，Ai為雷達每次測量時所獲取的 俯仰角、方位角，Ri、e5分別為距離和俯仰角的電波折射修正殘系數，日1、日1、日2、日2分別為大 盤不水平系數，a3為方位軸、俯仰軸不正交系數，a4為電軸機械軸不平行度數，a5、a6分別為 方位編碼器非線性系數，e3為俯仰編碼器非線性系數，e4為重力下垂變形誤差系數，G為常 數；A Ua，A Ue分別為方位和俯仰的誤差電壓，Ca，Ce分別為方位和俯仰支路角定向靈敏度系 數； 采用最小二乘的高斯估計計算對誤差系數進行求解，定義誤差系數構成狀態矢量η,初 始值設為no; 建立觀測方程其中，Yi為ti時的實際觀測量，每(巧,4)為由初始狀態量％出發并根據衛星星歷算得的ti 時刻的觀測真值，ει為隨機噪聲，采用最小二乘法通過觀測值和真值來估計初始狀態no的最 佳估計布，最佳判據取為觀測殘差的均方和最小； 定義下列矢量使觀測殘差均方和最小，即使得0 = ?;' &' = [r -旬化，哨'[r -旬巧，，坤I為最小，假定％為裔 的最佳估計，貝U(12) 上式是具有η個未知量的η個非線性函數，采用迭代法進行計算，改進過程線性化后構 成一個線性系統D = Hri+e，其中 （13) 滿足最小二乘估值的條件成為-2化-Bx)tb = o,解得n=化郵-1機)， 建立誤差計算模型為巧,= |//，'α ; 式中，下標ξ代表距離、方位角、俯仰角，Η為根據誤差模型建立的矩陣，D為雷達測量值 與衛星精軌值的差，η為誤差系數矩陣。
【文檔編號】G01S7/40GK106093892SQ201610343795
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】孫剛, 郭軍海, 趙華, 楊萍
【申請人】中國人民解放軍63921部隊