Indra二次雷达目标偏移故障实例分析

Indra二次雷达目标偏移故障实例分析

宋迪

民航贵州空中交通管理分局，贵州贵阳， 550012

摘要

目的：对INDRA二次雷达出现目标偏移故障排查有较好的参考借鉴作用。方法：通过多次切换通道、更换编码器、更换相关板件、更换马达及旋转铰链、编码器校准及ACP/ARP波形测试、天馈系统参数测试、更换主轴双膜片联轴器、角度信息传输系统与回转支承等一系列方式进行故障排查，对问题进行倒推分析，验证故障原因。结论：以上方法为雷达出现目标偏移提供了解决思路，具有较强的实际运用效果。

关键词：INDRA雷达；目标偏移；解决思路

0 事件概述

2020年11月，磊庄INDRA雷达信号在H19和H24航线上存在目标偏移现象，表现为该雷达在各方向均存在不同程度目标偏移，其中东北和西南方向偏移较大，东北方向298公里与融合信号存在约8.7公里距离偏差、约1°角度偏差；西南方向137公里存在约4公里距离偏差，约1°角度偏差。故障发生后，通过专项故障排查工作，最后采取更换联轴器、大盘、同步轮系等工作，雷达信号正常，加入自动化系统融合。

1 故障排查经过

第一阶段主要以紧固连接头、切换通道、更换编码器及相关板件、更换马达及旋转铰链、监控软件重启备份、编码器校准调试、天馈系统参数测试、改变询问模式、震动测试、台站电磁环境监测、信号线加装屏蔽层等一系列方式进行故障排查，无果。

第二阶段，决定更换磊庄雷达回转支承工作。在经历了移除天线、更换双模同轴联轴器、同步轮系及回转支承等工作后，测试获取RASS陀螺仪测试数据，偏移量从出现目标偏移时的0.7557降到了0.1347，至此磊庄雷达信号偏移故障排除，信号恢复正常，雷达系统运行正常。下面从理论角度对双膜片联轴器倾斜导致目标偏离进行原理倒推分析。

2 故障原理倒推分析

采用高精度测试应答机定位算法计算测试应答机相对于雷达的真实方位角，与排故期间录取的测试应答机方位数据进行误差比较，从而反推出联轴器的摆动情况。

（一）测试应答机高精度定位

假设雷达纬度L1，经度G1，雷达天线海拔高度h1；测试应答机纬度L，经度G，天线海拔高度H，测试应答机到天线的线缆长度为D。

在测试应答机定位计算中，不考虑测试应答机额外的延时，因此在地心笛卡尔坐标系中，测试应答机的坐标为（XS,YS,ZS）:

_(1-1)

其中，e=0.081819191为2000中国大地坐标系（CGCS2000）第一偏心率；为地球半径，由测试应答机所在纬度决定：

_(1-2)

其中 为地球长半轴距离。

同理，雷达的地心笛卡尔坐标为（XR,YR,ZR）：

_(1-3)

_(1-4)

为了计算测试应答机和雷达之间相对正北的夹角和距离，可以将测试应答机地心笛卡尔坐标转化到雷达站本地笛卡尔坐标中（XI,YI,ZI）：

_(1-5)

其中S_I为转移系数矩阵：

_(1-6)

由此转到极坐标系可得测试应答机相对于雷达的距离，以及测试应答机相对于雷达与正北的角度差：

_(1-7)

磊庄雷达坐标（26.410589°N，106.539536°E），天线架设海拔高度1250m。测试应答机坐标（26.399364°N，106.559867°E），天线架设海拔高度1242m，因此测试应答机相对于雷达的精确方位角为121.51°。

（二）联轴器倾斜误差分析

英德拉二次雷达两个编码器通过联轴器与角度信息传输系统相连接，而角度信息传输系统通过双膜片联轴器与转盘相连，这两种联轴器若发生倾斜，都会导致编码器转速不匀，影响方位编码器测角。

为了方便计算，定义了以旋转中心为原点的三维坐标系，以垂直轴系的平面为XOY平面，其中OXYZ为参考坐标系，而O’X’Y’Z’为旋转过程中的坐标系，原点为主轴旋转中心，Z轴与主轴旋转轴重合，而Z’轴垂直于联轴器平面，X轴垂直于Z轴且XOZ为参考水平面，而X’轴则是平行于联轴器平面，并且，X’OZ’平面的初始位置和XOZ平面重合。

联轴器倾斜角度为Δθ，那么O’X’ Y’ Z’坐标系的参数表达式为：

_(2-1)

其中，r为联轴器的半径， 为联轴器的尺度参数。

联轴器倾斜，如果转轴旋转的角度为θ₀，那么O’X’ Y’ Z’坐标系和OXYZ坐标系的关系可以如下表示：

_(2-2)

化简可得

_(2-3)

为推导联轴器在XOZ平面的投影量度，令Z’轴平行于联轴器平面：

代入参数表达式再结合(2-3)，得：

_(2-4)

因此联轴器的投影在XOZ平面的量度为：

_(2-5)

所以，联轴器在XOZ平面的投影量度可以用如下等式表达：

_(2-6)

如果 ，那么 ，所以上式为：

_(2-7)

将 表示成轴系的旋转角度加上偏差的形式， ， 就是角度误差，代入上式可得：

_(2-8)

为测试应答机实测角与真实角之差， 为旋转轴真实旋转角度，即测试应答机真实角度， 可通过上式求出。

通过在磊庄雷达站目标偏移期间捕获的测试应答机方位数据与高精度定位算出的测试应答机真实角度，可以反推出联轴器倾斜的角度 ，通过matlab仿真，得到测试应答机方位数据与联轴器倾斜角度一致。

3 结论及建议

（一）结论

通过故障原理倒推分析可知，联轴器存在两个稳定的倾角：17.5°和-7°（联轴器倾斜角度计算受雷达正北调校、OBA调校精确度以及雷达波束宽度影响，存在一定误差）。假设侧视图 在第一象限为正，第四象限为负，在数据录取的过程中，联轴器发生了偏转，从向左倾斜17.5°变为向右倾斜7°，与实际情况中的联轴器因部分螺丝脱落存在径向摆动情况一致，也与故障排查期间目标偏移不规律，偶尔自行恢复正常的情况相匹配。因此可以判定：磊庄英德拉二次雷达目标偏移是由于雷达天线基座内部主轴双膜片联轴器螺母脱落，致使主轴双膜片联轴器存在倾斜，在回转支承带载运转过程中主轴双膜片联轴器径向轴偏不规律发生，导致天线基座内部主轴双膜片联轴器、角度信息传输系统与回转支承转速配比不均匀，从而导致雷达系统ACP偏差过大，引发目标偏离问题。

（二）工作建议

1.鉴于故障点均位于基座机械部分内部，在日常和定期维护中无法发现，需适时推进雷达大修工作。

2.发生目标偏移等类似问题时，除常规排查手段外，重点考虑天线基座内部机械原因。在明确此次故障原因后，制定风险提示通告、开展案例分析。