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连续波雷达测距时差仿真分析
李华敏1，孙君亮1，于志贤1，保 俊2
（1.中国人民解放军91550部队，辽宁 大连116023；
2.中国西南电子技术研究所，四川 成都610036）
摘 要：本文根据连续波雷达精度校飞测距差分曲线的特点，提出了检查测距时间误差的仿真方法，检验了测距数据和采样时标对应关系；对测距采样时序进行分析，采取措施后提高了测距精度。
关键词：连续波雷达；精度校飞；时差；测距
Simulation and Analysis of CW Radar Ranging for Time Error
LI Hua-min1，SUN Jun-liang1，YU Zhi-xian1，BAO Jun2
(1. Unit 91550 of PLA，Dalian 116023，China；
2. Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：According to the characteristic of Continuous Wave(CW)radar ranging difference curve for accuracy calibration flight, a simulation method is proposed for examining time error.The simulation result verifies the time relation of the ranging and the sampling standard，and the data sampling order of the ranging is analysed.The accuracy of the ranging is improved after adopting the method.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：CW radar；Accuracy calibration flight；Time error；Ranging
一、引言
新研制的雷达进到靶场后，需要采用飞机校飞的方法，对雷达进行动态校飞试验验收。动态校飞试验主要包括性能校飞试验和精度校飞试验，其目的是对新研制的雷达性能、功能和测量精度进行近于实战情况下的测试和检验。在动态校飞试验中，一方面是要检查雷达各项性能指标和功能是否满足设计要求，同时考核雷达工作的稳定性和可靠性；另一方面是通过对动态校飞试验数据的处理，确定雷达实际测量精度。通过雷达性能校飞试验，能及时发现新研制雷达性能和功能存在的问题和不足，从而采取有效措施进行改进，使设备得到进一步完善；通过对雷达精度校飞试验数据分析，能发现雷达在设计和使用过程中存在的过失问题，可以通过消除设备内部、使用环节和试验环境等因素造成的影响，从而改善设备测量精度，同时也提高了靶场精度鉴定水平。
本文主要通过对新型连续波(CW)测量雷达在精度校飞试验中测距误差曲线的分析，发现雷达与比对标准在测距数据时间上存在着时差。用模拟仿真的方法对测距终端数据采样过程进行仿真检验，并从雷达测距数据形成的时序上分析了数据采样过程中时差因素的影响，提出了解决雷达测距时差问题的措施。
二、测距曲线分析
雷达动态校飞试验通常选定精度较高的测量设备作为试验的比对标准，如弹道相机、光电经纬仪和GPS等测量设备，在校飞飞机上安装相应的校飞设备，制定科学合理校飞试验航路。校飞试验中，被检验雷达和比对标准同时跟踪测量沿预定航路飞行的飞机，获取目标飞行的测量数据。用比对标准设备的测量数据作为被检验雷达的比对标准，通过校飞测量数据的比较达到检验雷达性能和功能、鉴定设备测量精度的目的。
在连续波测量雷达精度校飞中，采用GPS测量系统作为检验比对标准，通过对两者测量数据的比对得出雷达相对GPS系统的测量误差数据。从精度校飞试验中获得的雷达测量误差数据，不仅反映出雷达的精度范围，同时也反映出试验环境、比对标准系统等方面对精度校飞的影响。通过对校飞测量误差数据分析，可以及时发现设备存在的问题，消除各种因素造成的影响。然而，找到和分离出影响雷达测量精度因素的工作是十分复杂的，仅就雷达设备本身而言，影响测量精度的环节就很多，特别是当雷达测量精度比较高时，鉴定方法和校飞环境以及雷达设备某些微小的差错都会对测量精度造成很大的影响。某些过失因素所引起的误差影响，在静态检测过程中不易被发现，只有在动态试验中方能显露出来，如测距终端中的测距音码失配、采样时延等，而这些因素引起的误差往往对雷达测量精度有较严重的影响。
在连续波雷达精度校飞试验中，GPS测量系统作为精度校飞试验比对标准。GPS测量系统由安装在飞机上2套GPS接收机和地面5套GPS基准站组成。GPS测量系统实时获取飞机在地心坐标系的飞行位置数据，事后数据比对处理时，转换为以雷达天线机械轴的交点为原点的测量坐标系数据。飞机在试验航路上匀速直线飞行，试验考核航路长为120 km，飞机速度600 km/h，雷达站设在试验航路的侧面。
连续波测量雷达跟踪测量目标首先使天线波束截获目标，并迅速完成角度自动跟踪、上下信道锁定，进而实现对目标的测量。雷达发射机发出的上行测距信号，目标上应答机接收后把测距信号调制转发到下行信号中，雷达接收机从应答机的下行信号中解调出目标测距信号送到测距终端，测距终端在时序信号控制下，完成目标测距数据形成工作，通过数据总线把测距数据传送给数据处理分系统。测距终端是在统一时间标准下工作的，数据处理分系统实时接收和记录测量数据与采样时刻一一对应，每组的测量数据都打有时间标记。雷达和GPS测量系统都采用GPS标准时间，同时测量在试验航路飞行的飞机，两者对飞机测量是相互独立，各自所测得数据是不相关的，两者的测量数据在测量坐标系进行比对得到了雷达测量误差数据。图1是飞机在试验航路往返飞行过程中雷达测距曲线和雷达与GPS比对差分曲线。
飞机不论从那个方向进入试验航路，与雷达之间的距离都由远至近，过航捷点后又由近变远。图中R曲线是雷达的测距值曲线，dR曲线是雷达测距数据与GPS测量数据反算到测量坐标系下的比对差分曲线。从飞机两个航向dR曲线可以看到，每次在航捷点附近误差曲线基本相同，测距误差曲线都呈S型变化。地面雷达测得目标距离值R曲线近似抛物线，而GPS测量系统测得飞机位置数据换算成雷达站到目标的距离数据绘制的曲线也近似抛物线。由于两者测量精度相近，若两个测量系统时间一致没有时差的话，那么两者的距离曲线基本吻合，差分曲线应该是一条在设备零值上变化的比较平坦误差曲线。从图1可以看到dR曲线呈S型变化，从数学分析的角度分析，dR曲线类似两条相同抛物线在横轴方向相互错位的相差曲线，因此GPS测量系统与雷达站在距离数据存在固定时差。采用数据处理方法将雷达测距数据在时间轴平移比较后，发现雷达的测距数据比GPS测量系统测距数据时延了25 ms，恰好落后一个采样周期。
三、测距模拟仿真分析
为了验证对精度校飞数据分析的正确性，采用仿真的方法对测距终端数据形成过程进行模拟仿真分析。雷达测距终端是通过对收、发信号相位的比较，得到信号往返的相位差，进而获得目标的距离值。测距终端是在系统时序信号控制下工作的，采样信号与系统时序信号有同步关系。测距数据采样电路如图2所示。IN1端送入是接收机从下行信号解调出的测距信号相位值，IN2端送入是发射上行的测距信号的相位初值，两者相位值之差是信号到目标往返的相位延迟，通过相位延迟值的计算可以求出目标距离值。IN1、IN2端相位数据在采样信号控制下分别送到寄存器A、B中，运算器对寄存器A、B送来的相位值进行减法运算，数值送到寄存器C中。寄存器C在采样信号控制下，把运算器产生的数据送到总线，等待数据处理单元录取，完成一次测距工作。
测距时差检验方法是用一个循环计数器的输出值仿真目标返回信号的相位值，送入测距数据采样电路的IN1端。为便于分析问题把IN2端置为零，这样寄存器A、运算器和寄存器C输出值应该相同。通过比较计数器输出值和寄存器C输出值是否相同，判别是否存在采样时差。计数器仿真测距数据产生是以时频终端送来的时统信号作为基准，以时频终端的秒始信号作为计数的起始及清零控制信号。计数器设置为循环计数器，计时频终端1 MHz信号的个数，产生周期为1 s的斜坡信号。计数器输出值与采样时间有对应关系，通过比较计数器和寄存器C输出值可以推算出时差值。计数器是以秒始信号作为记数的起始，在秒起始0时刻测距单元上报的距离数据应为0，依次每采样时刻计数器输出值是斜坡函数关系，即是时标函数。寄存器C收到是计数器通过寄存器A、运算器送来的数据，因此它的输出值也是呈斜坡规律变化。那么将此已知规律的数据与时标函数值进行对比，就可以检测出测距数据形成时间准确度。如果在测距数据形成和上报过程，硬件或软件的时序设计上存在错误，距离值和采样时刻就对不齐，数据会出现滞后或超前现象。图3是数据采样仿真结果曲线。图中的实线是计数器送入IN1端的仿真相位值，虚线是寄存器C送到总线测距数据仿真结果。从仿真结果中可以看到，寄存器C的输出值落后于计数器输出值25 ms，证明测距数据形成过程中存在时差。
从测距数据形成的时序关系进行分析其原因，测距数据产生过程是在采样信号上升沿到来时，将IN1、IN2端相位值分别在A、B寄存器锁存送入运算器，在运算器中形成相位差值送到C寄存器。寄存器C在采样信号控制下，将运算器数据锁存到数据总线d端等待录取，时序如图4所示。从时序信号逻辑关系可以看到，送入b点的采样信号总超前a点一个10.7 MHz的周期。在b点采样信号上升沿到来时，寄存器C将运算器送来的数据输出锁存到总线上，一直保持到下一次采样信号到来之前。由于b点采样信号总超前a点，这样在寄存器A、B接收新数据前，寄存器C已经开始输出数据到总线上，送到总线数据是运算器上次采样时刻形成的数据。而寄存器A、B是在a点采样信号的上升沿到来时，才能在运算器形成新的测距数据，按照这种工作时序只能在下一个采样信号上升沿到来时，才能将本次形成的数据送到总线d点。因此，就造成送到总线的数据总是上一个采样时刻形成的数据，从而致使上报数据滞后一个采样周期25 ms。
从总线读取数据是在40 Hz采样信号前沿后若干10.7 MHz时钟信号周期后才进行的，现将送入b点的控制信号用10.7 MHz时钟信号代替，这样相当于寄存器C的输出在25 ms时间内得到多次刷新。除第一个10.7 MHz时钟信号周期内寄存器C输出是上次采样数据外，其余时间至下一次采样信号到来，寄存器C输出一直保持本次采样的数据，因此，测距终端形成的测距数据就是当时采样时刻产生的数据。图5是测距采样电路改进后校飞试验的测距差分曲线。
四、结束语
精度校飞不仅是为了检验雷达测量精度，更重要的是要消除某些影响测量精度的因素，从而提高雷达测量精度。实战中雷达的测量数据实时传送到指控中心计算机作为处理及显示的信息源，同时也作为其它设备的引导数据源。测量数据必须真实反映每一时刻的目标运动特性，否则会对整个测控系统产生较大影响，因此消除各种因素造成的误差是精度校飞试验中一项重要工作。
参考文献
［1］黄学德，成求青.导弹测控系统［M］.北京：国防工业出版社，2002.
［2］李华敏.雷达低角跟踪分析与探讨［J］.电讯技术,2002,42(1).
［3］楼宇希.雷达精度分析［M］.北京：国防工业出版社，1979. |
