炮位校射雷达技术的发展现状及趋势

杨恒飞张明刘爽

摘要：雷达目标模拟技术广泛应用于雷达研制、生产和日常训练维护，受技术条件限制，常规的目标模拟器只能模拟目标的径向运动，不能模拟目标的角度变化。以炮弹目标模拟器为例，介绍了基于无人机的炮位侦校雷达目标模拟器的工作原理，根据不同炮弹运动轨迹的特点，推算出对无人机位置变化的控制需求。文章对炮位校射雷达技术发展进行了研究分析，以供参考。

关键词：炮位；校射雷达；技术发展

1前言

炮位侦校雷达是现代陆军重要的战场情报侦察设备，在确定敌方炮位阵地及校正我方炮弹落点精确度等方面发挥着重要的作用。随着雷达技术的广泛使用，炮位侦校雷达在研制、生产、维护和日常训练中，均需采用雷达目标模拟器进行性能测试、故障诊断和操作员训练，传统的做法是在外场架设目标模拟阵列，通过控制目标回波信号的延时和多普勒以及阵列天线的辐射顺序，来模拟目标的运动轨迹。受空间位置的限制，该模拟器只能模拟单目标的飞行轨迹，难以实现同时多批次目标的模拟能力。随着无人机技术的发展，以及无人机高精度和快响应控制能力的大幅提升，将无人机应用到雷达目标模拟上来已成为可能，由无人机搭载小型雷达目标模拟器，通过控制无人机在空中按照一定航迹运动，模拟弹丸方位角和俯仰角的变化，结合模拟器对接收雷达信号的调制转发，可以实现高逼真的弹道轨迹模拟。

2工作原理

机载激光雷达技术已广泛应用于铁路勘测、地形测绘、电力工程等众多领域，主要通过有人机进行大范围的地形地貌数据采集，同时获取地表影像、激光雷达回波数据，结合机载GNSS数据、IMU惯导数据、基准站数据，得到融合解算后的高精度轨迹数据。由此与机载激光雷达数据进行融合解算，得到具有三维空间信息的点云数据，并通过专业软件进行点云数据滤波和分类，得到最终的目标三维数据。该方法能够快速获取大范围的地表高程数据，效率高，精度好，能够满足1∶2000及以下的地形图测绘需求。但也存在前期准备工作长、工序复杂，且设备昂贵等缺点，对飞行平台具有严格的技术要求。近几年随着无人机技术的长足发展及激光雷达小型化、轻量化的出现，给无人机机载激光雷达提供了良好的实践机遇，本文通过无人机机载激光雷达技术在电力工程的应用实践，分析其在电力工程中所能达到的精度及应用可行性，并结合工程实践，总结其应用技术要点，为今后无人机机载激光雷达技术在电力工程的应用提供借鉴意义模拟器工作时，接收天线接收雷达发射信号，经过变频模块下变频为中频信号，目标板根据设定的工作参数对输入中频信号经过采样和存储，经距离延时和多普勒调制后，由Ｄ／Ａ恢复为模拟中频信号，经上变频和幅度调制后注入或空馈给雷达接收机。本文重点研究基于无人机的炮弹目标逼真模拟技术，弹丸的距离、速度和雷达截面积（ＲＣＳ）由目标模拟电路完成，而空间位置变化需要精确控制无人机来实现。无人机载目标模拟器可以模拟各种炮弹的运动轨迹。以典型的榴弹炮为例，假设炮弹初速度为１０００ｍ／ｓ，最大射程为５０ｋｍ，弹道仰角范围为６°，雷达波束宽度为２.５°，测角精度为０.２５°，精确模拟一次弹道轨迹需要控制无人机位置变化大于４８次。如果一次弹道飞行时间５０ｓ，那么就要求无人机一次位置变化的控制时间小于１ｓ，这样就对无人机控制系统提出了挑战。

3无人机控制电路设计

3.1经典ＰＩＤ控制技术

主要包括位置控制器和姿态控制器。姿态控制确保无人机飞行的稳定性，位置控制确保无人机自主跟踪的准确性。传统的比例、积分和差分(PID)控制器由比例链路、积分链路和差分链路组成。比例链接只考虑当前偏差值，对系统偏差反应迅速;集成环节将考虑过去的偏差情况，对系统偏差进行集成，减少偏差的积累，提高对被测物体的控制精度;差异链接考虑了最近差异的演变，并预测了被测对象的未来变化趋势，以改善被测对象的动态性能指标。

3.1.1姿态控制器

姿态控制器采用级联PID控制策略。它分为内环和外环。内环为角速度控制环，外环为角控制环。引入角速度控制环可以提高无人机系统的稳健性，提高系统的动态性能。同时，来自外环出口的干扰起到了有效的抑制作用。

3.1.2位置控制器

位置控制器的电路图如图4所示。位置控制器分为一个水平控制通道和一个高度控制通道。水平控制通道首先确定实际水平位置和期望水平位置之间的差异。

3.2控制技术PID变域模糊

变域模糊PID控制技术对时变和非线性系统具有良好的控制效果，可缩短稳定时间，提高抗干扰能力。

4仿真分析

本文以四旋翼无人机为例，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍ－ｕｌｉｎｋ中搭建飞行控制系统的仿真模型，将系统各部分进行模块化处理，分别搭建串级ＰＩＤ控制模型、模糊ＰＩＤ控制模型和变论域模糊ＰＩＤ控制模型，进行仿真和分析。变论域自适应模糊ＰＩＤ控制算法具有上升时间短、超调量小、稳态时间短等优点，而且该控制算法具有很好的稳定性和鲁棒性。如果在炮弹目标模拟器中采用该控制算法，无人机位置控制精度和控制速率均能满足要求。

结语

针对阵列式炮位侦校雷达目标模拟器存在的问题，本文研究了基于无人机的雷达目标模拟器。小型雷达目标模拟电路可以安装在无人机上，接收的雷达辐射信号经过延时、多普勒和幅度调制，可模拟目标的距离和速度信息，目标的角度变化是通过获取目标的期望位置、控制无人机姿态使其朝着期望位置运动。为了精确模拟弹丸目标的运动轨迹，满足雷达测量需求，无人机控制系统的选择和控制参数的设计是模拟器的关键，要求无人机控制环路响应速度快、振荡幅度小、抗干扰能力强。本文研究了无人机控制系统的原理和算法，提出了基于变论域模糊ＰＩＤ控制技术，并与常规串级ＰＩＤ控制算法和模糊ＰＩＤ控制算法进行了对比，变论域模糊ＰＩＤ算法收敛速度更快，稳定性更好，超调量更小，能够大幅提高无人机的位置跟踪效果。同时，本文针对四旋翼无人机进行了建模仿真，仿真结果表明变论域模糊ＰＩＤ的控制算法不仅控制速度快，而且具有很好的鲁棒性和抗扰性。

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