影響二次雷達測角性能的主要因素及提高措施

中國西南電子技術研究所 王 誼

影響二次雷達測角性能的主要因素及提高措施

中國西南電子技術研究所 王 誼

本文敘述了車載一維相控陣二次雷達單脈沖測角原理，由地面反射引起多路徑效應，以及車輛的運動等因素大大降低了測角精度，對這些影響單脈沖測角性能的主要因素進行了詳細的分析和計算。根據工程實踐，給出了提高精度的方法，這些措施可以大大提高一維相控陣二次雷達的測角精度。

SSR ADS-B；測角精度；標校

1.引言

二次雷達設備在空中交通管制中發(fā)揮著重要的作用，可以為管制工作人員提供比一次雷達精度高的航跡數據，還能提供識別信息，即飛機的代碼，當飛機發(fā)生故障、通信系統(tǒng)失效或遇到劫持時，能夠提供危機警告信息。為了監(jiān)視空域，和管理一些臨時空域，需要發(fā)展車載二次雷達設備，快速部署到監(jiān)視區(qū)域。與陸地固定安裝的二次雷達相比，有其共同的特點，也有其獨特的一面，主要是受安裝環(huán)境的影響，不能安裝大尺寸的機械掃描天線，需要安裝一維相掃的天線，特別是在空曠區(qū)域監(jiān)視時，地面的反射很強，多徑效應非常顯著。針對這些情況，本文分析了影響二次雷達測角精度的主要因素，針對這些問題，提出了一些解決措施，在實際應用中達到了預期的效果。

2.精度分析

二次雷達測角時，多種因素的影響都將產生測角誤差。按誤差的類型可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差可通過校正加以消除或減小，隨機誤差則難以消除，它們直接影響測角的精度。在雷達的各種測角方法中，單脈沖測角方法因實現(xiàn)簡單、穩(wěn)健性好等優(yōu)點，在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 目前，實際中應用最廣泛的單脈沖測角方法主要有四種：振幅-振幅式，相位-相位式，振幅和-差式及相位和-差式。針對本設備中使用的振幅和-差式單脈沖測角方法，分析影響測角精度的主要因素。

圖1 陣列天線振幅-和差式單脈沖測角的原理框圖

圖2 和差方向圖

2.1 振幅和-差式單脈沖測角

由于在使用和-差角度鑒別器的單脈沖雷達對于接收支路特性的相位一致性要求相對不太苛刻，所以比較普遍的用于現(xiàn)代的一些雷達站。這種方法所要求的設備量少，除要求和差通道的增益均衡外，對兩路之間的相位關系要求不高，具有較大的實用價值。其原理框圖如圖1所示。

在這種單脈沖系統(tǒng)中，應答信號從天線的輸出端加到比較器進行應答信號的相加和相減。由比較器輸出的高頻和通道信號及差通道信號分別輸出到和及差接收支路，經接收機變換成中頻信號，同時放大到所需的電平。誤差角θ在一定范圍內與差信號的幅度成正比，差信號的幅度可以確定角偏離的大小，而和通道信號與差通道信號之間的相位差則確定偏離角的符號，即目標對于等強信號的偏移方向。

由圖2可見，天線輸出的差信號的相位隨目標偏離等強信號的方向而不同，它可能與和通道信號同相，也可能與和通道信號反相。在沒有誤差時(即目標與天線等強信號方向重合時)，加到兩個接收支路輸入端的目標應答信號的振幅相等，因此，差信號等于零。

假定天線對功率平均分配，則天線輸出的和信號及差信號分別為：

經過限幅、變頻和放大后，可以將信號處理分機輸入端的和通道信號及差通道信號表示為：

式中k1、k2—和差之路天線信號增益；1φ、2φ—支路中的相移；

在信號處理后得到：

kφA—為信號處理器鑒相后的傳輸系數

因為在一個特定的系統(tǒng)中，天線方向圖和鑒相器特性已經確定，所以信號處理器中鑒相輸出信號只與目標的偏離方向有關。

2.2 影響系統(tǒng)角度測量精度的因素

從理論上說，相控陣具有很高的角度測量精度，但由于多種因素的影響，使實際的角度測量的精度難以達到理想的要求。導致角度測量精度下降的原因主要有：(1)系統(tǒng)內部誤差，包括系統(tǒng)各組件幅相不平衡引起的非線性誤差及系統(tǒng)噪聲等；(2)由天線的角位置轉換為角坐標過程中引起的轉換誤差；(3)目標誤差，例如應答信號起伏、角閃爍以及目標運動而引起的跟蹤滯后誤差；(4)傳播誤差，包括對流層和電離層折射率變化帶來的無線傳播途徑偏離直線的誤差及環(huán)境干擾等。固定誤差和隨機誤差中的統(tǒng)計平均值屬于系統(tǒng)的誤差，從原理上可以予以補償；隨機誤差的大小只能用其方差表示，它對角度測量精度的影響起到決定性的作用，且難以進行補償。

主要誤差的形成機理及其對角度測量精度的影響歸納如下：

1)中頻對數放大器對數精度引起的角度測量誤差

本設備中采用中頻信號處理，接收機輸出中頻信號，其對數放大精度≤±0.5dB，取最大0.5dB。假定天線在波束范圍內1度的和差幅度比值差為9dB，因此對數斜率：1/9=0.11度/dB。由幅度誤差造成的方位隨機誤差：0.11度/dB*0.5dB=0.06度。

2)天線指向精度引起的角度測量誤差

設備采用數字移相器，具有結構簡單，低能耗，移相速度快，移相值穩(wěn)定，工作電壓低，易于計算機控制等優(yōu)點。數字式移相器雖然具備以上優(yōu)點，但不能連續(xù)移相，移相值只能為最小相位值的整數倍，產生移相器的相位量化誤差。相位量化誤差的存在使相控陣天線各天線單元的實際饋電相位和理論值出現(xiàn)偏差，造成天線波束指向精度降低；同時相位量化使主瓣的波束展寬，增益降低，損失的能量分散到旁瓣中去又造成旁瓣電平增加，使相控陣的指向精度進一步下降。表1是實測的天線指向誤差。

表1 天線指向誤差

最大的指向誤差是0.14度，指向引起的隨機誤差是0.067度。

3)一維相位掃描兩坐標雷達天線波束的傾斜引起的角度測量誤差

方位上一維相位掃描兩坐標雷達天線波束在俯仰上為寬波束，其天線波束最大指向會隨著仰角的增大而發(fā)生偏移，隨著方位掃描角與仰角的增大，這一波束最大值偏移將快速增加。由此帶來的不良后果是方位上相位掃描的一維相控陣雷達在大掃描角度情況下，對位于不同仰角上的目標進行測角時，將有不同的方位測量系統(tǒng)誤差；對于高仰角的目標，這一誤差將是相當大的。(如圖3)

克服這一缺點的方法是根據目標的仰角和掃描角度對測量值進行補償。

4)路面引起的車身搖動

裝備車在路上行駛，因受到地面不平的作用而產生搖擺運動，裝備車坐標系和以雷達天線陣面為基準的雷達坐標系也隨之運動起來，于是裝備車坐標系和雷達坐標系不再與大地坐標系一致，天線波束不能按預期要求穩(wěn)定的指向目標，導致降低作用距離，加大測量誤差，甚至丟失目標，破壞了雷達的正常工作狀態(tài)。因此必須設法穩(wěn)定雷達天線的波束。車載雷達天線波束的穩(wěn)定方法大致分為機械穩(wěn)定和電氣補償兩種。本設備天線固定安裝在車輛上，傳統(tǒng)的機械穩(wěn)定平臺體積大，造價高，不便于安裝；故目前的做法是采用電氣補償，在雷達天線的俯仰和方位軸上進行補償來穩(wěn)定天線的指向，滿足指向精度要求。

圖3 天線波束傾斜引起的角度誤差圖

圖4 一維線陣系統(tǒng)

圖5 天線波束指向誤差

5)接收機內部熱噪聲引起的角跟蹤誤差

由于接收機熱噪聲的存在，即使天線中心軸對準了目標，接收機中頻輸出端仍然有噪聲電壓輸出，在中頻鑒相時，噪聲會直接地影響鑒相輸出，嚴重時會導致輸出的正負號反向；噪聲疊加在信號上，差通道信號的頂部不平坦度增加，隨機誤差變大。通過分析可知，信噪比越大，噪聲引起的角度測量誤差就越小。

6)應答頻偏產生的方位誤差

二次航管的工作頻率為詢問1030MHz，應答1090MHz，但實際工作中，由于不同的應答機應答頻率是不一致的，應答頻率有±3MHz的誤差存在。頻率的偏置對相控陣天線的方向圖、天線指向以及A/D采樣的信號幅度都產生了影響，進而影響到測角精度。

相控陣天線方向圖形成時，信號頻率是選定的某一固定頻率，即將雷達信號當成連續(xù)波信號，實際所用的脈沖信號含有一定的頻帶寬度，天線方向圖計算公式中的波長(λ)或信號頻率(f)不是一個固定不變的量，如圖4為一維線陣系統(tǒng)，第i單

圖6 接收機的和差通道的輸出則存在很大差異

圖7 校準以前的和差通道的幅度不一致性

圖8 校準以后的和差通道的幅度不一致性

將波長λ以信號頻率f與光速c表示，d/c以Δt表示為電波在單元距離之間的傳播時間，則一維相控陣天線的方向圖為：

從公式可以看出，天線方向圖會隨信號頻率(f)的改變而改變。

信號頻率的變化同樣對相控陣天線波束指向有影響，其關系為：

上式反映了信號頻率由f0變?yōu)?f0+?f)后所引起的天線波束指向的偏移?θf，這一現(xiàn)象反映了天線波束指向隨信號頻率的改變在空間擺動，圖5為當頻率偏移從0至最大達到3M，波束掃描角度為47.5度時的天線波束指向誤差，可以看出天線指向最大偏移為0.171度。

在外場，詢問機和應答機之間做了頻偏±1M連續(xù)波的測角試驗：

頻率 角度1089M-0.09 19.96-19.9 30 44.92-45.05 1090M 0 20 -20 30 45 -45 1091M-0.06 20 -20 30.02 45.12-44.9

在頻偏±1MHz以內測的角度測量的隨機誤差為0.06度。

7)角噪聲(角閃爍)引起的角度測量誤差

雷達對目標的跟蹤都是對目標的視在中心進行跟蹤，一個復雜的目標，其視在中心的位置隨著目標的運動姿態(tài)變化而變化，而且這種變化是隨機的，目標的角閃爍使得雷達天線抖動，產生測量誤差。通過研究發(fā)現(xiàn)，目標角閃爍引起的角度測量誤差與距離成反比。因而角閃爍對中、近距離的目標角度測量影響較大，對遠距離的測量影響相對較小，甚至可以忽略。

8)A/D變換引起的角度測量誤差

SSR的動態(tài)范圍55dB，采用10位的模數轉換器，步進為：±LSB，

精度為±LSB/2=0.027dB，天線在波束范圍內1度的和差幅度比值為9dB，及1/9=0.11度/dB

由量化誤差造成的方位誤差：

sc=0.027*0.11=0.003°。

9)航向誤差

裝備車的最大轉速4°/S，裝備車航向信息50次/秒，航向數據最大誤差：

10)多徑影響

當設備車部署在空曠區(qū)域時地面對電磁波在俯仰方向上的鏡面反射、天線安裝面不嚴格水平以及地面反射點不完全水平等因素綜合造成多徑。

當雷達天線俯視鏡面反射的表面時，會產生多徑干涉現(xiàn)象。若發(fā)生鏡面反射，從天線到目標的雷達電磁波有兩個不同的路徑：直射路徑和反射路徑。由圖一可知，兩條路徑的傳播的距離是不相同的，這就導致了直射波和反射波之間的相位差，它是產生多徑效應的主要原因。

根據電磁波傳波的基本原理，若距離差S，則相位差等于2πS/λ，其中λ是雷達的波長。附加相位差是反射表面的反射系數引起的，有時是由天線在直射方向和反射方向上傳播因子的相位差引起的。由于相位差，直射波和反射波在目標處要么干涉相加，要么干涉相減。從干涉的角度看，當相位差為2π的整數倍時，干涉是等效的。當動目標以恒定高度接近雷達時（仰角增加），方向圖傳播因子將在最大值和最小值之間周期變化。當方向圖傳播因子出現(xiàn)最小值時，航跡出現(xiàn)斷點。

11）其它因素

多路傳播引起的角度測量誤差、機載航管應答機C模式高度測量誤差和動態(tài)系統(tǒng)的滯后等都有可能使得角度測量的精度降低?？偟恼`差為0.108度。

3.提高系統(tǒng)角度測量精度的方法

(1)建立接收機中頻輸出對數曲線表，確保對數精度

接收機是影響單脈沖測角精度的另一個重要因素，由于接收機的和差通道的增益存在不一致性，因此對于相同的輸入信號，接收機的和差通道的輸出則存在很大差異，如圖6。

由圖8可以看出，隨著輸入信號的不斷增大，和通道的輸出信號增益大于差通道的輸出信號增益，因此需要對接收機進行校準后才能正常工作。

接收機的動態(tài)范圍為55dB，因此如果在每個電平下都進行校準(每隔1dB為一個電平)，難度較大。本方案采用分段校準的方法，即把輸入信號分成高、中、低三個電平范圍，每個電平內取一個點進行校準，這種方法則相對簡單。

圖7為校準以前的和差通道的幅度不一致性，從圖上可以看出，和差通道不一致性最大為2.5dB.

圖8為校準以后的和差通道的幅度不一致性，從圖上可以看出，和差通道不一致性最大不大于0.4dB。滿足了指標要求的和差通道的幅度不一致性小于0.5dB。

(2)利用車載雷達天線的電子穩(wěn)定方程補償雷達指向

裝備車在行駛過程中時受地面影響會產生復雜的運動，這些運動可分為3個方向的平動(前進、起伏、橫漂)和3個方向的轉動(橫搖、縱搖、車首尾搖)，利用二次航管測角原理、天線安裝位置參數、縱搖和橫搖角度，經過坐標變換，得到了車搖對目標測角影響的模型。用此模型計算出目標位置經過車搖補償后在大地平面上的位置，該位置應當與車搖后飛機所在位置一致，即可實現(xiàn)電子穩(wěn)定的目的。

二次航管雷達通過單脈沖測角獲得目標在車身坐標系的方位Ac、距離S，通過C模式代碼獲得目標在大地坐標系下的高度h。裝備車航向角H、縱搖角P、橫滾角R、目標大地坐標系俯仰角Ed、目標車身坐標系方位角Ac。

把Ac、S、h、H、P、R代人(1)～(7)式，公式形式可變?yōu)椋?/p>

帶入(8)、(10)并將公式兩邊平方后求和可得如下形式：

1=b1·(sinEc)2+b2·sinEc+b3 (11)

解上式可計算出sinEc，再帶入(8)、(9)、(10)可計算出Ad。

通過以上計算就可以確定目標在大地坐標系下的方位和在車身坐標系下的高度。

用二自由度搖擺臺模擬車搖，對車搖模型和二次航管單脈沖測角穩(wěn)定進行了試驗，并和GPS數據進行了對比分析。實驗證明，該模型可用于二次航管車載電子穩(wěn)定系統(tǒng)

(3)補償一維相位掃描兩坐標雷達天線波束的傾斜引起的角度測量誤差

一維相位掃描兩坐標雷達天線波束的傾斜引起的角度測量誤差隨著仰角和掃描角度的增大而增大。誤差公式如(12)所示，其中αφ是天線相鄰單元之間波束控制數碼的增量，d1是天線單元間距，K是數字式移相器的計算位數，B是目標的俯仰角度。

根據二次航管應答機的C模式代碼和目標的距離計算出目標的仰角，依據仰角和天線的掃描和掃描角度按照公式(12)修正波束指向，消除天線波束傾斜引起的角度測量誤差。

(4)充分利用應答信息減小接收機內部熱噪聲引起的角跟蹤誤差

在接收解碼通道中，所有應答脈沖F1、F2框架內最多有12個數據脈沖，經過解碼后，根據脈沖數進行平滑。隨機誤差在～之間平滑后得到改善。

(5)降低波束分裂對航跡的影響

對天線俯仰面和差通道賦形，通過減小天線俯仰面波束寬度降低地面反射信號上的增益以改善波瓣分裂情況，通過降低差通道旁瓣電平降低折射信號增益以改善和減小幻影。

針對波瓣分裂出現(xiàn)斷點的情況，目前在航跡處理方面采用了斷點預推法。斷點預推可根據先前形成的航跡預先判斷目標運動趨向，出現(xiàn)斷點時根據天線掃描周期在目標運動趨向上，由軟件自動補足若干個周期的航跡，從而達到航跡連續(xù)的目的。

(6)通過Kalman濾波器對目標位置進行平滑

信號處理分機測出目標的距離和方位等信息，形成點跡發(fā)送給航跡處理器，航跡處理器對點跡進行處理，將目標的原始數據，即距離、方位及代碼(包括識別碼和高度碼)進行凝聚處理，建立目標航跡，識別并糾正由于干擾或應答解碼錯誤引起的應答代碼錯誤，去除假目標，通過Kalman濾波器對目標位置進行平滑，形成最終的目標報告。

4.結束語

由于引起測角誤差的因素很多，認真分析引起這些誤差的主要因素，對引起誤差的這些主要因素分別進行修正改善。在外場的試驗中，這些方法得到了驗證，可以大大提高單脈沖測角精度。

[1]張尉,徐炎祥.二次雷達原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[2]張驛,王輝,溫劍,張云,何海丹.搖擺狀態(tài)一維相控陣天線波束指向修正[J].電訊技術,2011,51(6).

[3]MH/T 4010-2006,空中交通管制二次監(jiān)視雷達設備技術規(guī)范[S].

王誼（1979—），男，四川邛崍人，工程師，主要研究方向：二次雷達。