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1、(10)申请公布号 CN 102221688 A (43)申请公布日 2011.10.19 CN 102221688 A *CN102221688A* (21)申请号 201110071400.8 (22)申请日 2011.03.24 G01S 7/40(2006.01) (71)申请人 中国船舶重工集团公司第七九研 究所 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 718 号 (72)发明人 刘颢 肖厚 陈世友 许治华 (74)专利代理机构 武汉金堂专利事务所 42212 代理人 胡清堂 (54) 发明名称 一种雷达系统误差估计方法 (57) 摘要 一种雷达系统误差估计方法， 其步骤如下 。
2、： (1) 网格划分 ； (2) 节点数据集划分 ； (3) 接收目 标数据 ； (4) 判定收到的数据种类 ； (5) 存储收到 的雷达量测数据 ； (6) 判定高精度信源数据是否 存在对应的雷达目标批号 ； (7) 时间配准 ； (8) 计 算新的雷达系统误差及其方差 ； (9) 查找新数据 对隶属的节点 ； (10) 新数据对隶属的节点集合是 否为空 ； (11) 计算节点处雷达系统误差 ； (12) 计 算网格系统误差函数 ； (13) 计算待估计区域系统 误差。其优点在于 ： 由数据驱动的系统误差估计 方法克服了雷达系统误差模型复杂， 难于建立的 困难， 采用数值方法得到系统误差的区。
3、域分布， 提 高了估计精度 ； 采用网格节点迭代计算与网格双 线性函数插值， 计算量小、 工程实施方便 ； 本发明 可以用于岸基系统的雷达系统误差校准。 (51)Int.Cl. (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 4 页 说明书 8 页 附图 2 页 CN 102221699 A1/4 页 2 1. 一种雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 其步骤如下 ： 第 1 步网格划分 ； 第 2 步节点数据集划分 ； 第 3 步接收目标数据 ； 第4步判定收到的数据种类 ： 收到的如果是雷达量测数据则执行第5步， 如果是高精度 信源数据则执行第 6 步 ； 第 5。
4、 步 存储收到的雷达量测数据 ； 第 6 步判定高精度信源数据是否存在对应的雷达目标批号 ： 查找目标批号对照表， 如 果找到第 3 步收到的高精度信源数据对应的雷达目标批号， 则记录此目标批号， 执行第 7 步， 否则返回第 3 步 ； 第 7 步时间配准 ； 第 8 步 计算新的雷达系统误差及其方差 ； 第 9 步查找新数据对隶属的节点 ； 第 10 步判定新数据对隶属的节点集合是否为空 ： 如果第 9 步得到的节点集合不为空， 则执行第 11 步， 否则返回第 3 步 ； 第 11 步 计算节点处雷达系统误差 ； 第 12 步计算网格系统误差函数 ； 第 13 步计算待估计区域系统误差。。
5、 2. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 1 步网格划 分包括 ： 划定一块扇形区域 覆 盖待估计系统误差的区域 ； 的距离范围是， 其中距离指到雷达的 距离，为最小距离、为最大距离， 的方位角范围是， 其中 ， 表示与正北所成的角度 ； 取， 将距离范围划分为份， 取 ， 将方位角范围划分为份 ； 网格的顶点称为节点， 记到雷达 距离为， 与正北所成方位为的节点为， 存储所有节点， 网格以其左上角的节点标号 作为自己的标号， 如左上角为的网格记为， 存储所有的网格。 3. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 2 步节点。
6、数据 集划分包括 ： 设定每个节点的支撑数据集划分方法 ； 数据对是指时间配准后的高精度信源 数据与雷达量测数据组成的对， 通过划分方法判定数据对是否对的系统误差计算有贡 献 ； 划分方法为 ： 数据对中的两个数据均满足与的距离差不超过， 与的方位角差 不超过， 则属于节点的支撑数据集， 其中，。 4. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 3 步接收目标 数据包括 ： 接收雷达量测数据、 高精度信源数据 ； 其中， 雷达量测数据指待估计系统误差的 雷达探测到的目标数据， 高精度信源数据指目标自身携带的高精度定位设备， 如 GPS 上报 的数据， 或高精度雷达。
7、探测到的目标数据， 如导航雷达、 相控阵雷达。 权 利 要 求 书 CN 102221688 A CN 102221699 A2/4 页 3 5. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 7 步时间配 准包括 ： 数据的时刻是指该数据的产生时刻， 记第 6 步中被判定的高精度信源数据时刻 为， 找到目标批号索引的雷达量测数据中， 时刻与相差最小的雷达量测数据， 记为 ， 其中 为数据的时刻 ； 将第 6 步中被判定的高精度信源数据对准到 时刻， 一般可以 利用其速度进行外推或二点线性插值求得 ； 将对准后的高精度信源数据转换到雷达量测 坐标系， 与组成数据对 ；。
8、 存储并记雷达目标批号在 时刻的数据对为， 高精 度信源数据， 方差为， 雷达量测数据， 方差为 ； 其中、取雷达标称精度 （RMS） ，、由高精度信源标称精度 （RMS） 转至雷达量测坐标系求得 ； 记对准后的高精度信源数据在坐标系中的矢量表示为 ， 方差矩阵为， 在雷达量测坐标系中的矢量表示为， 方差矩阵为， 其中为高 精度信源标称精度 （RMS） 的平方作为对角线元素形成的对角阵 ； 记坐标系到坐标系的 矢量转换函数为， 即， 那么， 其中为函数在 处的雅可比矩阵，为它的转置矩阵，、取中对应的对角线元素开方 可得。 6. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所。
9、述第 8 步计算新的 雷达系统误差及其方差包括 ： 由第 7 步得到的数据对计算得 ： ， ， 其中为新雷达距离系统误差，为的方差，为新雷达方位系统误差， 为的方差。 7. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 9 步查找新数 据对隶属的节点包括 ： 遍历第 1 步存储的节点， 按第 2 步设定的支撑数据集划分方法， 判定 第 7 步得到的数据对是否属于其支撑数据集， 如果属于则记录此节点， 最后存储记录的节 点集合。 8. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 11 步计算节 点处雷达系统误差包括 ： 对第 9 步得到的节点。
10、集合中每一个节点计算系统误差 ： 假设节点 处的距离系统误差为， 方差为， 距离系统误差为， 方差为， 如果此节 点未计算过系统误差则直接赋值，； 否则按 如下公式迭代计算一次 ： 权 利 要 求 书 CN 102221688 A CN 102221699 A3/4 页 4 其中为距离系统误差新的迭代值，为的方差，为方位系统误差新的 迭代值，为的方差 ； 存储迭代计算后的新误差及方差值 ： 。 9. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 12 步计算网格 系统误差函数包括 ： 首先遍历第 9 步找到的节点集合， 找到所有以此集合中节点为顶点的 网格集合， 然后。
11、遍历此网格集合， 记其中的网格内的系统误差函数为， ， 其中为网格内一点到雷达的距离， 为此点方位， 将网格按照估计出系统误差的顶 点数分类， 当顶点数为 0 时， 此网格系统误差未知， 标记系统误差函数不存在 ； 当仅有一个 时， 此网格的系统误差； 当有两个顶 点，时，； 当有三个顶点， 时，； 当四个顶点均有估计值时， 采用拉格朗日双线性 插值多项式对四个顶点插值得到网格系统误差函数， 其中表 权 利 要 求 书 CN 102221688 A CN 102221699 A4/4 页 5 示网格内的距离系统误差插值函数，表示网格内的方位系统误差插值函数， 将后四种情况得到的函数存储于网格。。
12、 10. 根据权利要求 1 所述的雷达系统误差估计方法， 其特征在于 ： 所述第 13 步计算待 估计区域系统误差包括 ： 1) 输入区域坐标 输入区域中待估计点的坐标， 记为， 其中为此点到雷达的距离， 为此点方 位， 即雷达到此点的矢量与正北所成角度 ； 2) 判定系统误差函数是否存在 查找此点所属的网格， 如果此网格的系统误差函数存在， 执行 (13.3)， 反之执行 (13.4) ； 3) 输出系统误差值 将 (13.1) 输入的代入 (13.2) 找到的网格的系统误差函数， 计算并输出系统误 差值 ； 4) 输出系统误差未知。 权 利 要 求 书 CN 102221688 A CN 。
13、102221699 A1/8 页 6 一种雷达系统误差估计方法 技术领域 0001 本发明涉及一种雷达系统误差估计方法， 是一种利用高精度信源数据进行雷达系 统误差估计的方法， 用于雷达、 主动声纳、 光电一体化设备等二 / 三维探测数据进行系统误 差估计和校准， 属于目标跟踪或多传感器数据融合技术领域。 背景技术 0002 现代跟踪与监视系统大都采用多部雷达融合跟踪以改善性能， 得到更精确的目标 航迹， 然而实际上融合后航迹往往达不到理论精度， 其中一个主要原因就是多雷达之间的 误差配准问题还没有完全解决。 多雷达误差配准包括系统误差估计、 误差修正等步骤， 其中 的关键环节是系统误差估计。。
14、 0003 雷达系统误差估计主要包括两类方法， 一类是利用两部雷达数据估计双 方的系统误差， 另一类是利用一部雷达与一部高精度信源的数据估计雷达的系统误差， 一 般后一类方法得到的结果更加稳定。实际使用中， 雷达可以方便的利用海上监视时接收到 的 AIS 信息或者使用协作目标上报的 GPS 信息进行系统误差估计。 0004 系统误差产生的原因十分复杂， 包括雷达转轴偏移、 安装平台倾斜、 内部电器元件 老化及电磁环境影响等， 造成其大小随着距离和方位的不同而变化。现有的系统误差估计 方法， 如实时质量控制法、 极大似然法、 最小二乘法或广义最小二乘法等， 均认为系统误差 是一个全探测区域的常值。
15、函数， 造成大多数情况下系统误差校准效果不理想。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种有高精度信源的雷达系统误差估计方法。 该方法针对 现有技术的不足， 提供一种基于迭代计算的系统误差估计技术， 该技术利用网格节点迭代 计算及双线性插值技术得到雷达系统误差分布。 0006 目标航迹是指由同一个传感器探测到的属于同一个目标的量测数据形成的序列。 传感器， 如雷达或高精度信源， 对其上报的目标航迹进行编号， 称此编号为目标批号， 每一 条目标航迹对应一个目标批号。 数据关联是指利用雷达和高精度信源上报的航迹数据判定 二者分别上报的目标航迹是否属于同一目标。如果属于同一目标， 则这两条目标航。
16、迹的目 标批号构成目标批号对。目标跟踪或数据融合系统对雷达和高精度信源进行数据关联， 将 得到的目标批号对存储为表， 称为目标批号对照表。 在执行本发明步骤前， 系统已进行了数 据关联， 形成了雷达与高精度信源之间的目标批号对照表。本发明提供的雷达系统误差估 计方法， 其步骤如下 ： 第 1 步网格划分 划定一块扇形区域 覆盖 待估计系统误差的区域 ； 的距离范围是， 其中距离指到雷达的距 离，为最小距离、为最大距离， 的方位角范围是， 其中， 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A2/8 页 7 表示与正北所成的角度 ； 取， 将距离范围划分为份， 取 ， 将。
17、方位角范围划分为份 ； 网格的顶点称为节点， 记到雷达 距离为， 与正北所成方位为的节点为， 存储所有节点， 网格以其左上角的节点标号 作为自己的标号， 如左上角为的网格记为， 存储所有的网格 ； 第 2 步节点数据集划分 设定每个节点的支撑数据集划分方法 ； 数据对是指时间配准后的高精度信源数据与雷 达量测数据组成的对， 通过划分方法判定数据对是否对的系统误差计算有贡献 ； 划分方 法为 ： 数据对中的两个数据均满足与的距离差不超过， 与的方位角差不超过， 则属于节点的支撑数据集， 其中，； 第 3 步接收目标数据 接收雷达量测数据、 高精度信源数据 ； 其中， 雷达量测数据指待估计系统误差。
18、的雷达探 测到的目标数据， 高精度信源数据指目标自身携带的高精度定位设备， 如 GPS 上报的数据， 或高精度雷达探测到的目标数据， 如导航雷达、 相控阵雷达 ； 第 4 步判定收到的数据种类 收到的如果是雷达量测数据则执行第 5 步， 如果是高精度信源数据则执行第 6 步 ； 第 5 步 存储收到的雷达量测数据 存储收到的雷达量测数据， 按雷达上报的目标批号编制索引， 返回第 3 步 ； 第 6 步判定高精度信源数据是否存在对应的雷达目标批号 查找目标批号对照表， 如果找到第 3 步收到的高精度信源数据对应的雷达目标批号， 则记录此目标批号为， 执行第 7 步， 否则返回第 3 步 ； 第 。
19、7 步时间配准 数据的时刻是指该数据的产生时刻， 记第 6 步中被判定的高精度信源数据时刻为 ， 找到目标批号索引的雷达量测数据中， 时刻与相差最小的雷达量测数据， 记为， 其中 为数据的时刻 ； 将第 6 步中被判定的高精度信源数据对准到 时刻， 一般可以利用 其速度进行外推或二点线性插值求得 ； 将对准后的高精度信源数据转换到雷达量测坐 标系， 与组成数据对 ； 存储并记雷达目标批号在 时刻的数据对为， 高精度 信源数据， 方差为， 雷达量测数据， 方差为 ； 其中、取雷达标称精度 （RMS） ，、由高精度信源标称精度 （RMS） 转至雷达量测坐标系求得 ； 记对准后的高精度信源数据在坐标。
20、系中的矢量表示为 ， 方差矩阵为， 在雷达量测坐标系中的矢量表示为， 方差矩阵为， 其中为高 精度信源标称精度 （RMS） 的平方作为对角线元素形成的对角阵 ； 记坐标系到坐标系的 矢量转换函数为， 即， 那么， 其中为函数在 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A3/8 页 8 处的雅可比矩阵，为它的转置矩阵，、取中对应的对角线元素开方 可得 ； 第 8 步 计算新的雷达系统误差及其方差 由第 7 步得到的数据对计算得 ： ， ， 其中为新雷达距离系统误差，为的方差，为新雷达方位系统误差， 为的方差 ； 第 9 步查找新数据对隶属的节点 遍历第 1 步存储的节。
21、点， 按第 2 步设定的支撑数据集划分方法， 判定第 7 步得到的数据 对是否属于其支撑数据集， 如果属于则记录此节点， 最后存储记录的节点集合 ； 第 10 步判定新数据对隶属的节点集合是否为空 如果第 9 步得到的节点集合不为空， 则执行第 11 步， 否则返回第 3 步 ； 第 11 步 计算节点处雷达系统误差 对第 9 步得到的节点集合中每一个节点计算系统误差 ： 假设节点处的距离系统误 差为， 方差为， 距离系统误差为， 方差为， 如果此节点未计算过系统误差 则直接赋值，； 否则按如下公式迭代计算一 次 ： 其中为距离系统误差新的迭代值，为的方差，为方位系统误差新的 迭代值，为的方差。
22、 ； 存储迭代计算后的新误差及方差值 ： 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A4/8 页 9 第 12 步计算网格系统误差函数 首先遍历第 9 步找到的节点集合， 找到所有以此集合中节点为顶点的网格集合， 然后 遍历此网格集合， 记其中的网格内的系统误差函数为， 其中为网格 内一点到雷达的距离， 为此点方位， 将网格按照估计出系统误差的顶点数分类， 当顶 点数为 0 时， 此网格系统误差未知， 标记系统误差函数不存在 ； 当仅有一个时， 此网格 的系统误差； 当有两个顶点，时， ； 当有三个顶点，时， ； 当四个顶点均有估计值时， 采用拉格朗日双线性 插值多项。
23、式对四个顶点插值得到网格系统误差函数， 其中表 示网格内的距离系统误差插值函数，表示网格内的方位系统误差插值函数， 将后四种情况得到的函数存储于网格； 第 13 步计算待估计区域系统误差 13.1 输入区域坐标 输入区域中待估计点的坐标， 记为， 其中为此点到雷达的距离， 为此点方 位， 即雷达到此点的矢量与正北所成角度 ； 13.2 判定系统误差函数是否存在 查找此点所属的网格， 如果此网格的系统误差函数存在， 执行 13.3， 反之执行 13.4 ； 13.3 输出系统误差值 将 13.1 输入的代入 13.2 找到的网格的系统误差函数， 计算并输出系统误差值 ； 13.4 输出系统误差未。
24、知。 0007 具体而言， 本发明方法具有以下特点 ： （1） 由数据驱动的系统误差估计方法克服了雷达系统误差模型复杂， 难于建立的困难， 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A5/8 页 10 采用数值方法得到系统误差的区域分布， 提高了估计精度。 0008 （2） 采用网格节点迭代计算与网格双线性函数插值， 计算量小、 工程实施方便。 附图说明 0009 图 1 是本发明提供的雷达系统误差估计方法流程图 ； 图 2 是本发明提供的雷达系统误差估计方法第 13 步流程图。 具体实施方式 0010 下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。 0011 本发明。
25、是一种基于协作目标信源的系统误差估计方法， 图 1 给出的是系统误差估 计方法流程图， 在本发明的一个实施例中， 采用本发明中的雷达系统误差估计方法， 利用民 船上报的 AIS 数据与两座标雷达 A 对民船的探测数据， 及二者之间的目标批号对照表， 进 行系统误差估计。其中， 待估计区域为以雷达为中心， 距离范围 40120 公里， 方位角范围 30210 度的扇形区域， 单位统一为国际单位制。对应图 1 所示的流程图， 具体实施步骤如 下 ： 第 1 步网格划分 采用等分法， 将距离范围等分为份， 将方位角范围等分为份， 将待估计区域划 为网格 ； 网格的顶点称为节点， 记到雷达距离为公里，。
26、 与正北所成方位为 度的节点为， 其中， 存储所有节点 ； 网格以其左上角的节 点标号作为自己的标号， 如左上角为的网格记为， 存储所有的网格。 0012 第 2 步节点数据集划分 设定每个节点的支撑数据集的划分方法为 ： 数据对中的两个数据均满足与的距离差 不超过 16 公里， 与的方位角差不超过 18 度， 则属于节点的支撑数据集， 反之不属于 ； 第 3 步接收目标数据 接收雷达 A 量测数据、 AIS 数据 ； 第 4 步判定收到的数据种类 收到的如果是雷达 A 量测数据则执行第 5 步， 如果是 AIS 数据则执行第 6 步 ； 第 5 步 存储收到的雷达量测数据 存储收到的雷达 A。
27、 量测数据， 按雷达上报的目标批号编制索引， 返回第 3 步 ； 第 6 步判定高精度信源数据是否存在对应的雷达目标批号 查找目标批号对照表， 如果找到第3步收到的AIS数据对应的雷达目标批号， 则记录此 目标批号为， 执行第 7 步， 否则返回第 3 步 ； 第 7 步时间配准 记第 6 步中被判定的 AIS 数据的时刻为， 找到目标批号索引的雷达 A 量测数据 中， 时刻与相差最小的雷达量测数据， 记为， 其中 为数据的时刻。将第 6 步中被判定 的 AIS 数据对准到 时刻， 一般可以利用其速度进行外推或二点线性插值求得 ； 将对准后的 说 明 书 CN 102221688 A CN 1。
28、02221699 A6/8 页 11 AIS 数据转换到雷达 A 量测坐标系， 与组成数据对 ； 记雷达目标批号在 时刻的数据对 为， AIS 数据， 方差为， 雷达 A 量测数据 ， 方差为； 其中、取雷达A标称精度 （RMS） ，、由AIS标称精 度 （RMS） 转至雷达A量测坐标系求得 ； 目标当地地理坐标系为， 以为 原点， 以东北天为坐标轴的直角坐标系， 其中为 AIS 上报经度，为 AIS 上报纬 度，为 AIS 上报高度或 0 （船在海面行驶海拔高度为 0） ； 对准后的 AIS 数据在坐标系 中的矢量表示为， 方差矩阵为， 在雷达 A 量测坐标系中的矢量表示为， 方差矩阵 为，。
29、 这里取 AIS 精度为 10 米，； 记坐标系到坐标系的矢量转换 函数为， 即， 那么， 其中为函数在处的 雅可比矩阵，为它的转置矩阵 ； 记， 则、； 第 8 步 计算新的雷达系统误差及其方差 由第 7 步得到的数据对计算得 ： ， ， 其中为新雷达距离系统误差，为的方差，为新雷达方位系统误差， 为的方差 ； 第 9 步查找新数据对隶属的节点 遍历第 1 步存储的所有节点， 按第 2 步设定的支撑数据集的划分方法检查第 7 步得到 的数据对是否属于其支撑数据集， 如果属于则记录此节点， 存储记录的节点集合 ； 第 10 步判定新数据对隶属的节点集合是否为空 如果第 9 步存储的节点集合不为。
30、空， 则执行第 11 步， 否则返回第 3 步 ； 第 11 步 计算节点处雷达系统误差 对第 9 步得到的节点集合中每一个节点计算系统误差 ： 假设节点处的距离系统误 差为， 方差为， 距离系统误差为， 方差为， 如果此节点未计算过系统误差 则直接赋值，； 否则按如下公式迭代计算一 次 ： 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A7/8 页 12 其中为距离系统误差新的迭代值，为的方差，为方位系统误差新的 迭代值，为的方差 ； 存储迭代计算后的新误差及方差值 ： 第 12 步计算网格系统误差函数 首先遍历第 9 步找到的节点集合， 找到所有以此集合中节点为顶点的。
31、网格集合， 然后 遍历此网格集合， 记其中的网格内的系统误差函数为， 其中为网格 内一点到雷达的距离， 为此点方位， 将网格按照估计出系统误差的顶点数分类， 当顶 点数为 0 时， 此网格系统误差未知， 标记系统误差函数不存在 ； 当仅有一个时， 此网格 的系统误差； 当有两个顶点，时， ； 当有三个顶点，时，； 当四个顶点 均有估计值时， 采用拉格朗日双线性插值多项式对四个顶点插值得到网格系统误差函数 ， 其中表示网格内的距离系统误差插值函数，表示 网格内的方位系统误差插值函数， 将后四种情况得到的函数存储于网格； 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A8/8。
32、 页 13 第 13 步计算待估计区域系统误差 13.1 输入区域坐标 输入区域中待估计点的坐标， 记为， 其中为此点到雷达的距离， 为此点方 位， 即雷达到此点的矢量与正北所成角度 ； 13.2 判定系统误差函数是否存在 查找此点所属的网格， 如果此网格的系统误差函数存在， 执行 13.3， 反之执行 13.4 ； 13.3 输出系统误差值 将代入 13.2 找到的网格的系统误差函数， 计算并输出系统误差值 ； 13.4 输出系统误差未知。 0013 采用一批数据计算得到节点系统误差表如下， 其中距离系统误差的单位为米， 方 位系统误差的单位为度 ： 表 1 距离系统误差表 表 2 方位系统误差表 本发明不仅局限上述具体实施方式， 本领域技术人员根据本发明公开的内容， 可以采 用其他多种具体实施方式实施本发明。 说 明 书 CN 102221688 A CN 102221699 A1/2 页 14 图 1 说 明 书 附 图 CN 102221688 A CN 102221699 A2/2 页 15 图 2 说 明 书 附 图 CN 102221688 A 。