梁金輝，王存良

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

多基天波超視距雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)測(cè)試技術(shù)

梁金輝，王存良

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，提出基于電離層介質(zhì)電磁波傳播特性、微弱信號(hào)探測(cè)技術(shù)的天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)。采用多基天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，建立超視距海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度、速度方向參數(shù)的量測(cè)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)軟件主程序流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)時(shí)處理跟蹤海面目標(biāo)數(shù)據(jù)并解算得到目標(biāo)的速度及其方向角等參數(shù)，給出試驗(yàn)中目標(biāo)參數(shù)量測(cè)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差。結(jié)果表明：此天波雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)量測(cè)模型能夠有效地對(duì)超視距海面慢運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)測(cè)試，具有準(zhǔn)確性與實(shí)用性。

天波超視距雷達(dá)；目標(biāo)參數(shù)測(cè)試；量測(cè)模型；目標(biāo)速度

0 引 言

天波超視距雷達(dá)（over-the-horizon radar，OTHR）工作于3～30MHz的高頻段，通過(guò)向電離層發(fā)射高頻電磁波信號(hào)，利用電離層對(duì)高頻探測(cè)電波的折射以及后向返回散射路徑下視傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海面的艦船、飛機(jī)等進(jìn)行探測(cè)，測(cè)定其方位、距離和徑向速度[1-6]。其探測(cè)距離不受地球曲率的限制，可以實(shí)現(xiàn)800～3 500km的遠(yuǎn)距離探測(cè)。

單基地探測(cè)系統(tǒng)是利用目標(biāo)的后向散射回波，而多基系統(tǒng)并不完全依賴于直接后向散射回波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，其發(fā)射站的雷達(dá)信號(hào)可以通過(guò)多條路徑到達(dá)不同的接收站，根據(jù)各站位置與探測(cè)目標(biāo)的幾何關(guān)系，通過(guò)定位算法、數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)參數(shù)的測(cè)試[7-8]。本文通過(guò)建立多基天波系統(tǒng)模型，基于電離層探測(cè)技術(shù)，給出一種新的超視距目標(biāo)速度、方向角的測(cè)量模型，適用于超視距海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)試。

1 OTHR系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)測(cè)試原理

天波超視距雷達(dá)有兩種，一種是利用目標(biāo)的前向散射特性或目標(biāo)穿越電離層時(shí)引起的電離層擾動(dòng)特性探測(cè)目標(biāo)，稱為前向散射超視距雷達(dá)，其收發(fā)系統(tǒng)分設(shè)在遙遠(yuǎn)的兩地，但不能測(cè)定目標(biāo)的距離和其他參數(shù)，因此實(shí)際應(yīng)用受到限制。另一種是利用目標(biāo)的后向散射特性探測(cè)目標(biāo)，稱為后向散射超視距雷達(dá)，其收發(fā)系統(tǒng)設(shè)在臨近的地方[9-10]。后向散射天波超視距雷達(dá)信號(hào)傳輸鏡像發(fā)射模型原理圖如圖1所示。

圖1 后向散射OTHR系統(tǒng)信號(hào)傳輸鏡像反射模型原理圖

OTHR的接收機(jī)與發(fā)射機(jī)采用雙基模式。發(fā)射站的發(fā)射機(jī)產(chǎn)生大功率高頻信號(hào)，高頻電波斜向入射到電離層，被電離層反射形成天波傳播模式，照射到超視距外相應(yīng)的一大塊區(qū)域，在照射區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的任何雷達(dá)目標(biāo)均會(huì)產(chǎn)生雷達(dá)回波，其中一部分目標(biāo)散射的電波將沿著可能的路徑再次經(jīng)天波傳播模式傳播到接收站，接收站憑借龐大的天線和高靈敏度接收機(jī)以運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒信號(hào)，完成目標(biāo)檢測(cè)和電離層環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)，從而構(gòu)成了一個(gè)探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)參數(shù)測(cè)試方案

OTHR系統(tǒng)可以配置為“多發(fā)多收”的多基站系統(tǒng)，通過(guò)多站之間對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的探測(cè)，構(gòu)建配準(zhǔn)體系，多站聯(lián)合配準(zhǔn)、定位跟蹤目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定位。

本系統(tǒng)采用“一發(fā)兩收”的速度及其方向角測(cè)試方案，系統(tǒng)的幾何設(shè)計(jì)如圖1所示。也可用“多發(fā)多收”多基天波超視距雷達(dá)體制，以提高動(dòng)態(tài)目標(biāo)參數(shù)的測(cè)量精度。圖1中，T表示設(shè)置在地表的天波超視距雷達(dá)的一個(gè)發(fā)射站；R1、R2表示部署在地表的兩個(gè)接收站；M表示被探測(cè)的海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。OT、O1、O2分別表示T、R1、R2到M的電波射線在電離層的等效反射點(diǎn)。發(fā)射站到目標(biāo)的射線TOTM用虛線表示，接收站到目標(biāo)的射線R1O1M、R2O2M用實(shí)線表示。將電離層上的3個(gè)反射點(diǎn)看作在一個(gè)平面上，此平面由電離層的虛高和電離層反射面的徑向傾斜和切向傾斜決定。

2.2 速度及其方向角量測(cè)模型

OTHR系統(tǒng)中接收站R1、R2量測(cè)的目標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)、定位處理，得到海面目標(biāo)位置M（LM，BM）。由球面三角余弦定理可較為精確地計(jì)算發(fā)射站、接收站對(duì)目標(biāo)的大圓弧長(zhǎng)[11]：

式中：R——地球半徑，R=6371.03 km；

Li、Bi——發(fā)射站或接收站的經(jīng)緯度。

利用平面三角形余弦定理公式可以求得，發(fā)射站、收射站對(duì)目標(biāo)位置的射線距離計(jì)算：

式中：pi——p1為發(fā)射站，p2、p3為接收站；

h——電離層等效反射點(diǎn)高度。

假定接收站 R1在發(fā)射站 T（LT，BT）的右側(cè)，接收站R2在發(fā)射站T左側(cè)，目標(biāo)M的速度為V，速度的方向角為φ（從正北算起順時(shí)針為正值）。V與目標(biāo)M、T連線的夾角為θ。假定V在T右側(cè)時(shí)，θ為正值；V在T左側(cè)時(shí)，θ為負(fù)值。角α為T、R1對(duì)M的夾角；角β為T、R2對(duì)M的夾角。根據(jù)幾何關(guān)系，構(gòu)建方程組：

式中：VT、VR1、VR2——在M與T、R1、R2連線的分量；

fd12、fd13——R1、R2量測(cè)的目標(biāo)M的多普勒頻率；

fT——T工作時(shí)發(fā)射頻率。

式（1）～式（3）聯(lián)立方程組可求得速度及其方向角：

式中：a1、b1、b2——T、R1、R2到電離層反射點(diǎn)射線與到地心連線的夾角；

c1、c2——R1、R2數(shù)據(jù)處理后得到的目標(biāo)的徑向速度；

φ——目標(biāo)速度的方向角。

2.3 WGS-84坐標(biāo)系下速度分量量測(cè)模型

海面目標(biāo)速度V及其方向角φ（從正北算起順時(shí)針為正值）轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系之前，先轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系中的北西天直角坐標(biāo)系下，坐標(biāo)系的ox軸方向指北，oy軸方向指西，oz軸方向指天。轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

式中Vx、Vy、Vz為海面目標(biāo)M在地理坐標(biāo)系中各坐標(biāo)軸的速度分量。

海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的經(jīng)緯度（LM，BM）已在前端配準(zhǔn)定位系統(tǒng)中求解出，經(jīng)過(guò)地理坐標(biāo)系到WGS-84坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)矩陣的轉(zhuǎn)換[12]：

由式（5）和式（6）可以解得WGS-84坐標(biāo)系目標(biāo)的 3 個(gè)方向的速度分量（Vx84，Vy84，Vz84）。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)試、處理結(jié)果傳輸。目標(biāo)速度及其方向角測(cè)試系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖2所示。

圖2 目標(biāo)速度及其方向角測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖

OTHR的目標(biāo)速度及其方向角測(cè)試系統(tǒng)接收到前端目標(biāo)配準(zhǔn)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)其中包括目標(biāo)探測(cè)時(shí)刻、發(fā)射站經(jīng)緯度、接收站經(jīng)緯度、電離層等效反射點(diǎn)高度、信噪比、射線距離和、接收站R1和R2測(cè)得的多普勒頻率、目標(biāo)經(jīng)度、目標(biāo)緯度。本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)接收到的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到目標(biāo)的速度及其方向角以及WGS-84坐標(biāo)系下的3個(gè)方向的速度分量。將目標(biāo)的處理結(jié)果本地TXT文件存儲(chǔ)，同時(shí)生成相應(yīng)的XML文件（包括目標(biāo)探測(cè)時(shí)刻、數(shù)據(jù)積累時(shí)間、大地坐標(biāo)系下目標(biāo)經(jīng)度、緯度、速度、航向角、WGS-84坐標(biāo)系下坐標(biāo)分量（x，y，z）及速度分量等參數(shù)信息）。 同時(shí)，將解算得到的XML格式的目標(biāo)數(shù)據(jù)文件，實(shí)時(shí)傳送給態(tài)勢(shì)處理分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示。

圖3 目標(biāo)速度及其方向角相對(duì)誤差曲線圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)對(duì)海面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，一大型輪船作為配試目標(biāo)。OTHR發(fā)射機(jī)發(fā)射14MHz頻率的電磁波，對(duì)輪船進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試。進(jìn)行了30min的連續(xù)定位跟蹤，對(duì)前端定位系統(tǒng)產(chǎn)生的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解算得到船的速度及其方向等數(shù)據(jù)。事后用船的量測(cè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)文件與輪船自身裝載的AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，量測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差如圖3所示。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足要求，并取得了較為真實(shí)可信的目標(biāo)的速度及其方向角。

速度測(cè)試是在目標(biāo)配準(zhǔn)定位后進(jìn)行的，并且利用定位數(shù)據(jù)，所以測(cè)速誤差除了依賴多普勒頻率測(cè)量誤差、電離層等效反射點(diǎn)高度測(cè)量誤差，還依賴定位誤差。本系統(tǒng)的多普勒測(cè)量可分辨很高，距離和變化率的分辨率較高，測(cè)量結(jié)果表明，速度及其方向角量測(cè)模型滿足工程應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用光電探測(cè)技術(shù)、電離層電波傳播特性的新興技術(shù)，提出了一種基于球面三角公式，大圓弧長(zhǎng)和射線距離和概念，建立了與電離層等效反射點(diǎn)高度關(guān)聯(lián)的目標(biāo)的速度及其方向角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試的量測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海面目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)高精度的測(cè)試。該速度及其方向角測(cè)試系統(tǒng)適用于探測(cè)海面快、慢速艦船等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，對(duì)于空中目標(biāo)的探測(cè)，需進(jìn)一步改進(jìn)算法。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以為預(yù)警機(jī)等指揮系統(tǒng)提供情報(bào)數(shù)據(jù)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

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（編輯：劉楊）

Testing technology of target parameter in multistatic skywave-over-the-horizon radar

LIANG Jinhui，WANG Cunliang
（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China）

A skywave-over-the-horizon radar system was designed on the properties of electromagnetic wave propagation and weak signal detection technology based on ionosphere medium to carry out dynamic testing for the remote manoeuvring target on the sea surface.The general design method of multistatic skywave-over-the-horizon radar was adopted to build the measurement mathematical model for BVR manoeuvring target on the sea surface velocity and velocity direction parameters，and design system software main program flow.Test was carried out in the end to process and track target data and calculate target velocity， direction angle or other parameters at real time， so as to give relative error between measurement data of target parameters and real data during the test.The test results show the target parameter measurement model of the skywave-over-thehorizon radar system is capable of real-time data test for the BVR slow moving targets on sea surface，which has certain correctness and practicability.

skywave-over-the-horizon radar； target parameter test； measurement model； target velocity

A

1674-5124（2017）06-0027-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.06.006

2016-10-10；

2016-11-30

梁金輝（1980-），男，河南鄭州市人，工程師，碩士，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試、電子裝備系統(tǒng)測(cè)評(píng)技術(shù)。