鐘德安，包 飛，茅永興，馮鴻奎

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

雷達是航天測控網(wǎng)中的骨干設(shè)備，在航天測控任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]。而對雷達進行標校是一項必不可少的基礎(chǔ)性技術(shù)工作。

目前，傳統(tǒng)的雷達標校技術(shù)主要是利用標校塔進行標校，即有塔標校[2-4]。然而，由于標校塔建設(shè)周期長、費用高、地點固定，以及標校過程中多徑效應(yīng)明顯、系統(tǒng)自動化程度低、時間花費較多等問題的存在[5]，該技術(shù)已不能很好地適應(yīng)現(xiàn)今的雷達標校工作。

為了減少配套標校設(shè)施建設(shè)需求，提高雷達標校的自動化程度，工程研究人員提出了許多無塔標校技術(shù)，如信標球標校[6]、恒星標校[7]、射電星標校[8]、太陽跟蹤標校[9]、飛機標校[3]和衛(wèi)星標校[7，10-11]等。

然而，對于船載雷達來說，由于其所處的工作環(huán)境具有動態(tài)性，所以對其進行標校時涉及的環(huán)節(jié)更多、要求更高，導(dǎo)致標校過程較之陸基雷達更為復(fù)雜。為了解決船載雷達標校過程中存在的一些相關(guān)問題，工程研究人員又提出了許多動態(tài)條件下的雷達標校技術(shù)。張同雙等[12]在對傳統(tǒng)的航天測量船無線電測量設(shè)備方位零位標校方法進行分析之后，提出了一種不需要大地測量的新標校方法，并對其精度進行了驗證，結(jié)果表明該標校方法更加簡化、更加節(jié)約成本，具有良好的應(yīng)用前景。在傳統(tǒng)塢內(nèi)標?；驹淼幕A(chǔ)上，針對測量船的搖擺特點，鐘德安等[13]設(shè)計了一種新的測量船碼頭動態(tài)標校方法，該方法引入了船姿測量誤差，進一步提高了標校精度。豐少偉等[14]利用差分GPS定位技術(shù)建立了一種通用船載雷達標校方法，并對其中涉及的數(shù)據(jù)同步和系統(tǒng)誤差處理方法進行了討論。楊磊等[15]在嵌入?yún)f(xié)作策略的參數(shù)估計方法基礎(chǔ)上實現(xiàn)了船載外測設(shè)備等效軸系參數(shù)的標定，解決了船載外測設(shè)備狀態(tài)易變性與衛(wèi)星測控高精度要求的矛盾。上述方法均為船載雷達標校技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展奠定了扎實的基礎(chǔ)。

船載雷達方位零位是天線機械軸平行于船艏艉線且指向船艏時方位軸角編碼器的讀數(shù)。由于雷達機械軸是固定不變的，所以通常情況下對雷達方位零位的多次標定結(jié)果也不會出現(xiàn)較大差異(即不超過30″)。然而，在實際操作中，曾多次發(fā)生雷達方位零位較前次標定結(jié)果出現(xiàn)較大差異的問題。因此，在船載雷達標校工作中及時準確地定位造成方位零位標校差異的原因顯得非常必要，否則將會給標定進度、組織計劃帶來較大影響，同時也將浪費大量人力、物力。

為此，本文簡要介紹船載雷達方位零位標定方法，逐一分析了造成船載雷達方位零位異常變化的幾種可能原因，在此基礎(chǔ)上給出了提出問題排查的通用流程。最后，通過一個典型案例深入排查并探討了船載雷達方位零位的異常原因。

1 雷達方位零位標定方法

為了標定雷達方位零位，首先需要進行經(jīng)緯儀方位零位標定[16]、船舶塢內(nèi)航向角標定[17]以及雷達方位零位標定。

1.1 經(jīng)緯儀方位零位標定

經(jīng)緯儀方位零位是經(jīng)緯儀主鏡光軸與全船方位基準平行并指向船艏時，經(jīng)緯儀方位軸角編碼器輸出值。該值可利用搭建光路的方法使經(jīng)緯儀主鏡與全船方位基準建立光路聯(lián)系，并使主鏡光軸與其平行后得到。

1.2 船舶塢內(nèi)航向角標定

船舶塢內(nèi)航向角是船舶在塢內(nèi)時，全船方位基準與正北方向之間的夾角，即航向角K塢，該參數(shù)只能由經(jīng)緯儀標定得到。由于雷達的光軸離全船方位基準較遠，難以用建立光路聯(lián)系的方法與之相關(guān)聯(lián)，因此只能借助經(jīng)緯儀瞄方位標或利用測恒星標定的K塢做過渡，才能進一步標定方位零位，其原理如圖1所示。

圖1 達方位零位標定原理

1.3 雷達方位零位標定

由圖1可知，標定時需要使用航向角K塢。首先由經(jīng)緯儀標定出船舶塢內(nèi)航向角K塢，然后大地測量隊測量出方位標與正北的夾角(A大地)，最后雷達對方位標進行測量(測量值A(chǔ)測)，并與航向角K塢比較，即可獲得方位零位A0。雷達方位零位A0與A測、A大地、K塢的關(guān)系為：

A0=A測-A大地+K塢-360°。

(1)

2 方位零位異常原因分析及排查流程

2.1 原因分析

從式(1)可以看出，雷達方位零位與雷達軸角編碼器測量值A(chǔ)測、大地測量成果A大地及經(jīng)緯儀標定的航向角K塢密切相關(guān)。因此，這3個測量值的異常是造成雷達方位零位異常原因。通過對上述3個測量值的測量過程以及部件、系統(tǒng)工作機制的分析，可進一步了解異常造成的原因。

2.1.1 雷達軸角編碼器測量值A(chǔ)測

軸角編碼器是重要的測角部件，其精度對雷達總精度產(chǎn)生直接影響，一般要求軸角編碼器精度比測量設(shè)備總精度高3～10倍。用旋轉(zhuǎn)變壓器作為角位移傳感器的編碼器是雷達目前較普遍采用的軸角編碼器，船載雷達初次安裝使用時均對其精度進行了檢測，長期使用表明可靠性較高[7]。

2.1.2 大地測量成果

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在大地測量中的廣泛應(yīng)用，有力提高了大地測量的效率和精度。在船載雷達參數(shù)標定中，對大地測量精度產(chǎn)生影響的主要因素是船舶進船塢后不均勻裝載等引起的船體置平度變化，從以往經(jīng)驗看，該影響大都在指標范圍內(nèi)。

2.1.3 經(jīng)緯儀標定的航向角K塢

經(jīng)緯儀標定的航向角K塢是船載雷達方位零位標定的關(guān)鍵，沒有航向角K塢就不能解算出雷達方位零位。航向角K塢與經(jīng)緯儀零位及軸系誤差修正參數(shù)有關(guān)，包括方位零位、俯仰零位、照準差、橫軸差和豎軸差5個參數(shù)?，F(xiàn)代光電經(jīng)緯儀是非常精密的光學(xué)測量設(shè)備，具有實時測量、高精度等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于航空、航天和大地測量等領(lǐng)域[18]。從歷史經(jīng)驗情況看，經(jīng)緯儀零位及軸系誤差穩(wěn)定性相對較高。

2.2 排查流程

一旦船載雷達方位零位標定結(jié)果出現(xiàn)異常變化，就要進行仔細排查，以消除隱患。在排查的過程中，可利用已有資料或者歷史數(shù)據(jù)建立雷達方位零位標定異常的故障樹(FTA)或者利用失效模式與影響分析方法(FMEA)逐一列出可能的異常原因，并分析造成的后果。

雷達方位零位標定異常的故障樹分析如圖2所示?？筛鶕?jù)該故障樹，從左至右，從上到下依次排查，同時也應(yīng)遵循由簡到難、由淺入深的原則。

圖2 雷達方位零位標定異常的故障樹分析

一般的排查步驟為：

① 雷達軸角編碼器精度檢查

由于軸角編碼器精度決定了測量數(shù)據(jù)的精度，因此首先要從雷達本身出發(fā)，對軸角編碼器進行精度檢查。

② 大地測量成果檢查

大地測量成果是標定基準，對大地測量成果精度產(chǎn)生影響的主要是大地測量施測精度及船體置平度變化，可通過重新進行大地測量施測，并不間斷地跟蹤監(jiān)視船體置平度變化情況，綜合確定大地測量成果精度是否滿足要求。

③ 經(jīng)緯儀標定的航向角K塢檢查

在排除雷達軸角編碼器及大地測量因素后，需要檢查經(jīng)緯儀標定的航向角K塢的準確性，一般采用2種方法：

一是檢查經(jīng)緯儀測恒星和瞄方位標2種方法標定的航向角之間的差異(簡稱閉合差)，通過檢查閉合差，可以間接驗證大地測量成果的精度，也可以檢查經(jīng)緯儀測恒星或測方位標的精度。

二是檢查經(jīng)緯儀零位和軸系誤差標定的準確性。經(jīng)緯儀零位和軸系誤差標定需要豐富的經(jīng)驗和技能，實際操作中容易產(chǎn)生誤差。零位和軸系誤差的變化會引起經(jīng)緯儀標定的航向角K塢產(chǎn)生變化。

④ 重新解算雷達方位零位

經(jīng)過以上步驟后，需要重新標定航向角K塢，解算雷達方位零位，并與上次標定結(jié)果進行比較，以驗證和確定排查結(jié)論。

⑤ 經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線相互關(guān)系圖

重新解算雷達方位零位后，可畫出經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線之間的相互關(guān)系圖，進一步分析查找問題原因。

3 方位零位異常排查案例分析

3.1 問題描述

某次塢內(nèi)標校中發(fā)現(xiàn)，某船載雷達方位零位相比上次標定結(jié)果相差約1角分(變大)，由于2次標定期間雷達狀態(tài)沒有改變，方位零位不應(yīng)有大的變化，該結(jié)果明顯異常，隨后根據(jù)上述排查流程進行了一系列分析排查。

3.2 問題排查

3.2.1 雷達軸角編碼器精度檢查

該雷達采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為敏感元件，綜觀歷史測量數(shù)據(jù)及其他采用同類型旋轉(zhuǎn)變壓器雷達的工作情況，該型旋轉(zhuǎn)變壓器可靠性較高。另外，從該雷達已標定的其他項目結(jié)果看，數(shù)據(jù)重復(fù)性、一致性均較好。因此認為雷達軸角編碼器正常，不需再用專用檢測工具對軸角編碼器精度進行檢測。

3.2.2 大地測量成果檢查

通過對船載雷達三軸中心、方位標點位進行復(fù)測，精度滿足要求。

通過檢查幾天來船體置平度隨時間變化情況，并換算其對大地測量成果的影響，未超出指標要求。

3.2.3 經(jīng)緯儀標定的航向角K塢檢查

(1) 閉合差檢查

本次標校中經(jīng)緯儀2種方法標定的航向角一致性很好，瞄方位標航向為46°3′53″，測星航向為46°3′50″，閉合差為3″。由此說明，經(jīng)緯儀測恒星或測方位標的精度高、離散度小，也從另一個角度說明大地測量成果的精度滿足標定需求。

(2) 經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查

經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，與上次標定結(jié)果相比，照準差變化約22″，方位零位變化了50″，其余誤差基本未變。如上所說，經(jīng)緯儀是一種十分精密的測量設(shè)備，照準差變化約22″，方位零位變化約50″屬故障現(xiàn)象。

表1 經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查結(jié)果

項目名稱本次標定結(jié)果上次標定結(jié)果方位零位俯仰零位照準差橫軸差50″-5″25″3″0″-3″3″5″

3.2.4 重新解算雷達方位零位

① 根據(jù)經(jīng)緯儀零位和軸系誤差檢查結(jié)果重新標定船舶在塢內(nèi)的航向角K塢。利用新標定的經(jīng)緯儀零位和軸系誤差結(jié)果重新解算得到的船舶航向角為K塢=46°5′(與先前相差約1′)。

② 重新解算雷達方位零位。以新的航向角解算的雷達方位零位-9′9″，而上次標定結(jié)果為-11′25″。

可以看出，使用最新標定的經(jīng)緯儀零位和軸系誤差后，得到的雷達方位零位與上次標定結(jié)果差異不僅沒有減小，反而由約1′擴大到2′16″。可以認為，除了已確定的經(jīng)緯儀方位零位、照準差產(chǎn)生變化外，還有一個誤差因素尚未找到。

3.2.5 經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線相互關(guān)系

將經(jīng)緯儀主鏡光軸、雷達機械軸和全船方位基準鏡法線畫于同一張圖上進行分析，相互關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 機械軸、經(jīng)緯儀主鏡光軸、基準鏡法線相互關(guān)系

從圖3中可以看出，在雷達機械軸指向不變的前提下(符合實際情況)，全船基準鏡法線(全船方位基準)相比以往變化了2′16″，即上次標定與本次標定使用的全船方位基準不同。實際上全船只有一個方位基準，位于慣導(dǎo)吊筒中，這說明上次標定由于光學(xué)標定工具誤差等種種原因，實際使用了一個虛擬的方位基準。而經(jīng)緯儀零位變化1′26″，是由于全船方位基準和照準差變化雙重原因引起的。

3.3 對測量精度的影響

從上面的分析可以看出，本例中導(dǎo)致雷達方位零位變化的原因2個：設(shè)備照準差發(fā)生了變化，變化達22″；2次標定沒有對準同一個方位基準(其中一個實際是不存在的)。

3.3.1 照準差變化的影響

照準差是經(jīng)緯儀一項誤差修正參數(shù)，對方位角的影響為ΔA=c×(secE-1)，其中ΔA為經(jīng)緯儀方位角測量誤差，c為照準差，E為目標仰角。從公式可以看出，隨著仰角的增大，經(jīng)緯儀方位角測量誤差將增大，如當(dāng)仰角為30°時，照準差變化22″引起的方位角測量誤差為3.4″；當(dāng)仰角為60°時，誤差為22″。

3.3.2 方位基準鏡不統(tǒng)一對精度的影響

由于方位基準只有一個，分析認為上次標校時沒有對準準確的方位基準，這等同于經(jīng)緯儀采用一個方位基準，而慣導(dǎo)采用了另一個方位基準。這將產(chǎn)生船體姿態(tài)測量誤差。因為當(dāng)經(jīng)緯儀測得的航向校準慣導(dǎo)時，會造成水平姿態(tài)測量軸與航向測量軸不垂直。當(dāng)船搖幅度為6°時，將會產(chǎn)生約5″的水平姿態(tài)測量誤差[17]。

4 結(jié)束語

船載雷達的標定過程十分復(fù)雜，尤其是方位零位的標定涉及環(huán)節(jié)多，只有徹底摸透雷達方位零位標定差異的原因，才能更加準確地對船載雷達進行標校。本文案例中船載雷達方位零位變化僅是問題的表象，本質(zhì)原因是經(jīng)緯儀照準差的變化和全船方位基準前后不一致，并從不同角度對船載雷達測量精度產(chǎn)生影響。

由于經(jīng)緯儀零位和軸系誤差參數(shù)采用搭建光路的方法標定，操作復(fù)雜，易產(chǎn)生標定誤差，因此，提高經(jīng)緯儀零位和軸系誤差修正參數(shù)標定精度，不僅可在一定程度上避免雷達方位零位標定異常問題的發(fā)生，而且對于提高船載雷達的整體測量精度也有重要價值。

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