日中线法在GFE(L)-1型雷达方位标定中的应用及检验

日中线法在GFE(L)-1型雷达方位标定中的应用及检验

彭红艳1，纪晓建2

（1.哈密市伊州区气象局,新疆 哈密 839000；2.哈密市气象局，新疆 哈密 839000）

摘要：技术手册[1]对L波段探空雷达标定方法进行了说明，但未给出其理论解析，有些受时间、场地、标定器件的限制，增加了掌握和运用标定方法的难度，很多台站的技术人员无法独立完成，有些虽能按手册完成，但无法保证标定的准确性，甚至可能引入人为的标定误差。本文用解析几何的方法，对L波段探空雷达系统的方位标定方法分析了存在的不足，总结了日中线法标定实施的关键，提出了相应的改进方法。

关键词：日中线法；L波段探空雷达；方位标定

GFE(L)-1型探空雷达系统（以下简称雷达）标定是确保雷达探测资料可靠性的重要手段。为了保证雷达的跟踪稳定性和精度,通常需要每年对其进行标校,其中雷达系统的方位角0°定向物理正北一致性就是标校的主要内容。传统的标校方式采用磁针法或北极星法，针对效率较低及易受时间、地点等因素制约的问题，本文在分析雷达标定原理的基础上，利用白天日中线法定向物理正北，辅以经纬仪、几何角度算法，完成L波段探空雷达系统方位角0°标定，并进行测试和对比偏差分析,检验此方法的可行性及精度，以减少或是消除雷达测量的误差，方便今后标校工作。

1  L波段雷达方位标定原理及传统的标校方法分析

1.1  L波段雷达探空仪中未安装风向、风速传感器，在气球携带探空仪升空过程中通过L波段探空雷达对其跟踪，根据每一对询问与回答信号之间的时间间隔和回答信号的来向，测定每一瞬间探空气球在空间的位置，即它离雷达的直线距离、仰角、方位角，根据测距和测角的数据（球坐标数据）得知探空气球在空中飘移的快慢和方向，计算出空中不同高度的平均风速和风向。

雷达仰角、方位角的基准0°的确定是计算高空风向、风速的基础，也是雷达实现准确跟踪的保障。方位0°标定实际上是以物理正北0°为基准，对雷达方位0°进行校正。所以方位角的标定是一项非常重要的工作，否则会造成系统性误差，影响整机工作的精度和数据的质量。

1.2  磁针法：距雷达数十米外的一高处，架一经纬仪（高度比雷达瞄准镜高），用磁针标定好方位。此方法易受当地的磁偏角影响，且受到周围障碍物、场地限制，同时高处环境制约经纬仪架设。指北针指示较为粗略，人为判断误差较大；磁偏角的地域划分粗广，同一地点的磁偏角大小也随着时间的推移而不断改变。所以，指北针的指示误差和磁偏角的引用误差会导致方位零度的标定误差较大[2]。

1.3 北极星法：《高空气象探测手册》中提出的标定方法为：在天气晴朗的夜间，分别在21、24、3、6时等几个时次，利用雷达瞄准镜对准北极星来标定零点，由于夜间在繁星浩渺星空中找北极星不便，同时每隔一定时间（如3小时）瞄准北极星测一次方位角，共测三到四次，最终取观测记录的平均值来标定。在一夜之间北极星的位置也有所变化，要使标定更加准确，需向天文部门查对天文年历进行校正。这样做既麻烦，又不够精确，它的最大误差可达0.3°左右。

2  日中线法方位标定

日中线法是确定当地南北线（子午线）的方法，此方法利用白天正午太阳光线对地面物体形成的影子在地面最短，同时指向正北的原理进行，并且偏差小，适合精度较高的仪器设备物理正北的校准。

2.1  计算本地真太阳时12时对应的北京时时间

真太阳时=（120°-本地经度的度数）×4±本地经度的分数×4/60＋12±时差  （1）

（1）式中：±号取东经120°以东为正，以西为负；时差（分钟）通过查《地面气象观测规范》（2003版）第139页表7.1[3]。

例如：哈密国家基准气候站L波段探空雷达实勘经度：93°31′02″E，2022年5月2日进行标定，查《地面气象观测规范》（2003版）第139页表7.1得时差为3分。

真太阳时=（120°-本地经度的度数）×4±本地经度的分数×4/60＋12±时差

          =(120-93)×4-31×4/60＋12-3

          =13时42分56秒

即：2022年5月2日，北京时13时42分56秒就是当地真太阳时的12时。

2.2  当日提前制作垂线，等待时间划定南北线（子午线）

2.2.1  制作垂线

在晴朗的中午，找一根约2米长的细绳（直径约5-10毫米）一端栓一重物，另一端固定在一个高2.5米的支架（树枝、或木杆）上，使细绳自然下垂，并保持稳定，避免摆动。（见图1）。

图1 制作垂线示意图

2.2.2  划定子午线（南北线）

在距雷达数十米远选择一块平整的场地，立好支架，观察绳线在地面上的阴影，当北京时13时42分56秒，沿细绳阴影，在地面上画出直线，该直线即为本地南北线（子午线）。

2.3  进行雷达方位标定

2.3.1  在画出的南北线上架设经纬仪（经纬仪中心点对应在南北线上），调整水平，沿S→N方向使经纬仪方位标定为0°。

2.3.2  一人将雷达通电，控制天线转动，另一人转动经纬仪，使两者相互瞄准，然后读经纬仪的方位角β，雷达方位角φ ，原理示意图如图2：

图2 日中线法雷达方位标定原理示意图

A点为经纬仪，AN为经纬仪用日中线法确定南北线后校准的方位0°，β角为经纬仪从正北沿顺时针方向与雷达对瞄转动的角度；B点为雷达，BN1为雷达标定前目前的方位0°，φ角为雷达从标定前0°沿顺时针方向与经纬仪对瞄转动的角度。

要使雷达方位角对准物理正北，则BN2∥AN，那么∠α0=∠α1。将雷达从标定前0°位置沿顺时针方向转动（φ+α0）角度就能对准物理正北。因∠α1=180°-β，摇动天线使雷达方位角在φ的基础上再增加（180°-β），并保持仰角为零度即可。

2.3.3 将主控箱方位轴角板（11-8板）上的标定孔对地短路(如图3箭头所示)，此时数据终端上显示的方位角数值应为零度，方位角零度标定到此完成。如图3、图4：

图3  11-8方位轴角板标定孔              图4  标定后终端显示的方位角

2.3.4  标定方位角、仰角后，最好在不同的方向上找几个不同的近距离固定目标物，用瞄准镜记下它们的方位角、仰角读数，以备参考。

3  测试和对比偏差分析

3.1  先用北极星法检验及标定雷达，实验数据如下：

表1  北极星法雷达方位标定实验数据

22:30、23:46、04:16用瞄准镜对准北极星，校准前雷达方位与北极星方位角比较，误差0.11°，调整误差后对雷达11-8板短接标定0°。之后白天在不同方向选定固定目标物测定方位角作为参考基准。

3.2  磁针法与固定目标物，比较实验数据如下：

表2  磁针法雷达方位标定实验数据

3.3日中线法与固定目标物比较试验：

按前述方法用日中线法对雷达方位进行标定，将日中线法标定后的雷达方位角与已知固定目标物方位角比较，实验数据如下：

表3  日中线法雷达方位标定实验数据

由表2、表3可知：经过试验比对，磁针法方位角误差≤0.5°，日中线法方位角误差＜0.2°。

4  总结

日中线法是利用本地白天正午太阳光线对物体在地面形成的影子确定当地南北线（子午线）的方法，与经纬仪配合完成L波段探空雷达方位的标定。此方法与传统磁针法、北极星法比较，克服了受磁偏角、周围障碍物、场地限制影响，并且可白天进行，误差小，通过测试和偏差分析，较适合L波段探空雷达方位的标定，其精度≤0.2°，满足业务指标要求。天气条件是需要中午天气晴朗。

参考文献：

[1]南京大桥机器厂.GFE(L)1 型二次测风雷达原理和维修[Ｒ].南京,2003.

[2] 秦建峰,程昌玉,颜国跑.Ｌ波段探空雷达主要标定方法分析与改进[J].气象科技, 2014（3）：373-377.

[3]地面气象观测规范. 北京：气象出版社,2003:139.

作者简介：彭红艳（1976.07），女，汉族，本科学历，江苏丰县人，副高级工程师，哈密市伊州区气象局从事综合探测工作。