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1、(10)申请公布号 CN 103901413 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103901413 A (21)申请号 201410151684.5 (22)申请日 2014.04.15 G01S 7/40(2006.01) (71)申请人 海军大连舰艇学院 地址 116018 辽宁省大连市中山区解放路 667 号海军大连舰艇学院 (72)发明人 刘冬利 程占昕 谭安胜 杨辉 伊柏栋 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 梅洪玉 (54) 发明名称 基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态 标定设备及其方法 (57) 摘要 本发明属于一种雷达标定设备，。
2、 基于旋翼无 人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备及其方 法。该雷达高度动态标定设备包括三个北斗接收 机终端、 舰载雷达数据记录设备、 飞行控制系统和 解算分系统 ； 三个北斗接收机终端分别是安装在 码头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、 安 装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安装在 旋翼无人直升机的北斗接收机三 ； 标定时， 通过 在旋翼无人直升机和舰艇上加装北斗设备， 记录 旋翼无人直升机和舰艇物理位置变化， 同时同步 利用舰艇雷达录取数据， 将旋翼无人直升机上记 录的真值数据和舰艇雷达的录取数据进行误差处 理分析， 最终得出雷达仰角误差值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页。
3、 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103901413 A CN 103901413 A 1/1 页 2 1. 一种基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备， 其特征在于， 该三坐标 雷达高度动态标定设备包括三个北斗接收机终端、 舰载三坐标雷达数据记录设备、 飞行控 制系统和解算分系统 ； 三个北斗接收机终端分别是安装在码头的基准点上作为基准站的北 斗接收机一、 安装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安装在旋翼无人直升机的北斗接 收机三 ； 舰载三坐标雷达录取数据， 飞。
4、行控制系统控制旋翼无人直升机的飞行， 解算分系统 进行真实高度数据的解算。 2. 一种基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定方法， 其特征在于， 该基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备包括三个北斗接收机终端、 舰 载雷达数据记录设备、 飞行控制系统和解算分系统 ； 三个北斗接收机终端分别是安装在码 头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、 安装在舰艇等效位置中心的北斗接收机二和安 装在旋翼无人直升机的北斗接收机三 ； 该三坐标雷达高度动态标定方法， 是通过在旋翼无人直升机和舰艇上加装北斗设备， 记录旋翼无人直升机和舰艇物理位置变化， 同时同步利用舰艇雷达录取数据 ； 在进行一系 列。
5、的飞行动作之后， 将旋翼无人直升机上记录的真值数据和舰艇雷达的录取数据进行误差 处理分析， 最终得出雷达仰角误差值 ； 具体步骤如下 ： 1、 测量真实高度数据 ： 三台北斗接收机同步接收 4 颗以上卫星， 并实时记录原始数据。 标定结束后， 按照数据处理和误差分析流程进行数据处理， 得到舰艇和旋翼无人直升机精 确的位置信息 ； 如果北斗系统实时定位误差为 1m， 则归算到雷达坐标系中的方向角和仰角 误差在 0.002之内， 斜距误差在 1m 之内， 高于雷达定位精度数倍 ； 如果三坐标雷达仰角精 度为 0.5， 真实高度数据设备的单点定位精度在 5m 之内完全满足要求 ； 2、 解算真实高度。
6、数据 ： 北斗的坐标系统采用的是 WGS-84 大地坐标， 使用时必须将目 标的位置转换到以雷达为原点的站心球坐标系中， 换算得到距离、 方位角和仰角值 ； 首先要 将北斗测得的大地坐标转换为空间大地直角坐标， 然后将空间直角坐标转换为站心直角坐 标， 最后再将站心直角坐标转换为站心球坐标， 得到距离、 方位角和仰角真实高度数据。 3、 时间统一 ： 真实高度数据采用北斗设备提供， 数据本身带有 UTC 时间 ； 雷达测量值录 取设备录取位置信息采用舰艇时统设备的高稳定原子钟作为振荡源， 与真实高度数据位置 信息基准时间误差小于 100ms， 满足时间统一要求。 权 利 要 求 书 CN 10。
7、3901413 A 2 1/4 页 3 基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备及其 方法 技术领域 0001 本发明属于一种雷达标定设备， 特别涉及基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度 动态标定设备及其方法， 可以解决雷达仰角精度的标定问题。 背景技术 0002 目前， 国内舰载雷达标定研究主要集中在两坐标雷达方向， 赵馨等提出采用基于 差分 GPS、 CCD、 激光经纬仪等技术结合的零位标定方法， 标校系统的位置精度优于 50cm， 角 度精度优于 0.05mrad ； 姚景顺等提出采用 GPS 技术对舰载雷达进行动态标定， 目标位置精 度达到 1m ； 段静玄等提出采用 GPS RT。
8、K 技术对三坐标雷达动态标定法， 距离标定误差不大 于 4cm。 0003 三坐标雷达除了可以测定目标的方位和距离值外， 还可以测量出目标的高度值。 和所有测量装置一样， 雷达的高度测量值会存在误差， 误差会严重影响雷达的使用， 需要进 行校准， 以确保测量数值的准确。 但是， 国内尚无专门的科研机构对舰载现役三坐标雷达仰 角标定方法进行系统的研究， 雷达仰角标定方法主要延用建标定塔、 动态标定时可选的合 作目标包括军用飞机、 气球、 民航飞机、 专用直升机等。 采用军用飞机的申请程序复杂， 特别 是针对修后的标定， 申请比较难、 成本高， 军用飞机上的 GPS 据提取困难 ； 采用放气球利用。
9、 气球作为标定目标的优点是可以检验010000m各种高度上的探测精度， 可以获得足够的 数据， 在经济性上使用气球也优于使用军用飞机。但用气球作为标定目标需要进行航管申 请， 气球放飞后一般无法回收， 且也存在安全隐患。 利用民航飞机的缺点是目标为非合作目 标， 容易出现挂错号的现象， 由于航路不可控会导致数据量非常少， 更重要的是民航飞机的 自带的真值定位设备精度低， 达不到精度要求。 0004 本发明以旋翼无人直升机作为实时动态标定合作目标， 挂载本套设备的便携式双 插分实时三维坐标位置记录设备， 对直升机航迹精确分析处理。 通过时间同步设计、 差分技 术、 录取和处理雷达测量数据、 系统。
10、消噪及野值剔除、 数据误差分析， 最终得出雷达三维测 量精度误差。 发明内容 0005 本发明解决了现有舰载三坐标雷达标定方法的技术缺陷， 提供了一种舰载三坐标 雷达标定设备， 能够对包括仰角在内的雷达三维探测精度进行便捷高效、 安全高精度的标 定作业方法。 0006 本发明的技术方案是 ： 0007 一种基于旋翼无人直升机的三坐标雷达高度动态标定设备， 包括三个北斗接收 机、 舰载三坐标雷达、 飞行控制系统和解算分系统， 系统组成见图1。 三个北斗接收机终端分 别是安装在码头的基准点上作为基准站的北斗接收机一、 安装在舰艇等效位置中心的北斗 接收机二和安装在旋翼无人直升机的北斗接收机三， 见。
11、图 2。舰载三坐标雷达录取数据， 飞 说 明 书 CN 103901413 A 3 2/4 页 4 行控制系统控制旋翼无人直升机的飞行， 解算分系统进行真实高度数据的解算。 0008 该三坐标雷达高度动态标定方法， 是通过在旋翼无人直升机和舰艇上加装北斗设 备， 记录旋翼无人直升机和舰艇物理位置变化， 同时同步利用舰艇雷达录取数据 ； 在进行一 系列的飞行动作之后， 将旋翼无人直升机上记录的真值数据和舰艇雷达的录取数据进行误 差处理分析， 最终得出雷达仰角误差值。具体步骤如下 ： 0009 1、 测量真实高度数据 0010 三台北斗接收机同步接收 4 颗以上卫星， 并实时记录原始数据。标定结束。
12、后， 按照 数据处理和误差分析流程进行数据处理， 得到舰艇和旋翼无人直升机精确的位置信息。如 果北斗系统实时定位误差为 1m， 则归算到雷达坐标系中的方向角和仰角误差在 0.002之 内， 斜距误差在 1m 之内， 高于雷达定位精度数倍。如果三坐标雷达仰角精度为 0.5， 真实 高度数据设备的单点定位精度在 5m 之内完全满足要求， 目前载波相位型北斗的单点精度 完全可以达到， 也可以不做差分处理。 0011 2、 解算真实高度数据 0012 由于北斗的坐标系统采用的是 WGS-84 大地坐标， 使用时必须将目标的位置转换 到以雷达为原点的站心球坐标系中， 换算得到距离、 方位角和仰角值。 首。
13、先要将北斗测得的 大地坐标转换为空间大地直角坐标， 然后将空间直角坐标转换为站心直角坐标， 最后再将 站心直角坐标转换为站心球坐标， 得到距离、 方位角和仰角真实高度数据。 0013 3、 时间统一 0014 在动态标定中， 必须对测量值和真实高度数据进行时间统一， 这是测量点迹与真 实高度数据点迹比对得出误差分析结果的前提条件。真实高度数据采用北斗设备提供， 数 据本身带有 UTC 时间。雷达测量值录取设备录取位置信息采用舰艇时统设备的高稳定原子 钟作为振荡源， 与真实高度数据位置信息基准时间误差小于 100ms， 满足时间统一要求。 0015 目前采用的标校手段主要有建标定塔、 放气球或者。
14、与民航 ADS-B 系统合作等方 式， 但是这些方法存在很多不足， 与本发明标校手段性能比较见表 ： 0016 标校手段动态性能安全性标校成本标校精度民航报批 标定塔标定低高较高高否 军用飞机试验检飞标定高高高低是 热气球标定低低较高高是 民航系统合作标定高高高低是 本系统 ( 旋翼无人直升机 )高高低高否 0017 本发明的仰角标校设备， 系统设计思路新颖， 标校方法科学， 工程实现简单、 现场 操作性强。其采用无人直升机挂载特定反射体为合作目标， 可控性强、 可测性强。用 “北斗 卫星 + 公共通信网络 + 实时差分” 相融合的真实高度数据获取方法， 标定精度高， 并且能够 任意规划航路，。
15、 可在全高度、 全方位上对雷达进行仰角标定。 说 明 书 CN 103901413 A 4 3/4 页 5 附图说明 0018 图 1 是本发明的组成示意图。 0019 图 2 是三台北斗接收机位置示意图。 0020 图 3 是标定流程示意图。 0021 图 4 是北斗定位系统仰角测量精度仿真图。 0022 图 5 是目标真实高度数据解算流程图。 具体实施方式 0023 依据舰船雷达装备修理技术标准规定， 对雷达测量精度进行标定时， 要求其真实 高度数据设备的精度至少是雷达测量精度的 3 倍以上。若以三坐标雷达精度典型值为例 ： 仰角精度小于0.5， 距离精度小于100m。 可见， 若仰角真实。
16、高度数据精要在0.1以内， 距 离真实高度数据精度在 25m 以内即可以满足要求。 0024 由北斗定位系统仰角测量精度仿真图 4 可知， 在雷达和目标间距离为 284.3687m 时， 仰角测量精度为 0.1007。即只要雷达和目标间距离超过 300m 时， 北斗定位系统的测 距精度对真实高度数据仰角精度影响不大。另外， 雷达近距一般盲区在 2-4km 外， 对应的仰 角精度为 0.015， 小于所要求的 0.1， 且在标定过程中， 为使雷达易发现和测量目标， 目 标与雷达之间距离要大于 3km， 由此可见在整个标定过程中， 仰角精度都满足标定要求。 0025 1、 真实高度数据和测量值录取。
17、与处理 0026 针对不同舰艇有三种真实高度数据和测量值的录取实施方法 ： 0027 一是通过数据录取终端接入水面舰艇作战系统， 通过监听作战系统网络上雷达发 送的目标数据报文获得， 适用于新型水面舰艇 ； 0028 二是从雷达显控终端上下载目标航迹数据， 适用于带目标数据存储功能的雷达 ； 0029 三是通过和雷达输出接口匹配的数据录取设备获得目标点迹数据， 适用于老式雷 达。 0030 为保证录取设备的通用性， 应该实现舰艇型号及被标雷达的选择， 依据选择情况， 自如地设定网络接口协议， 以录取雷达测量数据。 真实高度数据数据读取后， 进行数据的预 处理， 解算流程如图 5。 0031 2。
18、、 真实高度数据数据解算实现 0032 在本发明中， 设置真实高度数据设备的数据采集频率为 5Hz， 即 0.2s 采一个数据 ； 设置被标雷达的转速为 15rpm， 若有两个阵面同时工作， 则数据采集频率为 0.5Hz， 即 2s 采 一个数据。 0033 分析可知， 为保证小于仰角误差 0.1， 则雷达和北斗真实高度数据数据时间误差 应小于 0.5s， 若再考虑到随机误差和系统其它部分的影响， 要求雷达和北斗真实高度数据 数据时间误差一般应小于 0.2s， 为满足精度要求， 应该对雷达测量数据进行插值处理。 0034 3、 时间统一实施 0035 本发明中， 为保证系统误差解算正确， 满足。
19、标定精度指标， 要求雷达和北斗真实高 度数据数据时间误差应小于0.5s。 这主要是由于， 在合作目标稳定飞行时， 飞行速度一般在 （40-55） km/h， 若雷达和北斗的时间误差 1s， 将产生 15m 的距离误差， 并叠加到雷达系统误 说 明 书 CN 103901413 A 5 4/4 页 6 差中， 由此引起的仰角误差将大于 0.17， 为保证小于仰角误差 0.1， 则雷达和北斗真实 高度数据数据时间误差应小于0.5s。 另外， 考虑到随机误差和系统其它部分的影响， 要求雷 达和北斗真实高度数据数据时间误差应小于 0.1s。 0036 对于具备时统设备的舰艇而言， 由于时统设备采用高稳。
20、定原子钟作为振荡源， 与 北斗基准时间误差小于 100ms， 可以满足雷达标定的要求， 实际操作过程中受到人为因素的 影响， 如采取人工对时等， 该时统系统的精度可靠性变差， 因此在接入前需将时统设备输出 的时间和 UTC 时间相比对， 获得时间误差量， 如相差不大可以忽略掉， 如果相差较大在数据 处理时将此误差进行补偿处理。 0037 对于没有时统设备的舰艇而言， 解决时间同步问题， 是单独提供一套时统系统。 利 用卫星定位接收机输出的 1PPS 秒脉冲信号和解码 NEMA-0183 中的 UTC 信息作为时间基准， 为各雷达数据录取终端主控计算机传送秒脉冲和相应的绝对时， 精度小于20ns。 另外， 在雷 达跟踪测量时一般输出的目标点迹对应时间与真实高度数据时间不完全吻合， 因此对真实 高度数据数据还要进行插值处理， 进行数据补点。 说 明 书 CN 103901413 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103901413 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103901413 A 8 3/3 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 103901413 A 9 。