动态标校测试系统设计与分析

朱玉成

摘要：设计了基于无人机平台的动态标校测试系统。该测试系统能较好满足雷达俯仰角的标校测试。

關键词：转发式目标模拟器；卫星差分定位系统；动态标校测试系统

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）06-0144-02

为了检验雷达的发射方向的性能，需要对雷达发射波束和接收波束进行俯仰向的标校。传统标校方法采用模拟信号塔等办法。利用信号塔的方法，模拟信号的高度一般无法改变，模拟信号的位置也无法改变，缺乏灵活性。利用无人机平台搭载模拟器对雷达进行标校，充分利用无人机飞行高度、位置、速度可以灵活控制的优点，可以实现内容丰富的全面标校，拓展了雷达标校方法。

1 转发式目标模拟器工作原理

转发式目标模拟器通过内部接受通道接受雷达辐射信号，将接收到的信号进行时延、调幅等处理，再由发射通道辐射出经过调制的信号，由雷达接收，此时雷达将此回波信号识别为一动目标，则该模拟目标的方位角及俯仰角为无人机的方位角和俯仰角，而距离和目标类型则由调制信号的时延和幅度确定[1]。转发式目标模拟器系统框图见图1。主要由射频链路单元、基带处理单元及功放单元组成。射频链路单元包含上下变频模块、频综模块和大功率功放模块。

1.1 射频链路单元

射频链路单元由功率变换模块和频率源模块组成。功率变换下行模块接收输入信号，通过自动增益调节AGC将输入信号调整到固定功率给基带信号处理单元；上行模块将基带信号处理输出的信号进行功率控制，使得输出功率可控，配备功放模块使得到达天线的输出信号功率在辐射传播一定距离后仍能满足雷达接收灵敏度的要求。频率源模块采用内部的基准信号产生基带信号处理模块所需的时钟信号。

1.2 基带处理单元

转发式目标模拟器包含一块基带处理单元模块，由DRFM（数字射频存储器）实现。DRFM把输入的雷达发射信号以合适的采样率数字化，并在FPGA中完成数字正交混频、抽取滤波、瞬时测频的预处理工作，并完成调制目标延时和多普勒，用以模拟目标的距离和速度。经过基带处理单元调制或产生的信号进行数字上混频，最后通过DAC回放。

2 卫星差分定位系统工作原理

卫星差分定位系统以北斗Ⅱ、GPS双模多频点的卫星差分定位系统为核心，实时输出高精度位置和时间信息[2]。

卫星差分定位系统由安装在雷达上的差分定位参考终端，和安装在无人机上的差分定位移动终端组成，利用差分定位技术测量无人机相对于雷达的距离和方位。

雷达上的卫星差分定位设备为差分定位参考终端，悬空平台上的卫星差分定位设备为差分定位移动终端。

2.1 卫星差分定位系统主要工作过程

（1）雷达的差分定位参考终端接收GNSS卫星信号，解算出位置信息和载波相位信息，并通过电台将信息数据发送给安装在无人机上的差分定位移动终端。（2）差分定位移动终端对接收到的参考站载波相位和本机的载波相位进行差分解算，获得移动终端相对于差分定位参考终端的高精度距离和方位信息，并通过电台将移动终端的差分定位数据传输给差分参考终端。（3）差分定位参考终端的便携计算机根据手动设置的差分定位校准参数（雷达的方向、雷达天线与卫星天线之间的位置偏差等）进行差分定位数据修正，得到符合精度要求的雷达天线与无人机之间相对位置，包括距离、方位等数据。

2.2 无人机时延误差与补偿原理

差分定位解算得到的距离精度可以达到厘米量级，但是由于差分数据传输以及解算存在延迟，因此解算结果输出时刻无人机由于运动将引入测量偏差。差分定位解算时延大约为60ms，差分数据传输时延大约为10ms，按照无人机60km/h的速度计算，整个处理延迟引入的误差达到了1.2m，超过了0.1m的定位精度要求。因此需要对无人机差分解算结果进行滤波预测，弥补处理时延造成的误差。

滤波预测原理为采用kalman滤波算法，利用无人机相对雷达的位置和速度信息进行持续滤波，再结合对整个处理环节时延的实时计算进行准确预测，降低时延引入的测量误差，将最终定位精度控制在0.1m以内。

3 动态标校测试系统的设计与分析

动态标校测试系统包含无人机、转发式目标模拟器及卫星差分定位系统。无人机平台上搭载有转发式目标模拟器以及卫星差分定位设备，组成动态标校测试系统[3]。

该系统用于雷达俯仰角标校时，无人机搭载全套系统后起飞至空中。无人机按照预设的航路进行飞行，以保证无人机始终处于雷达辐射主瓣内，同时朝雷达径向飞行。无人机上的转发式目标模拟器接收雷达辐射信号，进行相应的调制后通过机载天线辐射给雷达天线，雷达通过天线接收动态标校测试系统给出的模拟目标回波解算出无人机相对于雷达的俯仰角α1。同时卫星差分定位系统解算出的无人机和雷达的精确距离值L，且雷达天线阵面中心高度H1已知，无人机飞行高度H2已知（此处将雷达和无人机均简化为点），则通过L、H1、H2可以解算出无人机相对于雷达的俯仰角α2，如下式所示：

α2=arc sin{（H2-H1）/L}

通过将α1和α2的值进行比对，可以得出雷达的俯仰角测量精度是否满足雷达设计指标。工作示意图如图2所示。

4 结语

本动态标校测试系统注意了各类硬件系统的有机结合，创新的采用了无人机作为标校测试平台，最大程度的模拟了实际情况，提高了标校测试的准确性和可信度。设计中采取的卫星差分定位系统及转发式目标模拟器均采用了小型化，模块化设计，在满足功能需求的同时减轻了重量，最大程度的提高了无人机的续航能力。本动态标校测试系统已结合某型号雷达进行了标校测试试验，顺利达到各项功能指标，效果令人满意。

参考文献

[1]姬新阳，高山，陈庆良，张海龙，宫福红，范志鹏.基于无人机GPS的测量雷达标校方法研究[J].火控雷达技术，2017，46（01）：73-78.

[2]李景秋，黄炜，王年发，关增社.基于旋翼无人机平台的动态RCS测量标校方法及应用[J].电光系统，2016（1）：61-63.

[3]孙军，孙保杰.RCS测量标校中采用无人机吊放标准球的解决方案研究[J].舰船电子对抗，2016，39（04）：19-24.

Abstract：Design the Dynamic calibration test system based on the unpiloted-airplane. This test system can meet the requirements of radar pitch angle calibration well.

Key words：repeater target array-simulator；differential satellite positioning system；dynamic calibration test system