多徑效應(yīng)對(duì)追蹤體系的作用

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本文作者：李中偉、周軍輝、田道坤 單位：91550部隊(duì)、91604部隊(duì)

當(dāng)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備跟蹤目標(biāo)的仰角很低時(shí)，散射信號(hào)就會(huì)進(jìn)入天線(xiàn)的主波束范圍內(nèi)，造成直射信號(hào)與反射信號(hào)的矢量疊加，從而造成了跟蹤測(cè)量誤差的產(chǎn)生。由于多路徑上的信號(hào)反射會(huì)使得在地平面以下形成目標(biāo)的鏡像，對(duì)某些無(wú)線(xiàn)電測(cè)量設(shè)備來(lái)說(shuō)，若其跟蹤目標(biāo)的仰角過(guò)低，由于鏡面反射信號(hào)的影響就容易造成天線(xiàn)的抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生天線(xiàn)飛車(chē)問(wèn)題，以致于無(wú)法及時(shí)有效地跟蹤目標(biāo)。因此，為了能有效地完成好測(cè)量跟蹤任務(wù)，就要解決好無(wú)線(xiàn)電測(cè)量設(shè)備的低仰角跟蹤問(wèn)題。

低仰角跟蹤時(shí)多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響

大部分無(wú)線(xiàn)電測(cè)量系統(tǒng)的跟蹤體制都是單脈沖體制，在進(jìn)行目標(biāo)跟蹤測(cè)量時(shí)都是利用天線(xiàn)的和、差方向圖函數(shù)來(lái)測(cè)量目標(biāo)方向的。用ε表示目標(biāo)相對(duì)于天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸的偏轉(zhuǎn)角，設(shè)在自由空間天線(xiàn)和波束電壓增益為FΣ（ε），差波束電壓增益為FΔ（ε），經(jīng)過(guò)跟蹤接收機(jī)的信號(hào)接收解調(diào)后送給伺服系統(tǒng)的誤差控制信號(hào)為Ue（ω）＝FΔ（ε）／FΣ（ε），伺服系統(tǒng)在誤差信號(hào)的控制下會(huì)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)向差方向圖為零的方向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤［3］。在低仰角或負(fù)仰角條件下，天線(xiàn)接收的不僅有來(lái)自目標(biāo)的直射波，而且有經(jīng)地面、海面的鏡面反射波，還有經(jīng)各種途徑到達(dá)天線(xiàn)的漫反射波。圖1為低仰角條件下的跟蹤幾何關(guān)系?？紤]到地面反射波的影響后，系統(tǒng)的和通道信號(hào)強(qiáng)度為：Σ（ε）＝K［FΣ（ε）＋ρejφFΣ（θr＋θ－ε）］系統(tǒng)的差通道信號(hào)強(qiáng)度為：Δ（ε）＝K［FΔ（ε）＋ρejΦFΔ（θr＋θ－ε）］式中：K為常數(shù)；θ為天線(xiàn)仰角；θr為地面反射余角；ρ為地面反射系數(shù)的模；φ為接收點(diǎn)處直射波與地面反射波間的相位差。圖1低仰角條件下跟蹤幾何關(guān)系在接收機(jī)中和通道信號(hào)對(duì)差通道信號(hào)歸一化并經(jīng)相關(guān)檢測(cè)后，將同相分量輸出作為伺服的誤差控制信號(hào)，表達(dá)式為［4］：Ue（ε）＝Re［Δ（ε）／Σ（ε）］＝｛FΔ（ε）FΣ（ε）＋ρ2FΔ（θr＋θ－ε）FΣ（θr＋θ－ε）＋ρcosφ［FΔ（θr＋θ－ε）／FΣ（ε）＋FΔ（ε）／FΣ（θr＋θ－ε）］｝／［F2Σ（ε）＋ρ2FΣ（θr＋θ－ε）＋2ρFΣ（ε）FΣ（θr＋θ－ε）cosφ］（1）式中：ε為目標(biāo)相對(duì)于天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸的偏轉(zhuǎn)角；FΣ為和波瓣電壓增益；FΔ為差波瓣電壓增益。

分析式（1）可以看出，由于地面或海面反射波的存在，天線(xiàn)接收到的信號(hào)還包括各方向上的多徑信號(hào)，所以即使令天線(xiàn)瞄準(zhǔn)軸指向目標(biāo)（ε＝0），跟蹤接收機(jī)輸出的角誤差信號(hào)也不是零。倘若要讓角誤差信號(hào)為零，則必須將天線(xiàn)另外偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使之與多徑反射信號(hào)相抵消，這個(gè)另外偏轉(zhuǎn)的角就是多徑效應(yīng)形成的測(cè)角誤差。

由圖1分析低仰角條件下跟蹤幾何關(guān)系得到接收點(diǎn)處直射波與地面反射波間的相位差為：φ＝（2π×2h1h2）／（λ×r）＋φo式中：φo為地面反射系數(shù)的相角；r為天線(xiàn)和目標(biāo)在地面的投影間距離；h1，h2為天線(xiàn)、目標(biāo)相對(duì)于反射面的高度。經(jīng)過(guò)分析可以看出，式（1）分子的第3項(xiàng)ρcosφ［FΔ（θr＋θ－ε）／FΣ（ε）＋FΔ（ε）／FΣ（θr＋θ－ε）］不僅取決于天線(xiàn)波束及其指向、地面反射性質(zhì)，而且還取決于直射波和地面反射波的相位差。所以角誤差控制信號(hào)與φ是緊密相關(guān)的，即目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨著h2和r的變化，φ將連續(xù)、迅速的變化，這將引起天線(xiàn)仰角方向的劇烈抖動(dòng)，使得天線(xiàn)跟蹤軸大幅度擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起天線(xiàn)飛車(chē)，從而導(dǎo)致目標(biāo)的丟失。因此，必須采取措施以解決多路徑存在時(shí)的穩(wěn)定跟蹤問(wèn)題［5］。

多徑反射信號(hào)進(jìn)入天線(xiàn)主瓣時(shí)，信號(hào)較強(qiáng)，它既影響差方向圖信號(hào)，也影響和方向圖信號(hào)，多徑效應(yīng)的影響不能只用Δ／Σ曲線(xiàn)的線(xiàn)性段來(lái)估計(jì)，而必須考慮反射對(duì)和波束、差波束的向量關(guān)系綜合求解。

多徑效應(yīng)使得在天線(xiàn)接收點(diǎn)處直射波與地面或海面反射波之間存在相位差。相位差越大，和差信號(hào)的衰落越大。當(dāng)天線(xiàn)處于負(fù)仰角工作狀態(tài)時(shí)，目標(biāo)和鏡像相對(duì)于觀察點(diǎn)的張角很小，兩者實(shí)際構(gòu)成了密不可分的二元目標(biāo)。目標(biāo)直射信號(hào)和鏡像反射信號(hào)強(qiáng)度是等量級(jí)的，因而信號(hào)衰落嚴(yán)重。若地面反射系數(shù)較小，如ρ＜0．5，二元目標(biāo)的視在角將繞實(shí)際目標(biāo)位置上下波動(dòng)；若ρ＞0．5，對(duì)大多數(shù)相對(duì)相位而言，目標(biāo)視角仍停留在二元目標(biāo)“中心”附近，但若相對(duì)相位接近180°，則信號(hào)衰減嚴(yán)重，最終可能使跟蹤不穩(wěn)定或丟失目標(biāo)［6－7］。

解決低仰角跟蹤問(wèn)題的措施

無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統(tǒng)在低仰角跟蹤目標(biāo)時(shí)，多路徑反射誤差分量將成為最主要的誤差根源。無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統(tǒng)的低仰角跟蹤問(wèn)題也備受關(guān)注。為提高無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統(tǒng)在低仰角下的跟蹤性能，結(jié)合無(wú)線(xiàn)電測(cè)量設(shè)備的特點(diǎn)采取以下幾方面措施：

目標(biāo)離跟蹤設(shè)備距離較近時(shí)，由于目標(biāo)角速度相對(duì)較大，可采用寬帶伺服系統(tǒng)跟蹤來(lái)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，這樣可提高系統(tǒng)的近距離跟蹤穩(wěn)定性。當(dāng)目標(biāo)距離設(shè)備逐漸變遠(yuǎn)時(shí)，天線(xiàn)的跟蹤仰角越來(lái)越低，因此目標(biāo)的角速度會(huì)隨目標(biāo)遠(yuǎn)離無(wú)線(xiàn)電設(shè)備而減小，這時(shí)伺服系統(tǒng)可采用窄帶跟蹤，以此來(lái)提高測(cè)角精度［8］。采取方位與俯仰兩個(gè)角支路既可以同時(shí)閉環(huán)跟蹤也可以單軸獨(dú)立跟蹤，仰角支路既可以閉環(huán)跟蹤，也可以引導(dǎo)跟蹤。當(dāng)本站多路徑影響嚴(yán)重時(shí)，方位自動(dòng)跟蹤而仰角處于引導(dǎo)狀態(tài)，渡過(guò)盲區(qū)后再轉(zhuǎn)入閉環(huán)跟蹤。

分集技術(shù)是改善低仰角跟蹤性能常用的一種方法，主要有頻率分集、信號(hào)極化分集等。某些無(wú)線(xiàn)電跟蹤設(shè)備采用的跟蹤接收機(jī)數(shù)量多，而由于多徑效應(yīng)的影響，各接收機(jī)接收到的信號(hào)幅度有很大的差別，采用多臺(tái)接收機(jī)接收兩種相互正交的極化分量，然后進(jìn)行合成，這樣就能提高信噪比，可有效減少多徑造成的信號(hào)衰落影響。由誤差表示式分子的第3項(xiàng)可知，角抖動(dòng)誤差含因子cosφ。雷達(dá)站址一定時(shí)，φ值隨目標(biāo)距離r、高度h2變化。對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言，亦即隨時(shí)間變化，因而對(duì)送往伺服的誤差信號(hào)作適當(dāng)?shù)臅r(shí)間平滑，就可以減小其影響。單從減小高頻抖動(dòng)誤差考慮，希望平滑周期大于天線(xiàn)抖動(dòng)周期。但實(shí)際上天線(xiàn)抖動(dòng)周期是隨目標(biāo)距離r、高度h2變化的，當(dāng)r較小時(shí)，角抖動(dòng)頻率較高；而當(dāng)r很大，目標(biāo)接近水平方向時(shí)，角抖動(dòng)頻率較低［9］。目標(biāo)高度不同，仰角抖動(dòng)情況差別很大，因此要想使平滑周期在任何條件下都大，對(duì)于天線(xiàn)角抖動(dòng)周期是難于實(shí)現(xiàn)的。盡管如此，通過(guò)實(shí)踐表明，平滑濾波仍然明顯改善了天線(xiàn)的抖動(dòng)。

多信息源的目標(biāo)測(cè)量模型建模、數(shù)據(jù)融合與最優(yōu)估計(jì)低仰角跟蹤時(shí)多徑反射對(duì)俯仰支路的影響表現(xiàn)得更加明顯，綜合利用多個(gè)信息源數(shù)據(jù)，可對(duì)天線(xiàn)的低仰角跟蹤起到積極作用。利用這些“多信息源”的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)時(shí)漸消記憶遞推最小二乘估計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同信息源的狀態(tài)，對(duì)不同信息源實(shí)時(shí)地進(jìn)行不同的加權(quán)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并對(duì)多信息源進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，可在統(tǒng)計(jì)意義上進(jìn)一步減小多徑反射形成的偏差［10］。如圖2所示。計(jì)算機(jī)將采集到的三組目標(biāo)測(cè)量信息與天線(xiàn)實(shí)時(shí)指向角一起進(jìn)行目標(biāo)測(cè)量模型建模、數(shù)據(jù)融合與最優(yōu)估計(jì)處理，得到目標(biāo)視在角估計(jì)值，送給天線(xiàn)指向跟蹤伺服系統(tǒng)，天線(xiàn)指向伺服系統(tǒng)保證天線(xiàn)運(yùn)行到目標(biāo)視在角估計(jì)值位置。由于目標(biāo)視在角估計(jì)值是去掉多徑反射影響而相對(duì)真實(shí)反映目標(biāo)視在角的，因此，天線(xiàn)將跟著目標(biāo)視在角而運(yùn)行，即跟隨目標(biāo)而運(yùn)行，從而達(dá)到了平穩(wěn)準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)的目的。

結(jié)語(yǔ)

在低仰角條件下跟蹤，無(wú)線(xiàn)電跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度及穩(wěn)定性會(huì)受到嚴(yán)重影響，鑒于飛行目標(biāo)所在的環(huán)境比較復(fù)雜，通常只能盡量減少低仰角時(shí)多路徑效應(yīng)帶來(lái)的影響。本文分析了低仰角跟蹤時(shí)多路經(jīng)效應(yīng)對(duì)跟蹤系統(tǒng)的影響，提出了基于多信息源的目標(biāo)測(cè)量模型建模、數(shù)據(jù)融合與最優(yōu)估計(jì)算法的多種低仰角跟蹤措施，這一系列措施能較明顯地減小低仰角跟蹤過(guò)程中多徑效應(yīng)的影響，并提高跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度及穩(wěn)定性。