多徑效應對追蹤體系的作用

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本文作者：李中偉、周軍輝、田道坤 單位：91550部隊、91604部隊

當無線電設備跟蹤目標的仰角很低時，散射信號就會進入天線的主波束范圍內，造成直射信號與反射信號的矢量疊加，從而造成了跟蹤測量誤差的產生。由于多路徑上的信號反射會使得在地平面以下形成目標的鏡像，對某些無線電測量設備來說，若其跟蹤目標的仰角過低，由于鏡面反射信號的影響就容易造成天線的抖動，嚴重時會發生天線飛車問題，以致于無法及時有效地跟蹤目標。因此，為了能有效地完成好測量跟蹤任務，就要解決好無線電測量設備的低仰角跟蹤問題。

低仰角跟蹤時多徑效應對測量設備的影響

大部分無線電測量系統的跟蹤體制都是單脈沖體制，在進行目標跟蹤測量時都是利用天線的和、差方向圖函數來測量目標方向的。用ε表示目標相對于天線瞄準軸的偏轉角，設在自由空間天線和波束電壓增益為FΣ（ε），差波束電壓增益為FΔ（ε），經過跟蹤接收機的信號接收解調后送給伺服系統的誤差控制信號為Ue（ω）＝FΔ（ε）／FΣ（ε），伺服系統在誤差信號的控制下會驅動天線向差方向圖為零的方向運動而實現對目標的跟蹤［3］。在低仰角或負仰角條件下，天線接收的不僅有來自目標的直射波，而且有經地面、海面的鏡面反射波，還有經各種途徑到達天線的漫反射波。圖1為低仰角條件下的跟蹤幾何關系。考慮到地面反射波的影響后，系統的和通道信號強度為：Σ（ε）＝K［FΣ（ε）＋ρejφFΣ（θr＋θ－ε）］系統的差通道信號強度為：Δ（ε）＝K［FΔ（ε）＋ρejΦFΔ（θr＋θ－ε）］式中：K為常數；θ為天線仰角；θr為地面反射余角；ρ為地面反射系數的模；φ為接收點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系在接收機中和通道信號對差通道信號歸一化并經相關檢測后，將同相分量輸出作為伺服的誤差控制信號，表達式為［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為目標相對于天線瞄準軸的偏轉角；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，天線接收到的信號還包括各方向上的多徑信號，所以即使令天線瞄準軸指向目標（ε＝0），跟蹤接收機輸出的角誤差信號也不是零。倘若要讓角誤差信號為零，則必須將天線另外偏轉一個角度，使之與多徑反射信號相抵消，這個另外偏轉的角就是多徑效應形成的測角誤差。

由圖1分析低仰角條件下跟蹤幾何關系得到接收點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為地面反射系數的相角；r為天線和目標在地面的投影間距離；h1，h2為天線、目標相對于反射面的高度。經過分析可以看出，式（1）分子的第3項ρcosφ［FΔ（θr＋θ－ε）／FΣ（ε）＋FΔ（ε）／FΣ（θr＋θ－ε）］不僅取決于天線波束及其指向、地面反射性質，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與φ是緊密相關的，即目標運動過程中隨著h2和r的變化，φ將連續、迅速的變化，這將引起天線仰角方向的劇烈抖動，使得天線跟蹤軸大幅度擺動，嚴重時會引起天線飛車，從而導致目標的丟失。因此，必須采取措施以解決多路徑存在時的穩定跟蹤問題［5］。

多徑反射信號進入天線主瓣時，信號較強，它既影響差方向圖信號，也影響和方向圖信號，多徑效應的影響不能只用Δ／Σ曲線的線性段來估計，而必須考慮反射對和波束、差波束的向量關系綜合求解。

多徑效應使得在天線接收點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，和差信號的衰落越大。當天線處于負仰角工作狀態時，目標和鏡像相對于觀察點的張角很小，兩者實際構成了密不可分的二元目標。目標直射信號和鏡像反射信號強度是等量級的，因而信號衰落嚴重。若地面反射系數較小，如ρ＜0．5，二元目標的視在角將繞實際目標位置上下波動；若ρ＞0．5，對大多數相對相位而言，目標視角仍停留在二元目標“中心”附近，但若相對相位接近180°，則信號衰減嚴重，最終可能使跟蹤不穩定或丟失目標［6－7］。

解決低仰角跟蹤問題的措施

無線電跟蹤系統在低仰角跟蹤目標時，多路徑反射誤差分量將成為最主要的誤差根源。無線電跟蹤系統的低仰角跟蹤問題也備受關注。為提高無線電跟蹤系統在低仰角下的跟蹤性能，結合無線電測量設備的特點采取以下幾方面措施：

目標離跟蹤設備距離較近時，由于目標角速度相對較大，可采用寬帶伺服系統跟蹤來改善系統動態特性，這樣可提高系統的近距離跟蹤穩定性。當目標距離設備逐漸變遠時，天線的跟蹤仰角越來越低，因此目標的角速度會隨目標遠離無線電設備而減小，這時伺服系統可采用窄帶跟蹤，以此來提高測角精度［8］。采取方位與俯仰兩個角支路既可以同時閉環跟蹤也可以單軸獨立跟蹤，仰角支路既可以閉環跟蹤，也可以引導跟蹤。當本站多路徑影響嚴重時，方位自動跟蹤而仰角處于引導狀態，渡過盲區后再轉入閉環跟蹤。

分集技術是改善低仰角跟蹤性能常用的一種方法，主要有頻率分集、信號極化分集等。某些無線電跟蹤設備采用的跟蹤接收機數量多，而由于多徑效應的影響，各接收機接收到的信號幅度有很大的差別，采用多臺接收機接收兩種相互正交的極化分量，然后進行合成，這樣就能提高信噪比，可有效減少多徑造成的信號衰落影響。由誤差表示式分子的第3項可知，角抖動誤差含因子cosφ。雷達站址一定時，φ值隨目標距離r、高度h2變化。對運動目標而言，亦即隨時間變化，因而對送往伺服的誤差信號作適當的時間平滑，就可以減小其影響。單從減小高頻抖動誤差考慮，希望平滑周期大于天線抖動周期。但實際上天線抖動周期是隨目標距離r、高度h2變化的，當r較小時，角抖動頻率較高；而當r很大，目標接近水平方向時，角抖動頻率較低［9］。目標高度不同，仰角抖動情況差別很大，因此要想使平滑周期在任何條件下都大，對于天線角抖動周期是難于實現的。盡管如此，通過實踐表明，平滑濾波仍然明顯改善了天線的抖動。

多信息源的目標測量模型建模、數據融合與最優估計低仰角跟蹤時多徑反射對俯仰支路的影響表現得更加明顯，綜合利用多個信息源數據，可對天線的低仰角跟蹤起到積極作用。利用這些“多信息源”的優勢，在實時漸消記憶遞推最小二乘估計的基礎上，根據不同信息源的狀態，對不同信息源實時地進行不同的加權，然后對數據進行融合并對多信息源進行最優估計，可在統計意義上進一步減小多徑反射形成的偏差［10］。如圖2所示。計算機將采集到的三組目標測量信息與天線實時指向角一起進行目標測量模型建模、數據融合與最優估計處理，得到目標視在角估計值，送給天線指向跟蹤伺服系統，天線指向伺服系統保證天線運行到目標視在角估計值位置。由于目標視在角估計值是去掉多徑反射影響而相對真實反映目標視在角的，因此，天線將跟著目標視在角而運行，即跟隨目標而運行，從而達到了平穩準確跟蹤目標的目的。

結語

在低仰角條件下跟蹤，無線電跟蹤系統的跟蹤精度及穩定性會受到嚴重影響，鑒于飛行目標所在的環境比較復雜，通常只能盡量減少低仰角時多路徑效應帶來的影響。本文分析了低仰角跟蹤時多路經效應對跟蹤系統的影響，提出了基于多信息源的目標測量模型建模、數據融合與最優估計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程中多徑效應的影響，并提高跟蹤系統的跟蹤精度及穩定性。