一种舰载电子侦察设备的快速高精度姿态补偿方法与流程

本发明属于电子对抗领域中电子侦察信号处理技术，特别是一种用于舰载精确且快速的姿态补偿方法。

背景技术：

舰载电子侦察设备在侦收外部信号时，测向精度以及对信号的测量延时是两个关键指标。由于电子侦察设备受海上会发生横摇、纵摇和航向的改变，以及自身阵面安装角因素的影响，这些参数的变化会时刻影响侦察设备波束指向的变化，从而影响测向性能。因此需要实时对数字波束的指向进行修正减少舰船摇摆等参数对测向精度的影响。在电子侦察领域中，由于对接收的延时性能要求较高，一般在宽带数字接收机中的fpga内完成姿态补偿的运算。姿态补偿运算一般分为三分部分进行：首先将测向得到的方位俯仰参数(相对于阵面坐标)进行阵面至舰船甲板坐标的坐标变换，接着进行甲板至大地坐标的变换，最后再考虑航向的变换转化至真实的地理坐标，图1给出了一般接收机姿态补偿计算的原理图。dsp通过参数接收及转发模块接收主控送来，包括航向、纵横摇以及安装角等姿态参数，然后将这些参数通过传输通道发送至fpga。在fpga内，需要进行数组定点运算，每次定点运算后均需要对结果截位，这种方法导致了精度较大程度的下降。

文献(吴永刚.某船用伺服系统稳定补偿的方法[j].水雷战与舰船防护,2016,vol24,no.2:23-27)介绍了一种结合纵横摇和航向数据对发射角度进行补偿的方法,推导建立了姿态变化方程。该方法也可为车载武器伺服系统的姿态补偿实现提供理论依据。一种舰船纵横摇综合矢量坐标变换天线波束指向修正方法(201410704439.2)针对舰船摇摆以及天线姿态对天线波束指向影响的问题，通过建立天线波束指向与天线姿态、舰船纵横摇之间关系的数学模型，能够快速将天线坐标系下的波束指向修正到大地坐标系中的波束指向)。文献(曹正才.舰载雷达常用稳定方式坐标变换[j].雷达与对抗，2010，30(1)：47-52)推导出了舰船电子稳定补偿公式。通过查阅文献可以发现研究人员大多关注于舰载坐标变换的理论推导，而对推导后的公式如何实现以及在何种计算平台的实现方式并未做说明。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明提出一种用于舰船电子侦察领域的同时具备低延时和转换精度高等特点的坐标变换补偿方法，解决了舰载平台在纵摇以及横摇的影响下，将测向结果由阵面坐标转换至地理坐标的问题，相比较于现有技术，提升了舰载的电子侦察信号的姿态补偿变换精度。

实现本发明目的的技术解决方案如下：一种用于舰载电子侦察设备的快速高精度姿态补偿方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定阵面坐标系至舰船地理坐标系变换所需要的参数：

(1)从测向模块获得的信号相对于阵面的俯仰角eoa以及方位角aoa；

(2)阵面的安装方位角a_pos以及安装俯仰角a_pit；

(3)舰船的纵摇角b_pit和横摇角b_pos；

(4)舰船航向h。

步骤二：对于从阵面坐标转为甲板坐标变换的中间系数coef0，在dsp中的mult0模块中进行计算获得，计算时执行以下的浮点运算；

步骤三：对于从甲板坐标转为地理坐标的中间系数coef1，在dsp中mult1模块中中进行运算获得，计算时执行以下的浮点运算；

步骤四：对航向的系数coef2，在dsp中mult2模块中运算获得，运算时执行以下的浮点运算：

步骤五：在mult3模块中将步骤至步骤四得到的coef0，coef1和coef2进行合并运算，该合并运算为浮点乘法，结果记为coef3：

步骤六：将步骤五产生的中间量coef3中的9个系数进行浮点转定点运算，然后通过传输通道发送至fpga，并在fpga中完成后续所需的运算；

步骤七：在fpga中，对俯仰角eoa和方位角aoa做如下的定点运算，获得中间量xcoef：

步骤八：在fpga中，将中间量coef3与中间量xcoef进行矩阵与向量的定点乘法运算，获得中间量coef：

其中，y0、y1以及y2为定点乘法运算后获得的三个向量。

步骤九：根据步骤八得到的中间量coef可以求出经过姿态补偿后的相对于地理坐标的信号方位aoa_real和俯仰角eoa_real，这里atan为查表求得的反正切函数，asin为查表求得的反正旋函数。

本发明与现有技术方法相比，其具有如下的有点：

(1)本发明通过研究舰载电子侦察常用的坐标变换，通过拆解姿态补偿方程，将其分为两个部分，一部分在dsp中运算，另一部分在fpga内中计算，解决了相对于阵面坐标的信号方位和俯仰转换至地理坐标的问题。

(2)本发明将姿态补偿运算的部分左边变换过程在dsp中进行运算，由于dsp运算可以使用其浮点数运算的特性，保证了经过四组矩阵乘法后，仍然具备极高的数据精度以及极大的动态范围。

(3)在fpga内由阵面坐标信号转换至地理坐标，一共需要做4次查表运算，9次乘法运算以及13次截位运算，相比较与现有的技术方案(14次查表运算，71次乘法运算以及85次截位运算)，有计算精度上有较大的提高。

(4)本发明简单易行，操作简单，在解决了相对于阵面坐标的信号方位和俯仰转换至地理坐标问题的基础上，同时具备延时低以及转换精度高等特点。

附图说明

图1是现有技术中一般接收机姿态补偿计算的原理图。

图2是本发明舰载电子侦察设备的快速高精度姿态补偿方法的流程图

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明所述的用于舰载电子侦察设备的快速高精度姿态补偿方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定阵面坐标系至舰船地理坐标系变换所需要的参数：

(1)从测向模块获得的信号相对于阵面的俯仰角eoa以及方位角aoa；

(2)阵面的安装方位角a_pos以及安装俯仰角a_pit；

(3)舰船的纵摇角b_pit和横摇角b_pos；

(4)舰船航向h。

步骤二：对于从阵面坐标转为甲板坐标变换的中间系数coef0，在dsp中的mult0模块中进行计算获得，计算时执行以下的浮点运算；

步骤三：对于从甲板坐标转为地理坐标的中间系数coef1，在dsp中mult1模块中中进行运算获得，计算时执行以下的浮点运算；

步骤四：对航向的系数coef2，在dsp中mult2模块中运算获得，运算时执行以下的浮点运算：

步骤五：在mult3模块中将步骤至步骤四得到的coef0，coef1和coef2进行合并运算，该合并运算为浮点乘法，结果记为coef3：

步骤六：将步骤五产生的中间量coef3中的9个系数进行浮点转定点运算，然后通过传输通道发送至fpga，并在fpga中完成后续所需的运算；

步骤七：在fpga中，对俯仰角eoa和方位角aoa做如下的定点运算，获得中间量xcoef：

步骤八：在fpga中，将中间量coef3与中间量xcoef进行矩阵与向量的定点乘法运算，获得中间量coef：

其中，y0、y1以及y2为定点乘法运算后获得的三个向量。

步骤九：根据步骤八得到的中间量coef可以求出经过姿态补偿后的相对于地理坐标的信号方位aoa_real和俯仰角eoa_real，这里atan为查表求得的反正切函数，asin为查表求得的反正旋函数。

实施例

为使本发明的上述特征、目的以及有点能够更加明显易懂，以下结合图2和具体的实施方式坐进一步详细的说明，并且以仿真结果进行对比。

步骤一：建立阵面坐标系至舰船地理坐标系变换的定义；

(1)相对于阵面的俯仰角eoa以及方位角aoa分别为30°和-15°

(2)阵面的安装方位角a_pos以及安装俯仰角a_pit分别为10°和5°。

(3)舰船的纵摇角b_pit和横摇角b_pos分别为-13°和25°。

(4)舰船航向h为17°。

步骤二：对从阵面转为甲板坐标变换的中间系数进行运算，在dsp中的mult0模块中执行以下的浮点运算；

可以得到

步骤三：对从甲板转为地理坐标的中间系数进行运算，在dsp中的mult1模块中执行以下的浮点运算；

可以得到

步骤四：对航向的系数进行运算，在dsp中的mult2模块中执行以下的浮点运算；

可以得到

步骤五：在mult3模块中将步骤至步骤四得到的coef0，coef1和coef2进行合并运算，该合并运算为浮点乘法，结果记为coef3

可以得到

步骤六：将步骤五产生的coef3中的9个系数进行浮点转定点运算，然后通过传输通道发送至fpga。设置定点长度设为16bit，则

步骤七：对俯仰角eoa和方位角aoa做如下的定点运算：

步骤八：将coef3与xcoef与进行矩阵与向量的定点乘法得到coef

可以得到

步骤九：根据步骤八得到的coef可以求出经过姿态补偿后的相对于地理坐标的信号方位aoa_real和俯仰角eoa_real，这里atan为查表求得的反正切函数，asin为查表求得的反正旋函数。

可以求得

为了验证本发明的正确性，俯仰角eoa，方位角aoa，阵面的安装方位角a_pos，安装俯仰角a_pit，舰船的纵摇角b_pit，横摇角b_pos和舰船航向h等参数均按照具体实施方式中的步骤1进行设置，利用matlab进行浮点仿真可以得到经过左边变换后真实的方位角-5.2676°俯仰角为56.3360°，方位角和俯仰角的误差分别为0.0484和0.0770。如果采用原来的方案，即所有的坐标变换均在fpga内以定点的方式运算，可以得到方位角和俯仰角的结果分别为-5.410°和56.138°，其误差分别为0.1424°和0.198°。从验证过程可以看出，本发明在坐标变换中相比较与原来的方法在精度性能上的提升。