影响二次雷达测角性能的主要因素及提高措施

2013-01-29中国西南电子技术研究所

电子世界 2013年11期

中国西南电子技术研究所王谊

中国西南电子技术研究所王谊

本文叙述了车载一维相控阵二次雷达单脉冲测角原理，由地面反射引起多路径效应，以及车辆的运动等因素大大降低了测角精度，对这些影响单脉冲测角性能的主要因素进行了详细的分析和计算。根据工程实践，给出了提高精度的方法，这些措施可以大大提高一维相控阵二次雷达的测角精度。

SSR ADS-B；测角精度；标校

1.引言

二次雷达设备在空中交通管制中发挥着重要的作用，可以为管制工作人员提供比一次雷达精度高的航迹数据，还能提供识别信息，即飞机的代码，当飞机发生故障、通信系统失效或遇到劫持时，能够提供危机警告信息。为了监视空域，和管理一些临时空域，需要发展车载二次雷达设备，快速部署到监视区域。与陆地固定安装的二次雷达相比，有其共同的特点，也有其独特的一面，主要是受安装环境的影响，不能安装大尺寸的机械扫描天线，需要安装一维相扫的天线，特别是在空旷区域监视时，地面的反射很强，多径效应非常显著。针对这些情况，本文分析了影响二次雷达测角精度的主要因素，针对这些问题，提出了一些解决措施，在实际应用中达到了预期的效果。

2.精度分析

二次雷达测角时，多种因素的影响都将产生测角误差。按误差的类型可分为系统误差和随机误差。系统误差可通过校正加以消除或减小，随机误差则难以消除，它们直接影响测角的精度。在雷达的各种测角方法中，单脉冲测角方法因实现简单、稳健性好等优点，在实际系统中得到了广泛的应用。目前，实际中应用最广泛的单脉冲测角方法主要有四种：振幅-振幅式，相位-相位式，振幅和-差式及相位和-差式。针对本设备中使用的振幅和-差式单脉冲测角方法，分析影响测角精度的主要因素。

图1 阵列天线振幅-和差式单脉冲测角的原理框图

图2 和差方向图

2.1 振幅和-差式单脉冲测角

由于在使用和-差角度鉴别器的单脉冲雷达对于接收支路特性的相位一致性要求相对不太苛刻，所以比较普遍的用于现代的一些雷达站。这种方法所要求的设备量少，除要求和差通道的增益均衡外，对两路之间的相位关系要求不高，具有较大的实用价值。其原理框图如图1所示。

在这种单脉冲系统中，应答信号从天线的输出端加到比较器进行应答信号的相加和相减。由比较器输出的高频和通道信号及差通道信号分别输出到和及差接收支路，经接收机变换成中频信号，同时放大到所需的电平。误差角θ在一定范围内与差信号的幅度成正比，差信号的幅度可以确定角偏离的大小，而和通道信号与差通道信号之间的相位差则确定偏离角的符号，即目标对于等强信号的偏移方向。

由图2可见，天线输出的差信号的相位随目标偏离等强信号的方向而不同，它可能与和通道信号同相，也可能与和通道信号反相。在没有误差时(即目标与天线等强信号方向重合时)，加到两个接收支路输入端的目标应答信号的振幅相等，因此，差信号等于零。

假定天线对功率平均分配，则天线输出的和信号及差信号分别为：

经过限幅、变频和放大后，可以将信号处理分机输入端的和通道信号及差通道信号表示为：

式中k1、k2—和差之路天线信号增益；1φ、2φ—支路中的相移；

在信号处理后得到：

kφA—为信号处理器鉴相后的传输系数

因为在一个特定的系统中，天线方向图和鉴相器特性已经确定，所以信号处理器中鉴相输出信号只与目标的偏离方向有关。

2.2 影响系统角度测量精度的因素

从理论上说，相控阵具有很高的角度测量精度，但由于多种因素的影响，使实际的角度测量的精度难以达到理想的要求。导致角度测量精度下降的原因主要有：(1)系统内部误差，包括系统各组件幅相不平衡引起的非线性误差及系统噪声等；(2)由天线的角位置转换为角坐标过程中引起的转换误差；(3)目标误差，例如应答信号起伏、角闪烁以及目标运动而引起的跟踪滞后误差；(4)传播误差，包括对流层和电离层折射率变化带来的无线传播途径偏离直线的误差及环境干扰等。固定误差和随机误差中的统计平均值属于系统的误差，从原理上可以予以补偿；随机误差的大小只能用其方差表示，它对角度测量精度的影响起到决定性的作用，且难以进行补偿。

主要误差的形成机理及其对角度测量精度的影响归纳如下：

1)中频对数放大器对数精度引起的角度测量误差

本设备中采用中频信号处理，接收机输出中频信号，其对数放大精度≤±0.5dB，取最大0.5dB。假定天线在波束范围内1度的和差幅度比值差为9dB，因此对数斜率：1/9=0.11度/dB。由幅度误差造成的方位随机误差：0.11度/dB*0.5dB=0.06度。

2)天线指向精度引起的角度测量误差

设备采用数字移相器，具有结构简单，低能耗，移相速度快，移相值稳定，工作电压低，易于计算机控制等优点。数字式移相器虽然具备以上优点，但不能连续移相，移相值只能为最小相位值的整数倍，产生移相器的相位量化误差。相位量化误差的存在使相控阵天线各天线单元的实际馈电相位和理论值出现偏差，造成天线波束指向精度降低；同时相位量化使主瓣的波束展宽，增益降低，损失的能量分散到旁瓣中去又造成旁瓣电平增加，使相控阵的指向精度进一步下降。表1是实测的天线指向误差。

表1 天线指向误差

最大的指向误差是0.14度，指向引起的随机误差是0.067度。

3)一维相位扫描两坐标雷达天线波束的倾斜引起的角度测量误差

方位上一维相位扫描两坐标雷达天线波束在俯仰上为宽波束，其天线波束最大指向会随着仰角的增大而发生偏移，随着方位扫描角与仰角的增大，这一波束最大值偏移将快速增加。由此带来的不良后果是方位上相位扫描的一维相控阵雷达在大扫描角度情况下，对位于不同仰角上的目标进行测角时，将有不同的方位测量系统误差；对于高仰角的目标，这一误差将是相当大的。(如图3)

克服这一缺点的方法是根据目标的仰角和扫描角度对测量值进行补偿。

4)路面引起的车身摇动

装备车在路上行驶，因受到地面不平的作用而产生摇摆运动，装备车坐标系和以雷达天线阵面为基准的雷达坐标系也随之运动起来，于是装备车坐标系和雷达坐标系不再与大地坐标系一致，天线波束不能按预期要求稳定的指向目标，导致降低作用距离，加大测量误差，甚至丢失目标，破坏了雷达的正常工作状态。因此必须设法稳定雷达天线的波束。车载雷达天线波束的稳定方法大致分为机械稳定和电气补偿两种。本设备天线固定安装在车辆上，传统的机械稳定平台体积大，造价高，不便于安装；故目前的做法是采用电气补偿，在雷达天线的俯仰和方位轴上进行补偿来稳定天线的指向，满足指向精度要求。

图3 天线波束倾斜引起的角度误差图

图4 一维线阵系统

图5 天线波束指向误差

5)接收机内部热噪声引起的角跟踪误差

由于接收机热噪声的存在，即使天线中心轴对准了目标，接收机中频输出端仍然有噪声电压输出，在中频鉴相时，噪声会直接地影响鉴相输出，严重时会导致输出的正负号反向；噪声叠加在信号上，差通道信号的顶部不平坦度增加，随机误差变大。通过分析可知，信噪比越大，噪声引起的角度测量误差就越小。

6)应答频偏产生的方位误差

二次航管的工作频率为询问1030MHz，应答1090MHz，但实际工作中，由于不同的应答机应答频率是不一致的，应答频率有±3MHz的误差存在。频率的偏置对相控阵天线的方向图、天线指向以及A/D采样的信号幅度都产生了影响，进而影响到测角精度。

相控阵天线方向图形成时，信号频率是选定的某一固定频率，即将雷达信号当成连续波信号，实际所用的脉冲信号含有一定的频带宽度，天线方向图计算公式中的波长(λ)或信号频率(f)不是一个固定不变的量，如图4为一维线阵系统，第i单

图6 接收机的和差通道的输出则存在很大差异

图7 校准以前的和差通道的幅度不一致性

图8 校准以后的和差通道的幅度不一致性

将波长λ以信号频率f与光速c表示，d/c以Δt表示为电波在单元距离之间的传播时间，则一维相控阵天线的方向图为：

从公式可以看出，天线方向图会随信号频率(f)的改变而改变。

信号频率的变化同样对相控阵天线波束指向有影响，其关系为：

上式反映了信号频率由f0变为(f0+∆f)后所引起的天线波束指向的偏移∆θf，这一现象反映了天线波束指向随信号频率的改变在空间摆动，图5为当频率偏移从0至最大达到3M，波束扫描角度为47.5度时的天线波束指向误差，可以看出天线指向最大偏移为0.171度。

在外场，询问机和应答机之间做了频偏±1M连续波的测角试验：

频率角度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

在频偏±1MHz以内测的角度测量的随机误差为0.06度。

7)角噪声(角闪烁)引起的角度测量误差

雷达对目标的跟踪都是对目标的视在中心进行跟踪，一个复杂的目标，其视在中心的位置随着目标的运动姿态变化而变化，而且这种变化是随机的，目标的角闪烁使得雷达天线抖动，产生测量误差。通过研究发现，目标角闪烁引起的角度测量误差与距离成反比。因而角闪烁对中、近距离的目标角度测量影响较大，对远距离的测量影响相对较小，甚至可以忽略。

8)A/D变换引起的角度测量误差

SSR的动态范围55dB，采用10位的模数转换器，步进为：±LSB，

精度为±LSB/2=0.027dB，天线在波束范围内1度的和差幅度比值为9dB，及1/9=0.11度/dB

由量化误差造成的方位误差：

sc=0.027*0.11=0.003°。

9)航向误差

装备车的最大转速4°/S，装备车航向信息50次/秒，航向数据最大误差：

10)多径影响

当设备车部署在空旷区域时地面对电磁波在俯仰方向上的镜面反射、天线安装面不严格水平以及地面反射点不完全水平等因素综合造成多径。

当雷达天线俯视镜面反射的表面时，会产生多径干涉现象。若发生镜面反射，从天线到目标的雷达电磁波有两个不同的路径：直射路径和反射路径。由图一可知，两条路径的传播的距离是不相同的，这就导致了直射波和反射波之间的相位差，它是产生多径效应的主要原因。

根据电磁波传波的基本原理，若距离差S，则相位差等于2πS/λ，其中λ是雷达的波长。附加相位差是反射表面的反射系数引起的，有时是由天线在直射方向和反射方向上传播因子的相位差引起的。由于相位差，直射波和反射波在目标处要么干涉相加，要么干涉相减。从干涉的角度看，当相位差为2π的整数倍时，干涉是等效的。当动目标以恒定高度接近雷达时（仰角增加），方向图传播因子将在最大值和最小值之间周期变化。当方向图传播因子出现最小值时，航迹出现断点。

11）其它因素

多路传播引起的角度测量误差、机载航管应答机C模式高度测量误差和动态系统的滞后等都有可能使得角度测量的精度降低。总的误差为0.108度。

3.提高系统角度测量精度的方法

(1)建立接收机中频输出对数曲线表，确保对数精度

接收机是影响单脉冲测角精度的另一个重要因素，由于接收机的和差通道的增益存在不一致性，因此对于相同的输入信号，接收机的和差通道的输出则存在很大差异，如图6。

由图8可以看出，随着输入信号的不断增大，和通道的输出信号增益大于差通道的输出信号增益，因此需要对接收机进行校准后才能正常工作。

接收机的动态范围为55dB，因此如果在每个电平下都进行校准(每隔1dB为一个电平)，难度较大。本方案采用分段校准的方法，即把输入信号分成高、中、低三个电平范围，每个电平内取一个点进行校准，这种方法则相对简单。

图7为校准以前的和差通道的幅度不一致性，从图上可以看出，和差通道不一致性最大为2.5dB.

图8为校准以后的和差通道的幅度不一致性，从图上可以看出，和差通道不一致性最大不大于0.4dB。满足了指标要求的和差通道的幅度不一致性小于0.5dB。

(2)利用车载雷达天线的电子稳定方程补偿雷达指向

装备车在行驶过程中时受地面影响会产生复杂的运动，这些运动可分为3个方向的平动(前进、起伏、横漂)和3个方向的转动(横摇、纵摇、车首尾摇)，利用二次航管测角原理、天线安装位置参数、纵摇和横摇角度，经过坐标变换，得到了车摇对目标测角影响的模型。用此模型计算出目标位置经过车摇补偿后在大地平面上的位置，该位置应当与车摇后飞机所在位置一致，即可实现电子稳定的目的。

二次航管雷达通过单脉冲测角获得目标在车身坐标系的方位Ac、距离S，通过C模式代码获得目标在大地坐标系下的高度h。装备车航向角H、纵摇角P、横滚角R、目标大地坐标系俯仰角Ed、目标车身坐标系方位角Ac。

把Ac、S、h、H、P、R代人(1)～(7)式，公式形式可变为：

带入(8)、(10)并将公式两边平方后求和可得如下形式：

1=b1·(sinEc)2+b2·sinEc+b3 (11)

解上式可计算出sinEc，再带入(8)、(9)、(10)可计算出Ad。

通过以上计算就可以确定目标在大地坐标系下的方位和在车身坐标系下的高度。

用二自由度摇摆台模拟车摇，对车摇模型和二次航管单脉冲测角稳定进行了试验，并和GPS数据进行了对比分析。实验证明，该模型可用于二次航管车载电子稳定系统

(3)补偿一维相位扫描两坐标雷达天线波束的倾斜引起的角度测量误差

一维相位扫描两坐标雷达天线波束的倾斜引起的角度测量误差随着仰角和扫描角度的增大而增大。误差公式如(12)所示，其中αφ是天线相邻单元之间波束控制数码的增量，d1是天线单元间距，K是数字式移相器的计算位数，B是目标的俯仰角度。

根据二次航管应答机的C模式代码和目标的距离计算出目标的仰角，依据仰角和天线的扫描和扫描角度按照公式(12)修正波束指向，消除天线波束倾斜引起的角度测量误差。

(4)充分利用应答信息减小接收机内部热噪声引起的角跟踪误差

在接收解码通道中，所有应答脉冲F1、F2框架内最多有12个数据脉冲，经过解码后，根据脉冲数进行平滑。随机误差在～之间平滑后得到改善。

(5)降低波束分裂对航迹的影响

对天线俯仰面和差通道赋形，通过减小天线俯仰面波束宽度降低地面反射信号上的增益以改善波瓣分裂情况，通过降低差通道旁瓣电平降低折射信号增益以改善和减小幻影。

针对波瓣分裂出现断点的情况，目前在航迹处理方面采用了断点预推法。断点预推可根据先前形成的航迹预先判断目标运动趋向，出现断点时根据天线扫描周期在目标运动趋向上，由软件自动补足若干个周期的航迹，从而达到航迹连续的目的。

(6)通过Kalman滤波器对目标位置进行平滑

信号处理分机测出目标的距离和方位等信息，形成点迹发送给航迹处理器，航迹处理器对点迹进行处理，将目标的原始数据，即距离、方位及代码(包括识别码和高度码)进行凝聚处理，建立目标航迹，识别并纠正由于干扰或应答解码错误引起的应答代码错误，去除假目标，通过Kalman滤波器对目标位置进行平滑，形成最终的目标报告。