基于陣列天線測量裝備的標(biāo)校方法研究

郭萬祿

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧葫蘆島125000)

0 引言

測量裝備經(jīng)過一段時間的存放、使用，需要對其性能特別是精度指標(biāo)進行檢測標(biāo)校［1］。測量裝備標(biāo)校主要是測量修正裝備的靜態(tài)、動態(tài)精度，常用的光學(xué)測量、無線電測量裝備常采用原理近似的標(biāo)校方法，當(dāng)裝備安裝在移動平臺上時還需要安裝捷聯(lián)慣導(dǎo)裝置校正測量裝備的姿態(tài)偏差，對于采用陣列天線的無線電測量裝備，由于其標(biāo)校的主要內(nèi)容是陣列天線構(gòu)成的裝備測量坐標(biāo)系與其他不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，與其他測量裝備標(biāo)校方法存在較大差別，需要對其標(biāo)校方法進行認真研究和試驗驗證。下面將對此進行研究分析，并給出試驗的靜態(tài)和動態(tài)測量精度。

1 測量裝備標(biāo)校方法

通常在規(guī)定的條件下，利用專用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對測量裝備某些參數(shù)進行檢定的過程稱為標(biāo)定;利用標(biāo)定的數(shù)據(jù)修正測控裝備參數(shù)，以提高測量精度的過程稱為校正。上述工作也統(tǒng)稱為測控裝備精度標(biāo)校。測量裝備的體制、原理不同，其標(biāo)校方法也不盡相同。一般的雷達裝備標(biāo)校就是對雷達自身的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)進行測定和調(diào)整，通過建立一套標(biāo)校方法，使雷達系統(tǒng)能達到規(guī)定的精度要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，一般雷達裝備標(biāo)校的主要項目有:大盤水平;方位零值、仰角零值;光機軸匹配;光電軸匹配;距離零值等標(biāo)校。對不同的標(biāo)校項目采用不同的標(biāo)校方法，首先要建立標(biāo)定雷達自身精度的基準(zhǔn)(基座)，其次是在一定距離上建立一個校準(zhǔn)和標(biāo)定基準(zhǔn)面的標(biāo)校設(shè)備(即標(biāo)校塔裝置)，并通過輔助的儀器可實現(xiàn)對大地、方位/俯仰軸正交度、基準(zhǔn)軸系的校準(zhǔn)與調(diào)整，最終使標(biāo)定精度能滿足雷達系統(tǒng)測量精度要求［2，3］。

1.1 大盤水平度的標(biāo)定

大盤水平度的標(biāo)定步驟如下:

①在天線座方位轉(zhuǎn)臺上放置合像水平儀，固定天線俯仰角，轉(zhuǎn)動天線方位角，每隔15°分別記錄一次方位軸角編碼器和合像水平儀的數(shù)據(jù)Ai、Xi，直到天線旋轉(zhuǎn)一周;

②利用最小二乘法對測量點數(shù)據(jù)進行處理，從測量點中找出大盤水平最大傾斜方位Am和最大傾斜量δm。

1.2 方位零值、俯仰零值標(biāo)定

方位零值、仰角零值步驟如下:

①選用方位標(biāo)按順序編號，并記錄各方位標(biāo)的方位、俯仰大地測量值分別為 A1，A2，……，An，E1，E2，……，En。

②轉(zhuǎn)動雷達天線，使天線上的望遠鏡十字刻度線與1號方位標(biāo)上的十字標(biāo)對準(zhǔn)，分別讀取方位、俯仰角軸角編碼器上的數(shù)據(jù)A'i，E'i。

③重復(fù)上述動作，直到n號方位標(biāo)。

④計算公式:A˙n=A'i-1 000X/Ri，E˙n=E'i-1 000Y/Ri。

式中，A'i，E'i為望遠鏡觀測i號方位標(biāo)時的軸角編碼器的輸出值;A˙n，E˙n為經(jīng)視差修正后i號方位標(biāo)的雷達觀測值;Ri為i號方位標(biāo)至雷達坐標(biāo)原點的距離;X，Y為望遠鏡光軸到天線機械軸的水平和垂直距離。

⑤計算差值:ΔAi=Ai-A˙n，ΔEi=Ei-E˙n。

⑥ 求出雷達的方位、仰角零值:A0=

⑦重復(fù)上述步驟，多次測量，提高方位、俯仰角零值的精度。

1.3 光機軸匹配度標(biāo)定

方位上的光機軸偏差標(biāo)定步驟如下:

①選取一方位標(biāo)，其十字標(biāo)板的中心應(yīng)設(shè)置在對應(yīng)雷達天線仰角為零時的位置;

②手搖天線，使望遠鏡對準(zhǔn)十字標(biāo)，將望遠鏡倒插;

③ 手搖天線，仰角翻轉(zhuǎn)180°。微動天線仰角和方位，使望遠鏡上的十字刻度線的垂線與方位標(biāo)的中心垂線重合，鎖定方位;

⑤從望遠鏡中讀出望遠鏡十字刻度線的垂線與方位標(biāo)中心垂線的偏差a;

⑥求出方位上的光機軸偏差:ΔAGJ=a/2。俯仰上的光機軸偏差已在大盤水平和仰角零值中反映，不再單獨標(biāo)定。

1.4 光電軸匹配度標(biāo)定

光電軸匹配度標(biāo)定步驟如下:

①除發(fā)射機外，雷達各分系統(tǒng)和信號源均處于工作狀態(tài);

②對方位上的光電軸偏差，先將天線仰角電軸歸零，望遠鏡上的十字刻度線在方位上對準(zhǔn)校準(zhǔn)塔上的井字標(biāo)板的左下角十字標(biāo);

③天線在方位上跟蹤校準(zhǔn)塔發(fā)射的信號源信號，鎖定天線，并在望遠鏡中讀取偏差值ΔAL1重復(fù)跟蹤n(n≥5)次，分別取值至ΔALi;

④計算井字標(biāo)左下角測量的光電軸偏差，即方位上的光電軸偏差:仰角上的光電軸偏差標(biāo)定與上述步驟類似，略。

1.5 距離零值標(biāo)定

距離零值標(biāo)定步驟如下:

勝利油田定向井公司1991年從美國Sperry-Sun公司引進正脈沖定向MWD隨鉆測量儀器（簡稱DWD），1999年又從該公司引進了隨鉆地質(zhì)評價儀器FEWD成套設(shè)備，測量參數(shù)包括定向參數(shù)、自然伽馬、電磁波電阻率、中子孔隙度、地層密度及井下鉆具振動量。目前，定向井公司的DWD共有Super slim、350、650和1200四類，其中350、650及1200系統(tǒng)又各有新、舊兩種。

①雷達全機工作，手動天線，對準(zhǔn)距離標(biāo)，距離轉(zhuǎn)為自動跟蹤;

②當(dāng)雷達天線第一次對準(zhǔn)距離標(biāo)時，取值R01，天線反復(fù)n(n≥5)次對準(zhǔn)距離標(biāo)，分別取值到R0n;

③求其算術(shù)平均值R'0;

④計算雷達的距離零值:R0=R1-R'0。其中，R0為雷達的距離零值;R1為距離標(biāo)的大地測量值。

2 測量裝備陣列天線布設(shè)結(jié)構(gòu)

裝備靶載測量雷達有1路發(fā)射天線、8路接收天線和4個GPS天線航向測姿共同構(gòu)成測量裝備天線陣，其靶載測量裝備天線布設(shè)結(jié)構(gòu)俯視如圖1所示。圖中雙GPS四個天線構(gòu)成航向姿態(tài)測量系統(tǒng)，8路接收天線中心構(gòu)成裝備測量坐標(biāo)系統(tǒng)的中心［4-6］。

圖1 測量裝備陣列天線布設(shè)結(jié)構(gòu)俯視圖

裝備通過2個獨立的單基線GPS測姿系統(tǒng)分別測量得到2個基線在空間中的航向角和縱搖角。根據(jù)GPS航向測姿固聯(lián)坐標(biāo)系的定義，由GPS天線主1和GPS天線從1構(gòu)成測姿系統(tǒng)的輸出即為GPS航向測姿系統(tǒng)輸出的航向角和縱搖角，利用GPS天線主2和GPS天線從2構(gòu)成的系統(tǒng)輸出值計算出橫搖角。其中，GPS天線主1和GPS天線主2可以提供定位信號。

3 系統(tǒng)標(biāo)校方法

3.1 系統(tǒng)標(biāo)校方法

對于采用多天線GPS測姿系統(tǒng)與陣列天線雷達測量裝備，裝備無伺服系統(tǒng)和無慣導(dǎo)裝置，標(biāo)校的目的主要是獲得該裝備測量坐標(biāo)系與GPS測姿系統(tǒng)固聯(lián)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系［7，8］，對航向姿態(tài)的測量精度進行檢測。

系統(tǒng)標(biāo)校步驟如下:

①裝備測量坐標(biāo)系下，8路接收天線的坐標(biāo)(xTi，yTi，zTi)(i=1，2，…，8)是已知的，如果在全站儀標(biāo)校坐標(biāo)系下，分別測出8路接收天線的坐標(biāo)(xBi，yBi，zBi)(i=1，2，…，8)，利用這些數(shù)據(jù)，采用最小二乘法求解，得到全站儀標(biāo)校坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系之間的歐拉角(αB，βB，γB)，從而得到裝備測量坐標(biāo)系和全站儀標(biāo)校坐標(biāo)系2個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系;

②在全站儀標(biāo)校坐標(biāo)系下，可以測量獲得4個GPS天線在全站儀標(biāo)校坐標(biāo)系下的坐標(biāo)根據(jù) GPS 測姿固聯(lián)坐標(biāo)系的定義，可以得到各GPS天線在GPS測姿固聯(lián)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值3，4)，利用這些數(shù)據(jù)，求解就可得到GPS測姿固聯(lián)坐標(biāo)系與全站儀標(biāo)校坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣TB-G與bB-G;

③綜合步驟①和步驟②，即可得到測量坐標(biāo)系與GPS測姿固聯(lián)坐標(biāo)系的關(guān)系為:

3.2 標(biāo)校實施過程及結(jié)果

3.2.1 航向姿態(tài)測量精度靜態(tài)檢測方法及結(jié)果

裝備航向姿態(tài)測量裝置GPS主1天線與主2天線連線與裝備架設(shè)點指向3個方位標(biāo)分別進行測量，GPS航向測量裝置與設(shè)定的方位標(biāo)測量結(jié)果進行比較，從而得到其航向測量精度。圖2為一組GPS1、GPS2航向測量結(jié)果圖，GPS1:航向均方根誤差0.48°，俯仰均方根誤差1.40°;GPS2:航向均方根誤差0.35°，俯仰均方根誤差1.06°。

3.2.2 航向姿態(tài)測量精度動態(tài)檢測方法及結(jié)果

將靶載設(shè)備安裝在運動載體上，采用過渡平臺安裝，試驗時，同時記錄該裝備航向姿態(tài)測量的結(jié)果和運動載體上已有的姿態(tài)精確測量系統(tǒng)的測量結(jié)果［7，8］，記錄時間不少于 1 h。試驗結(jié)束后，將裝備測量結(jié)果與運動載1體上姿態(tài)精確測量系統(tǒng)測量的航向姿態(tài)真值進行比對，計算得出姿態(tài)測量精度，航向、縱搖、橫搖總均方根誤差分別為:0.751 1°、1.023 8°和1.257 9°，如圖3 所示。

圖2 一組航向測量結(jié)果

圖3 動態(tài)航向姿態(tài)測量精度結(jié)果

4 結(jié)束語

在靜態(tài)和船載動態(tài)條件下，利用全站儀和大地方位標(biāo)以及船載精確姿態(tài)測量系統(tǒng)，對安裝在活動載體上的陣列天線測量裝備進行標(biāo)校，是根據(jù)裝備實際情況，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗進行的新嘗試。在多次實際目標(biāo)試驗中得到應(yīng)用和充分驗證，均取得了很好的效果，結(jié)果是可信的，可以提高效率，節(jié)約經(jīng)費。

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