多路径效应误差（共4篇）
多路径效应误差 篇1
GPS是英文Global Positioning System (全球定位系统) 的简称。GPS是20世纪70年代由美国军队联合研发并自主生产的新一代空间卫星导航定位系统, 其主要任务是为陆军、海军、空军三大领域提供实时性、全天候性以及全球性的信息, 并用于情报信息获取、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。
GPS在现代科技领域得到了广泛的应用, 它的主要工作原理是通过地面接收设备接收卫星传送的信号, 进而测定地面点的三维坐标数据。它能广泛应用于全球的一个重要原因在于它的高精度, 它对目标的定位精度达到毫米级别。但其在使用过程中也会产生误差, 为了达到更高的水平, 要对测量误差实施一些改进措施。在GPS相对定位中, 当获取GPS定位数据时, 其主要在于怎样消除和减少GPS信号的传播误差。这些传播误差包括电离层和对流层的时延误差和多路径效应误差。我们可以利用模型改正或双差方法消除或削弱除多路径效应误差以外的传播误差, 但是, 由于多路径效应误差的随机性, 我们不能基于采集的观察数据来建模, 因此消除或者削弱多路径效应误差是比较困难的。
1 多路径效应误差
1.1 多路径效应误差概念
GPS信号接收机所测得的站点距离应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论上应该是GPS信号接收天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心, 称为直接波。GPS接收天线除了接收直接波以外, 还接收间接波, 包括星体反射波、介质散射波等。GPS信号接收机所接收的GPS信号是由直接波和间接波所合成的信号。通常认为的“多路径误差”其实是所测的站点距离误差, 由间接波对直接波的破坏干涉而引起的。由这种破坏干涉所引起的时延效应叫作“多路径误差效应”。
1.2 多路径效应误差特性
多路径效应误差主要有以下几个特征:1多路径效应误差包括随机部分和周期性部分, 随机部分在观测时间段内一直存在, 它决于天线周围的具体环境, 属于系统误差, 无法削弱和消除。2GPS接收机中的相关器特性和跟踪锁定环特性能够决定多路径效应造成的误差量级。3在静态测量中, 也就是测量点位坐标时, 情况良好时, 多路径效应误差对伪距观测造成的影响约为1.3 m, 在反射很强的环境情况下大概为4~5 m;情况严重时可能引起信号失锁。4多路径效应误差的大小也与卫星的仰角有关, 其影响与卫星仰角成反比, 多路径效应误差的影响随仰角的减小而增大。
由于这些特征的存在, 我们在研究多路径效应误差时, 就应该综合考虑这些因素的影响。
2 GPS“多路径效应误差”的处理技术
GPS“多路径效应误差”的处理技术由于天线和接收器硬件技术的提高得到了很大的改进。目前降低“多路径效应误差”的技术大致可以分为空间处理技术、数据后处理技术和接收机改进技术三种。
2.1 空间处理技术的应用
2.1.1 选择合适的天线站址
多路径效应误差的产生原因主要有两方面:1卫星信号的方向和反射系数;2反射物与接收站之间的距离关系。天线接收方面的处理技术主要是通过某种技术手段将原始信号和反射信号分离, 以达到削弱多路径效应误差的目的。
2.1.2 天线加装抑径盘和扼流圈
所谓“抑径盘”, 指的是在天线底部加装一个扁平圆盘, 它的半径可以通过r=h/sin Z计算。
2.1.3 定向天线阵列
使用天线阵列是空间处理技术中用来降低多路径效应误差的一个更好的方法, 使用天线阵列有两个主要的作用:1可以在原始信号路径的传输方向上建立一个高度定向的空间相应模式;2可以减少次级传输信号的通过。
2.2 数据后处理技术的应用
现在的GPS在天线和接收器的硬件方面得到了很大的提高。与此同时, 数据后处理技术的配合使用也大大增加了GPS数据的精度。所谓“数据后处理技术”, 是从原始的观测技术或定位结果数据中提取多路径效应误差的影响。近年来出现了多种数据后处理技术, 主要有以下几种。
2.2.1 信噪比技术
我们可以通过多路径效应的周日重复性和其对周边观测环境的依赖性预判出多路径效应误差的存在, 主要在特定卫星、特定时间段上的判断。当多路径效应误差发生改变时, 信噪比会相应降低, 根据观测值的信噪比降低受多路径效应误差影响的观测值的比例, 从而削弱多路径效应误差。
2.2.2 扩展卡尔曼滤波技术
根据小范围多天线系统中多路径对各天线之间伪距测量值的相互影响, 可得到削弱多路径效应误差的方法, 其主要过程为通过使用扩展卡尔曼滤波技术来获取多路径信号的各种参数, 然后在接收信号中消除多路径信号。
在GPS定位测量中, 多路径效应误差是影响数据精度的一个重要因素。而本文介绍的误差处理技术对降低多路径效应误差效应有很大效果。虽然以上几种多路径效应误差的处理技术有助于降低多路径效应误差, 但它们仍存在一些问题。空间处理方法在误差处理方面有一定的效果, 但其成本比较高, 而且可行性比较低;接收器改进技术可以比较出色地解决多路径效应误差, 但是这项技术比较高端, 很难普及。
3 结束语
本文主要对多路径效应误差的原理以及如何削弱或消除多路径效应误差进行了介绍。在以后的GPS使用中, 多路径效应误差的研究是热点问题, 在工程实践中, 即使延长其观测时间也不能完全消减多路径效应误差对精度的影响。在实际观测中, 特别是在进行高精度导航测量中, 必须要降低多路径效应误差带来的影响。
参考文献
[1]陈凯, 俞庆.GPS多路径效应原理及数据后处理方法研究[J].城市道桥与防洪, 2010 (04) .
多路径效应误差 篇2
车载定位导航系统是集中应用了自动车辆定位技术、地理信息系统与数据库技术、计算机技术、多媒体技术、无线通信技术的高科技综合系统, 为车辆驾驶员提供自动车辆定位、行车路线设计、路径引导服务、综合信息服务、无线通信等功能。提供车辆的位置、速度和航向等信息是车辆导航定位系统的首要功能。对任何性能良好的车辆定位导航系统来说, 精度可靠的车辆定位是实现导航功能的前提和基础。
在车辆定位导航系统中, GPS定位误差的性质与其他GPS应用中的误差有所不同。因为车辆主要在高楼林立、林荫道纵横的城市环境中运行, 所以城市当中的电磁环境会严重的干扰GPS信号而使定位误差增大, 同时GPS接收机将遭遇非常复杂的, 且变化无常的多路径。在存在恶劣多路径的环境下, 多路径定位误差可高达几十米, 甚至上百米。因此在车辆导航定位中, 多路径误差就成为一个必须考虑的误差源。
1 多路径误差的原理及特性
1.1 多路径误差的原理
GPS信号接收机所测得的站星距离, 应该是GPS信号接收天线相位中心至GPS卫星发射天线相位中心的距离。接收的GPS信号理论上应该是从GPS卫星发射天线相位中心直接到达GPS信号接收天线相位中心, 称之为直接波。实际上除了直接波还有:地面反射波, 星体反射波, 介质散射波等几种间接波。GPS信号从高空通过电离层和对流层而到达地面时包括了直接从GPS卫星到达用户接收天线的直接波以及经过反射和散射而到达用户接收天线的间接波。GPS信号接收机所观测的GPS信号是直接波和间接波的合成波。所谓的“多路径误差”就是间接波对直接波的破坏性干涉而引起的站星距离误差。这种由多路径的信号传播所引起的干涉时延效应被称作多路径效应。
在GPS信号接收天线接收的间接波中以地面反射波为主, 现以地面反射为例来说明这种组合。若天线收到卫星的信号为S, 同时收到经地面反射后的反射波信号S′。显然这两种信号所经过的路径不同, 其路径差值称为程差, 用Δ来表示, 由图1可以看出:
式中, H为天线离地面的高度, 反射波和直接波间相位延迟θ, 为
式中λ为载波的波长。
由于反射波一部分能量被反射面吸收、GPS接收天线为右旋圆极化结构, 有抑制反射波的功能, 所以反射波除了存在相位延迟外, 信号强度一般也会减少。
1.2 多路径误差的特性
经过一系列的研究和实验, 我们发现多路径效应有如下一些特点:
(1) 无论是码观测值还是载波相位观测值, 都受多路径误差的影响, 其中码观测值的多路径影响更为复杂些。其误差大约是载波相位多路径影响的几百倍。
(2) 在静态的测量中, 多路径误差对伪距观测的影响在良好条件下约为1.3m, 在反射很强的环境条件下约为4-5m, 严重时还将引起信号失锁。多路径效应对载波相位观测值的影响造成相位偏差, 给距离观测带入大约5cm的显著周期性偏差, 而高程影响可以达到±15cm。
(3) 多路径误差包括常数部分和周期性部分, 其中常数部分在观测时间段内一直存在, 无法削弱和消除, 周期性部分可通过延长观测时间予以削弱和消除。
2 多路径效应的消减方法
2.1 传统的技术
1) 接收机的方案
多路径误差在很大程度上取决于接收机的方案。若给定一组多路径参数, 相干延迟锁相环 (DLL) 的平均多路径误差比非相干延迟锁相环 (DLL) 的小。当多路径的相对相位变化率与码跟踪环带宽相比很大时, 相干 (DLL) 误差确实平均为零。
2) 采用相关器窄间隔的方案
在非相干DLL中采用超前和滞后相关器窄间隔的方法。利用小部分的相关函数 (在峰值周围) 来构成鉴相器, 可使最大多路径误差减少10倍, 并可完全消除相对延迟大约在一个码位或更大的多路径。
3) 采用抗多路经天线
在某些天线设计中, 通过增益方向图的赋形, 使天线自身具有部分多路径抑制性能。当用户天线离地面有一定高度时, 来自导航星的直达信号都从天线的主瓣上入射, 而由地面引入的多路径干扰主要从天线的旁瓣入射, 基于直达信号与多路径干扰的到达角不一样, 使用抗多路径天线是一种比较简单的方法。这种抗多路径天线的主瓣增益相对较高, 而旁瓣尽量小, 使等效反射系数很小, 达到抗多路径的目的, 适用于地面或海面反射的多路径干扰环境。
4) 采用空域和时域自适应天线阵列
该方法虽能抑制多路径效应, 但有时多路径误差可达几十米, 即使使用目前性能最优的接收机也难以消除如此大的多路径误差。
5) 采用加权几何精度因子选星的方法
采用加权几何精度因子选星方法并采用定位误差方差最小原则, 构造不同加权的GDOP值, 尽量不用那些多路径误差可能相对较大的观测方程。这种方法可以明显减小多路径对定位误差的影响。综合定位误差可减小到三分之一以下。
2.2 现代新技术
1) 多路径估计技术和多路径估计延迟锁定环技术
2) 利用信噪比SNR消弱多路径效应
通过分析GPS信号的信噪比SNR (Signal-to-Noise Ratio) 利用频率特性来消弱多路径效应。该方法从接收机接收的信噪比中包含了载波相位多路径的影响出发, 通过分离多路径信号成分和直达信号成分, 得到多路径对直达信号的影响量。来改正载波相位观测量, 达到消除或减弱多路径的目的。
3) 数字波束形成 (DBF) 技术与传统技术的结合
在天线部分应用自适应DBF算法, 干扰信号基本被消除, 但多路径信号残余较多, 尤其是当卫星处于较低的高度角时, 可能会发生多路径信号、电子干扰与卫星信号来自同一方向的情况, 此时DBF天线更难以消除多路径号和带内干扰, 需要在后处理中加入时域滤波和频域滤波等技术。
2.3 适用于车载定位导航中的技术
在城市环境下, 行驶的车辆所遭受的多路径随着位置的变化而变化。多路径干扰随空间和时间的变化而在不断的变化, 用单一的抗多路径天线空域处理或自适应滤波的时域处理方法都难以获得理想效果, 结合空域和时域两个方面的思想, 用时空自适应阵列处理应是一种比较好的选择。
在城市或者郊区, 多路径效应很明显且复杂多变, 多路径干扰主要是长程和短程混合信号, 这时需要基于导航信号的DBF+时域处理+频域处理的多维技术。此外, 削弱多路径效应的方法还有:利用非线性估计理论, 用扩展的Kalman滤波技术、用相位平滑技术、利用信噪比等一些技术。
3 结束语
车辆定位导航系统是智能运输系统中当前需求较为迫切、应用比较广泛的一个重要的应用系统, 是国际上公认的解决城市交通问题的有效途径之一。而如何提高车辆定位的精度也是车辆定位系统中需要迫切解决的事情。多路径效应是影响车辆精密定位的最大障碍, 如何消除或减弱多路径效应的影响已成为国内外学者研究的热点问题, 随着GPS接收机性能的提高, 新技术手段的应用, 多路径效应产生的误差定可以找到有效的消除或减弱的方法, 从而提高GPS车载导航的定位精度。
摘要：车辆定位导航技术是智能交通系统技术的核心部分, 是实现道路管理智能化的关键技术之一。本文分析了GPS车载导航系统中的误差, 并对多路径效应产生的误差进行重点分析, 通过对传统的解决多路径效应误差的方法的分析, 结合新技术指出了适合在车载导航定位系统中消除或减弱误差的方法, 从而可以提高车辆定位的精度。
关键词：车载定位导航系统,GPS,多路径效应,误差
参考文献
[1]徐绍铨, 张华海, 等.GPS测量原理及应用[M].武汉大学出版社, 2003.
[2]刘基余, 编.GPS卫星导航原理与方法[M].科学出版社, 2003.
[3]富立, 范耀祖, 编.车辆定位导航系统[M].中国铁道出版社, 2004.
[4]张波, 黄劲松, 苏林.利用信噪比削弱GPS多路径效应的研究[J].测绘科学2003, 28 (1) .
[5]邵连军, 王泽民, 等.GPS消除电子干扰和多路径效应的新方法[J].全球定位系统, 2004, 6.
多路径效应误差 篇3
1 多路径原理分析
GPS卫星发射天线相位中心到GPS信号接收天线相位的距离, 即为GPS信号接收机观测站星距离。GPS卫星发射中心向GPS信号接收天线相位中心传达信号就是所谓的GPS信号理论, 也就是我们所说的直接波动。其实, 不但有直接波, 还有星体发射波、介质散射波和地面发射波等多种形式的间接波。从高空中, GPS信号经过对流层和电离层向地面传递时, 涵盖着从GPS卫星直接到达用户接收机以及通过散射、反射, 向着用户接收天线的间接传播, GPS接收机在对GPS信号进行接收的过程中, 为直接与间接波结合在一起的波, 直接波破坏间接波二出现的距离误差, 就是多路径误差, 在传播这种多路径误差时出现的延时情况就是所谓的多路径传播。
2 影响因素分析
(1) 时空环境带来的影响。卫星相对与地物的空间, 同多路径效应产生密切联系, 地物对GPS信号的发射能力会影响到效应质量, 针对GPS信号而言, 山地、森林等反射能力弱, 水面的反射能力最强, 具体环境不同, 例如雨天、晴天, 其散射性、导电性和吸收性也会发生一定的改变, 然而, 突出的较为明显的发射信号却不存在, 会较为均匀分布器绕射信号的相对位置。
(2) 接收机的抑制与多路径效应有关。工作原理不同, 锁定GPS卫星信号的过程和GPS接收机跟踪会存在差异, 这样多路径效应就会在不同程度上影响到接收机输出的观测量, 在接收系统, 接收天线为其中的重要组成, 多路径效应的克服性与其性能有着非常密切的联系,
(3) 在量值上, 多路径效应的影响具备相应的范围。GPS接收机在跟踪锁定和相关对比信号时, 对多路径最终效应的出现, 会在量值的范围上进行控制, 就是会在一个码元的宽度中存在着码伪距, 而且, 在四分之一个载波波长范围内存在着相位。
(4) 频率会影响到多路径效应。当出现一致的多路径场景时, 会存在着相同的发射介质发射特性, 随着卫星的不断运动, 多路径信号就会将其入射角不断的进行改变, 而通常都会在相应的频率范围内进行这种物理现象。
3 防范对策分析
现阶段, 对多路径误差进行解决时有两种重要的方法:设计硬件与数据事后处理。对接收机内部载波跟踪环、延迟锁定环性能、天线构造的改进为硬件设计的主要内容。而针对大多数的用户而言, 从事后数据处理的角度入手是对多路径误差给予解决的主要方式。当路径存在于比较恶劣的环境下时, 可能会在米级存在着多路径测量的误差, 一旦没有解决多路径效应, 这样精度高的测量结果就不可能被获取出来, 因此, 为了能够削减其中出现的误差, 我们可以对这样的方式进行选择应用:
(1) 对合适的地址进行选择。应该在大面积平静水面较远的位置设置GPS观测站, 也不应该在盆地、金属矿区和山坡地区进行修建, 因为有非常强烈的发射信号会存在这种区域中, 同时, 具有电磁波发射源和高层建筑附近也不应该对GPS测站进行设置。
(2) 合理的设置接收机。接收机的设计方案在很大程度上会影响到多路径误差。一旦将一组多路径的参数给定出来, 非相干延迟锁相环要比相干延迟锁相环要大。码根踪环带宽和多路径的相对变化率进行比较, 一旦较大时, 平均值在相干误差中就会为零。
(3) 对有关器窄间隔技术进行使用。将超前与滞后相关器窄间隔的方法应用到非相干DLL中。在构成鉴相器时, 对小部分的有关函数进行使用, 能够将误差在最大路径中降低10倍, 而且能够在更大的多路径和码位中将相对延迟的误差予以消除。
(4) 对多抗路径天线进行使用。在设计某些天线的时候, 对增益方向图的赋形进行利用, 确保有多路径抑制的功能存在于天线自身当中。在用户所使用的天线与地面有相应的距离时, 就会从天线的主瓣上将导航星的直达信号输入进去, 通过地面产生的多路径干扰在入射时主要通过天线旁瓣来完成, 因为多路径干扰的到达角度和直达信号会存在一定的差别, 因此, 对抗多路径天线进行选取是一种非常简易的方式。
(5) 列阵时应用时域和空域自适应天线。随着时间和空间的变化, 多路径干扰也会不断改变, 利用自适应滤波的时域处理方法和单一的抗多路径天线空域处理方法, 很难将理想的效果获取出来, 因此, 我们应该选择时空自适应列阵处理方式。但是, 因为GPS接收机机动性、多通道和低沉本等特殊的要求, 现阶段我们能够使用的就是那些便于实现、简单的时空组合处理方式。
(6) 对加权几何精度因子选星方法进行使用。对这种方式进行选择, 将不同加权的GDOP值就能够生成出来, 对于较大多路径误差的观测方程尽量不要使用, 对于将多路径对定位误差的降低上这种方法必将发挥着巨大的作用。
4 结语
综上所述, 在科技发展推动下, 极大的推动了我国测量工程的发展, 而且多路经测量方式的应用极大的提升了测量工作质量和速度, GPS为多路径测量得以实现的重要保证, 文章分别程多路径测量的影响因素和防范对策进行了阐述, 进而为促进此项工作的顺利发展提供一定的帮助作用。
参考文献
[1]朱留军, 徐爱功.GPS测量中多路径误差分析[J].交通科技与经济, 2011 (08) .
[2]刘志强, 黄张裕, 金建平.利用卫星高度角和信噪比提高GPS定位精度的试验分析[J].测绘工程, 2008 (07) .
[3]成伟.GPS精密定位误差及其相位多路径误差分析研究[D].西安:长安大学, 2003.
降低多路径效应影响的研究 篇4
无线电跟踪系统在跟踪低仰角目标时,由于地面或海面反射波的影响,产生多径效应,这时接收信号是直接信号和海面反射信号的矢量合,相当于目标和它的像之间发生角闪烁,会导致跟踪目标精度的降低,甚至天线出现剧烈抖动,跟踪失效。
低仰角跟踪技术至今还没有一种公认的成熟技术,仍然是国内外广泛感兴趣的课题[1,2,3,4,5]。实际上低仰角跟踪的主要困难在于目标和影像是相关的,并且它们的相对相位只有缓慢的变化。直达波和反射波的路径相差不大,在海面上,它们仅在俯仰角坐标上是分开的,因此绝大部分误差出现在仰角跟踪通道中。在误差比较严重时,雷达中的残余窜扰可能在方位角通道中引起一些误差。
1 多路径效应的原理
单脉冲雷达跟踪系统是利用天线的和、差方向图函数来测量目标方向的[2,3]。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),则经馈源、信道和接收机送给伺服系统的误差控制信号为Ue(ω)=FΔ(ε)/FΣ(ε),该信号将控制伺服系统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。
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。一般情况下,地面和海面的反射波中起主要作用的仍是镜面反射。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:
Ue(ε)=Re[Δ(ε)/Σ(ε)]
={FΔ(ε)FΣ(ε)+ρ2FΔ(θr+θ-ε)FΣ(θr+θ-ε)+
ρcos φ[FΔ(θr+θ-ε)/FΣ(ε)+
FΔ(ε)/FΣ(θr+θ-ε)]}/[F2Σ(ε)+ρ2FΣ
(θr+θ-ε)+2ρFΣ(ε)FΣ(θr+θ-ε)cos φ] (1)
式中:ε为目标相对于天线瞄准轴的偏转角;θ为天线仰角;θr为地面反射余角;φ为接收点处直射波与地面反射波间的相位差;ρ为地面反射系数的模;FΣ为和波瓣电压增益;FΔ为差波瓣电压增益。
2 多路径效应对跟踪系统的影响
2.1 多路径效应引起测角误差
尽管未计入漫反射分量和天线馈线与接收机噪声,式(1)不足以准确描述结果,但该式足以说明多径反射条件下误差控制信号的组成成份和构成关系。分析此式可以看出,由于多径反射的存在,即使令天线瞄准轴指向目标(ε=0),接收机输出角误差信号也不为零。欲使角误差信号为零,必须将天线偏转一个角度使之与多径反射信号相抵消,这个偏转的角就是多径效应形成的角误差。
2.2 多路径效应引起天线抖动
在低仰角条件下,天线A、目标B及地面的关系如图1所示。
图1示出了目标、像和天线视线之间的几何关系。图中:T表示目标;I表示目标的像。几何参数的意义解释如下:θγ为目标的俯仰角;ha为天线高度;ht为目标高度;γ为天线视角的擦地角;R为天线和目标在地面的投影间距离;φ为接收点处直射波与地面反射波间的相位差:φ=(2π×2haht)/(λ×R)+φ0。其中,φ0是地面反射系数的相角。
通过对式(1)进行分析可以发现,分子的第3项ρcos φ[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、反射性质,而且还取决于直射波和反射波的相位差。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ht和R的变化,φ将连续,且迅速地变化,这一项将形成天线仰角方向的剧烈抖动,引起天线跟踪轴大幅度摆动,严重时将导致目标丢失。
2.3 多径效应引起信号衰落
多径效应使得在天线接收点处的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,直射信号和镜像反射信号的强度基本上是同量级的,较强的镜面反射信号可能完全抑制通道中的直射信号,信号衰落十分严重。
2.4 受多径效应影响的仰角区域划分
根据多径反射引起信号起伏的程度和跟踪测角误差的大小,将受多径效应影响仰角的范围分为旁瓣反射区、主瓣反射区和不稳定跟踪区。
(1) 旁瓣反射区,即地面反射只进入天线波束旁瓣的仰角区域,这是多径反射对跟踪有影响,但影响较小的区域。
(2) 主瓣反射区,该区域内多径反射进入天线主瓣,因而信号较强,它既影响差方向信号,也影响和方向信号。多径效应的影响不能只用Δ/Σ曲线中线性段来估计,而必须考虑反射对和波束、差波束的向量关系并综合求解。
(3) 不稳定跟踪区,在这个区域内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的强度是等量级的,因而信号起伏严重。如果地面反射系数较小,若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,视在角可能出现跳变,仰角或上跳至(1+ρ)θ/(1-ρ)或下跳至-(1+ρ)θ/(1-ρ)。在任何情况下,都可能使跟踪失败而丢失目标。
3 解决多径效应影响的技术措施
归纳起来,减小多径效应影响的技术途径主要有三类方式[3,4,5,6,7,8,9,10,11]:第一类是防止多径信号进入天线,这种方法所采用的主要手段有天线窄波束、双零点及空域滤波等;第二类是设法消除多径信号的影响,主要有斜视和双波束技术、空间平滑、分集接收、多站信息融合等;第三类是设法估计出目标参数。
在这三类方法中,第一类方法最为直接,然而它常受特点雷达的限制。要获得天线窄波束,只能靠提高工作频率或加大天线口径,然而这两条途径都受雷达探测距离和天线尺寸的限制,因此这里仅对后两种方法的几种技术进行重点介绍。
3.1 双波束技术
雷达天线在俯仰角方向采用偏焦双波束,两波束形状相同,且满足如下条件:
(1) 两偏焦馈源之间间距较小,以至从目标或像的回波到达两馈源有几乎相同的相位差。
(2) 采用窄的俯仰波束且目标和像都处于主波束内,这对于低高度目标是容易满足的。
(3) 俯仰轴视线指向目标和它的像的中点,视线轴指向角可通过目标的斜距和天线的高度计算得到。
由图1可得如下几何关系:
undefined
由式(2)可知,当目标的斜距R被测以后,未知量只有θγ。θγ可以通过测量两波束输出电压V1和V2与它们之间的相角得到,最后可采用搜索法求解目标的高度。
3.2 分集技术
地面反射波对跟踪系统的影响主要表现在俯仰支路。改善低仰角跟踪性能常用的一种方法是分集技术[5],主要有频率分集接收、不同高度天线分集接收、信号极化分集合成接收方法。
低仰角测量误差与雷达的工作波长有关,可以采用多个工作点频。对每个点频,可以获得一组目标的角度估值,通过多个点频测得的角度值乘以适当的加权系数联合求得比简单平均法更接近角度真值的估值。
由于多经效应的存在,跟踪接收机接收到的信号电平有很大的起伏,采用双通道接收机接收两种相互正交的极化分量,然后进行合成,提高了信噪比,能有效地减少由于多经效应引起的信号衰落。
3.3 多路径影响下低空目标跟踪模式设定
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,也可以引导跟踪的方案,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。
3.4 平滑滤波
由误差表示式可知,角抖动误差含因子cos φ,雷达站址一定时,φ值随目标距离r、高度ht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,即可减小其影响。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ht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。目标高度不同,仰角抖动情况的差别很大,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,实践表明平滑滤波仍然可以明显改善天线的抖动。
3.5 多站信息融合
测量误差取决于天线波束指向与目标的几何关系以及地面的反射特性,而与目标运动状态无关,所以对数据本身作平滑滤波等处理是不能减小多路径影响的。
在多雷达联合使用情况下各信息源是不相关的,因此对这些信息进行加权最小二乘处理就可在统计意义上减小多路径影响形成的偏差[3,10,11]。首先将采集到的经过平滑滤波的多源信息进行时间对准、坐标变换,然后进行数据融合,得到目标视在角估值,送给天线伺服系统,确保天线运行在目标视角估值位置上。因此,天线将对准目标运动,从而达到平稳准确跟踪目标的目的。所以在多个雷达站组网情况下,对两两俯仰角测量值进行加权最小二乘处理,以形成1个融合值,作为其他测站俯仰角的引导信息,可减小多路径效应带来的影响。
4 结 语
多路径效应会严重影响跟踪系统对目标的跟踪精度及稳定性。本文在介绍低空目标多路径效应形成原理的基础上,论述了多路径效应对无线电跟踪系统造成的影响,进而对降低多径效应影响的技术措施进行了分析探讨,利用这些技术手段能够达到有效减少多径效应引起的天线抖动、测角误差的目的,从而确保无线电跟踪系统对低空目标的平稳跟踪。
参考文献
[1]王国玉,汪连栋,王国良.雷达系统数学仿真与评估[M].北京:国防工业出版社,2004.
[2]Skolnik Merrivll I.雷达手册[M].王军,林强,译.北京:电子工业出版社,2003.
[3]耿文东,王元钦,张若禹.雷达组网减小多路径效应影响的探讨[J].现代雷达,2006,28(4):11-13.
[4]孙国平.雷达低角跟踪[J].舰船电子对抗,2007,30(3):49-51.
[5]李华敏.雷达低角跟踪分析与探讨[J].电讯技术,2002,42(1):32-34.
[6]刘荟萃,许晓勇,王飞雪.扩频测距系统中多径信号伪码跟踪误差分析及消除技术[J].全球定位系统,2005,30(6):34-38.
[7]陈栋.雷达低角跟踪性能影响分析[J].现代雷达,2006,28(8):18-21.
[8]张志,袁建平.GPS多路径效应对空间飞行器的影响及补偿[J].西北工业大学学报,1996,14(2):285-289.
[9]杨革文.探测跟踪系统低空多路径模型的研究[J].上海航天,2004,21(4):48-53.
[10]刘继东,吴金亮,孙书恩.某单脉冲雷达多路径仰角跟踪误差建模与计算[J].装备指挥技术学院学报,2007,18(1):83-86.