多徑效應對追蹤體系的作用論文
當無線電裝置跟蹤目標的仰角很低時，散射訊號就會進入天線的主波束範圍內，造成直射訊號與反射訊號的向量疊加，從而造成了跟蹤測量誤差的產生。由於多路徑上的訊號反射會使得在地平面以下形成目標的映象，對某些無線電測量裝置來說，若其跟蹤目標的仰角過低，由於鏡面反射訊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，以致於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裝置的低仰角跟蹤問題。
低仰角跟蹤時多徑效應對測量裝置的影響
大部分無線電測量系統的跟蹤體制都是單脈衝體制，在進行目標跟蹤測量時都是利用天線的和、差方向圖函式來測量目標方向的。用ε表示目標相對於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Ｆ（ε），差波束電壓增益為ＦΔ（ε），經過跟蹤接收機的訊號接收解調後送給伺服系統的誤差控制訊號為Ｕｅ（ω）＝ＦΔ（ε）／Ｆ（ε），伺服系統在誤差訊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係。考慮到地面反射波的影響後，系統的和通道訊號強度為：（ε）＝Ｋ［Ｆ（ε）＋ｅｊφＦ（θｒ＋θ－ε）］系統的差通道訊號強度為：Δ（ε）＝Ｋ［ＦΔ（ε）＋ｅｊＦΔ（θｒ＋θ－ε）］式中：Ｋ為常數；θ為天線仰角；θｒ為地面反射餘角；為地面反射係數的模；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係在接收機中和通道訊號對差通道訊號歸一化並經相關檢測後，將同相分量輸出作為伺服的誤差控制訊號，表示式為［４］：Ｕｅ（ε）＝Ｒｅ［Δ（ε）／（ε）］＝｛ＦΔ（ε）Ｆ（ε）＋２ＦΔ（θｒ＋θ－ε）Ｆ（θｒ＋θ－ε）＋ｃｏｓφ［ＦΔ（θｒ＋θ－ε）／Ｆ（ε）＋ＦΔ（ε）／Ｆ（θｒ＋θ－ε）］｝／［Ｆ２（ε）＋２Ｆ（θｒ＋θ－ε）＋２Ｆ（ε）Ｆ（θｒ＋θ－ε）ｃｏｓφ］（１）式中：ε為目標相對於天線瞄準軸的偏轉角；Ｆ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，由於地面或海面反射波的存在，天線接收到的訊號還包括各方向上的多徑訊號，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訊號也不是零。倘若要讓角誤差訊號為零，則必須將天線另外偏轉一個角度，使之與多徑反射訊號相抵消，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係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為地面反射係數的相角；ｒ為天線和目標在地面的投影間距離；ｈ１，ｈ２為天線、目標相對於反射面的高度。經過分析可以看出，式（１）分子的第３項ｃｏｓφ［ＦΔ（θｒ＋θ－ε）／Ｆ（ε）＋ＦΔ（ε）／Ｆ（θｒ＋θ－ε）］不僅取決於天線波束及其指向、地面反射性質，而且還取決於直射波和地面反射波的相位差。所以角誤差控制訊號與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，必須採取措施以解決多路徑存在時的穩定跟蹤問題［５］。
多徑反射訊號進入天線主瓣時，訊號較強，它既影響差方向圖訊號，也影響和方向圖訊號，多徑效應的影響不能只用Δ／曲線的線性段來估計，而必須考慮反射對和波束、差波束的向量關係綜合求解。
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，和差訊號的衰落越大。當天線處於負仰角工作狀態時，目標和映象相對於觀察點的張角很小，兩者實際構成了密不可分的二元目標。目標直射訊號和映象反射訊號強度是等量級的，因而訊號衰落嚴重。若地面反射係數較小，如＜０．５，二元目標的視在角將繞實際目標位置上下波動；若＞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°，則訊號衰減嚴重，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效能，結合無線電測量裝置的特點採取以下幾方面措施：
目標離跟蹤裝置距離較近時，由於目標角速度相對較大，可採用寬頻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。當目標距離裝置逐漸變遠時，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裝置而減小，這時伺服系統可採用窄帶跟蹤，以此來提高測角精度［８］。採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於引導狀態，渡過盲區後再轉入閉環跟蹤。
分集技術是改善低仰角跟蹤效能常用的一種方法，主要有頻率分集、訊號極化分集等。某些無線電跟蹤裝置採用的跟蹤接收機數量多，而由於多徑效應的影響，各接收機接收到的訊號幅度有很大的差別，採用多臺接收機接收兩種相互正交的極化分量，然後進行合成，這樣就能提高信噪比，可有效減少多徑造成的訊號衰落影響。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訊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，希望平滑週期大於天線抖動週期。但實際上天線抖動週期是隨目標距離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，因此要想使平滑週期在任何條件下都大，對於天線角抖動週期是難於實現的。儘管如此，通過實踐表明，平滑濾波仍然明顯改善了天線的抖動。
多資訊源的目標測量模型建模、資料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，綜合利用多個資訊源資料，可對天線的低仰角跟蹤起到積極作用。利用這些“多資訊源”的優勢，在實時漸消記憶遞推最小二乘估計的基礎上，根據不同資訊源的狀態，對不同資訊源實時地進行不同的加權，然後對資料進行融合並對多資訊源進行最優估計，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。計算機將採集到的三組目標測量資訊與天線實時指向角一起進行目標測量模型建模、資料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執行到目標視在角估計值位置。由於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執行，即跟隨目標而執行，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，鑑於飛行目標所在的環境比較複雜，通常只能儘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，提出了基於多資訊源的目標測量模型建模、資料融合與最優估計演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，並提高跟蹤系統的跟蹤精度及穩定性。
