多径效应对追踪体系的作用

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本文作者：李中伟、周军辉、田道坤 单位：91550部队、91604部队

当无线电设备跟踪目标的仰角很低时，散射信号就会进入天线的主波束范围内，造成直射信号与反射信号的矢量叠加，从而造成了跟踪测量误差的产生。由于多路径上的信号反射会使得在地平面以下形成目标的镜像，对某些无线电测量设备来说，若其跟踪目标的仰角过低，由于镜面反射信号的影响就容易造成天线的抖动，严重时会发生天线飞车问题，以致于无法及时有效地跟踪目标。因此，为了能有效地完成好测量跟踪任务，就要解决好无线电测量设备的低仰角跟踪问题。

低仰角跟踪时多径效应对测量设备的影响

大部分无线电测量系统的跟踪体制都是单脉冲体制，在进行目标跟踪测量时都是利用天线的和、差方向图函数来测量目标方向的。用ε表示目标相对于天线瞄准轴的偏转角，设在自由空间天线和波束电压增益为FΣ（ε），差波束电压增益为FΔ（ε），经过跟踪接收机的信号接收解调后送给伺服系统的误差控制信号为Ue（ω）＝FΔ（ε）／FΣ（ε），伺服系统在误差信号的控制下会驱动天线向差方向图为零的方向运动而实现对目标的跟踪［3］。在低仰角或负仰角条件下，天线接收的不仅有来自目标的直射波，而且有经地面、海面的镜面反射波，还有经各种途径到达天线的漫反射波。图1为低仰角条件下的跟踪几何关系。考虑到地面反射波的影响后，系统的和通道信号强度为：Σ（ε）＝K［FΣ（ε）＋ρejφFΣ（θr＋θ－ε）］系统的差通道信号强度为：Δ（ε）＝K［FΔ（ε）＋ρejΦFΔ（θr＋θ－ε）］式中：K为常数；θ为天线仰角；θr为地面反射余角；ρ为地面反射系数的模；φ为接收点处直射波与地面反射波间的相位差。图1低仰角条件下跟踪几何关系在接收机中和通道信号对差通道信号归一化并经相关检测后，将同相分量输出作为伺服的误差控制信号，表达式为［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为目标相对于天线瞄准轴的偏转角；FΣ为和波瓣电压增益；FΔ为差波瓣电压增益。

分析式（1）可以看出，由于地面或海面反射波的存在，天线接收到的信号还包括各方向上的多径信号，所以即使令天线瞄准轴指向目标（ε＝0），跟踪接收机输出的角误差信号也不是零。倘若要让角误差信号为零，则必须将天线另外偏转一个角度，使之与多径反射信号相抵消，这个另外偏转的角就是多径效应形成的测角误差。

由图1分析低仰角条件下跟踪几何关系得到接收点处直射波与地面反射波间的相位差为：φ＝（2π×2h1h2）／（λ×r）＋φo式中：φo为地面反射系数的相角；r为天线和目标在地面的投影间距离；h1，h2为天线、目标相对于反射面的高度。经过分析可以看出，式（1）分子的第3项ρcosφ［FΔ（θr＋θ－ε）／FΣ（ε）＋FΔ（ε）／FΣ（θr＋θ－ε）］不仅取决于天线波束及其指向、地面反射性质，而且还取决于直射波和地面反射波的相位差。所以角误差控制信号与φ是紧密相关的，即目标运动过程中随着h2和r的变化，φ将连续、迅速的变化，这将引起天线仰角方向的剧烈抖动，使得天线跟踪轴大幅度摆动，严重时会引起天线飞车，从而导致目标的丢失。因此，必须采取措施以解决多路径存在时的稳定跟踪问题［5］。

多径反射信号进入天线主瓣时，信号较强，它既影响差方向图信号，也影响和方向图信号，多径效应的影响不能只用Δ／Σ曲线的线性段来估计，而必须考虑反射对和波束、差波束的向量关系综合求解。

多径效应使得在天线接收点处直射波与地面或海面反射波之间存在相位差。相位差越大，和差信号的衰落越大。当天线处于负仰角工作状态时，目标和镜像相对于观察点的张角很小，两者实际构成了密不可分的二元目标。目标直射信号和镜像反射信号强度是等量级的，因而信号衰落严重。若地面反射系数较小，如ρ＜0．5，二元目标的视在角将绕实际目标位置上下波动；若ρ＞0．5，对大多数相对相位而言，目标视角仍停留在二元目标“中心”附近，但若相对相位接近180°，则信号衰减严重，最终可能使跟踪不稳定或丢失目标［6－7］。

解决低仰角跟踪问题的措施

无线电跟踪系统在低仰角跟踪目标时，多路径反射误差分量将成为最主要的误差根源。无线电跟踪系统的低仰角跟踪问题也备受关注。为提高无线电跟踪系统在低仰角下的跟踪性能，结合无线电测量设备的特点采取以下几方面措施：

目标离跟踪设备距离较近时，由于目标角速度相对较大，可采用宽带伺服系统跟踪来改善系统动态特性，这样可提高系统的近距离跟踪稳定性。当目标距离设备逐渐变远时，天线的跟踪仰角越来越低，因此目标的角速度会随目标远离无线电设备而减小，这时伺服系统可采用窄带跟踪，以此来提高测角精度［8］。采取方位与俯仰两个角支路既可以同时闭环跟踪也可以单轴独立跟踪，仰角支路既可以闭环跟踪，也可以引导跟踪。当本站多路径影响严重时，方位自动跟踪而仰角处于引导状态，渡过盲区后再转入闭环跟踪。

分集技术是改善低仰角跟踪性能常用的一种方法，主要有频率分集、信号极化分集等。某些无线电跟踪设备采用的跟踪接收机数量多，而由于多径效应的影响，各接收机接收到的信号幅度有很大的差别，采用多台接收机接收两种相互正交的极化分量，然后进行合成，这样就能提高信噪比，可有效减少多径造成的信号衰落影响。由误差表示式分子的第3项可知，角抖动误差含因子cosφ。雷达站址一定时，φ值随目标距离r、高度h2变化。对运动目标而言，亦即随时间变化，因而对送往伺服的误差信号作适当的时间平滑，就可以减小其影响。单从减小高频抖动误差考虑，希望平滑周期大于天线抖动周期。但实际上天线抖动周期是随目标距离r、高度h2变化的，当r较小时，角抖动频率较高；而当r很大，目标接近水平方向时，角抖动频率较低［9］。目标高度不同，仰角抖动情况差别很大，因此要想使平滑周期在任何条件下都大，对于天线角抖动周期是难于实现的。尽管如此，通过实践表明，平滑滤波仍然明显改善了天线的抖动。

多信息源的目标测量模型建模、数据融合与最优估计低仰角跟踪时多径反射对俯仰支路的影响表现得更加明显，综合利用多个信息源数据，可对天线的低仰角跟踪起到积极作用。利用这些“多信息源”的优势，在实时渐消记忆递推最小二乘估计的基础上，根据不同信息源的状态，对不同信息源实时地进行不同的加权，然后对数据进行融合并对多信息源进行最优估计，可在统计意义上进一步减小多径反射形成的偏差［10］。如图2所示。计算机将采集到的三组目标测量信息与天线实时指向角一起进行目标测量模型建模、数据融合与最优估计处理，得到目标视在角估计值，送给天线指向跟踪伺服系统，天线指向伺服系统保证天线运行到目标视在角估计值位置。由于目标视在角估计值是去掉多径反射影响而相对真实反映目标视在角的，因此，天线将跟着目标视在角而运行，即跟随目标而运行，从而达到了平稳准确跟踪目标的目的。

结语

在低仰角条件下跟踪，无线电跟踪系统的跟踪精度及稳定性会受到严重影响，鉴于飞行目标所在的环境比较复杂，通常只能尽量减少低仰角时多路径效应带来的影响。本文分析了低仰角跟踪时多路经效应对跟踪系统的影响，提出了基于多信息源的目标测量模型建模、数据融合与最优估计算法的多种低仰角跟踪措施，这一系列措施能较明显地减小低仰角跟踪过程中多径效应的影响，并提高跟踪系统的跟踪精度及稳定性。