天基雷达距离测量误差的影响因素分析
时间：2022-11-05 14:05:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
袁博资 ,许鹏程 ,尹 帅 ,李 珣
(1.空军预警学院,湖北 武汉 430019;2.国家工业信息安全发展研究中心,北京 100040)
2020年6月30日,北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星、第3颗地球静止轨道卫星有效载荷完成开通,7月底具备开通服务的条件。这一壮举揭示了我国航天力量的逐步壮大,以及天基载荷技术的逐步成熟,大大加快了我国天基雷达实现的脚步。
天基雷达,作为一种新体制雷达,国内外目前正处在体制论证与关键技术演示验证阶段,设计之初将其承载平台置于太空中,不受国界限制,并具备以下一系列优势:
(1) 因其平台高度较高,其视场(视距)范围远大于空基、陆基以及舰载雷达,且不受一般反辐射无人机、反辐射导弹等武器干扰和打击的威胁。
(2) 平台在地球卫星轨道运行,在无外力影响的情况下,平台会一直保持运行,克服了空基雷达续航有限的不足。
(3) 天基雷达探测目标时采用俯视角度,能有效防止隐身目标突防,并能做到弹道导弹的早期预警。
除此之外,天基雷达仍有亟需解决的技术难题,不可避而不谈:
(1) 天基雷达与所探测的目标距离较远,信号衰减较大,对天基雷达的发射功率与孔径要求较高。
(2) 为减少雷达与目标距离,一般将其设计在近地轨道,相对地球运动较快,杂波较强且多普勒特性复杂。
(3) 雷达信号“长途跋涉”,影响目标探测误差的因素较多,应尽量做到面面俱到才能尽可能降低探测误差。
目前,对于天基雷达的体制分析、目标探测、杂波建模与抑制研究等内容的研究较丰富且成熟,少有相关文献谈及天基雷达的探测误差成因与分析。本文主要针对不同体制的天基雷达,研究天基雷达所特有的测距误差来源,并进行一定程度的分析比较。
目前,国内外各高校以及研究机构将未来可行的天基雷达体制进行了分类:单基地天基雷达、天-天双基地雷达以及天-空双基地雷达等。
1.1 单基地天基雷达体制与探测特点
单基地天基雷达与机载雷达相似,收发端在同一平台上,其承载平台为地球中低轨道卫星,平台相对地球表面高速运动,需采用相控阵天线对目标进行扫描。对于临近空间目标、空中目标甚至是地面目标,皆采用俯视的探测角度。
卫星平台按照一定轨道运行,受到多种摄动力的影响,导致平台稳定性不高,若探测波束方向发生抖动,对目标位置估计影响较为严重。同时平台位置直接关系到目标位置推算,平台自身定位的精度与误差对目标定位也存在一定影响。
天基雷达卫星轨道至少数百公里,在相同波束宽度情况下,距离越远,照射面积越大,天基雷达横向分辨力越差;且信号穿过电离层与对流层,信号存在一定延时,影响探测精度。
1.2 天-天双基地雷达体制与探测特点
天-天双基地雷达采用收发分置的探测体制,收发平台都为地球中低轨道卫星,主要设计目的是:卫星载荷能力有限,将接收端与发射端分开配置,可有效减轻单颗卫星负载,提高系统供电能力,为后期天基雷达组网奠定基础。
天-天双基地雷达根据目标信号达到角、目标回波与直达波到达时间实施对目标的定位。影响天-天双基地雷达探测精度的主要因素是三大同步:时间同步、空间同步、相位同步。时间同步关系到目标信号与直达波信号传播距离;空间同步主要解决收发端波束指向问题以及目标位置解算问题;相位同步关系到信号相参处理。
1.3 天-空双基地雷达体制与探测特点
天-空双基地雷达采用收发分置的探测体制,与天-天双基地雷达略有不同,发射端平台为地球中低轨道卫星,接收端则置于预警机、无人机等空中平台上。置于天基的发射端以俯视的角度向目标发射电磁波,而置于空中平台上的接收端针对不同高度的目标,采用的探测角度不同。该体制雷达的设计目的是缩减信号传播距离,降低信号衰减,提高目标检测效率。
天-空双基地雷达探测目标原理与天-天双基地雷达原理相同,因处于空基的接收端,与目标距离较近,定位精度相对较高。天-空双基地雷达对三大同步(时间同步、空间同步、相位同步)的要求也很高。
探测精度是雷达的重要参数之一,不论是航管雷达、情报雷达还是火控雷达,过大的误差都会带来严重的后果。探测误差分为距离误差、角度误差、速度误差,不同的误差影响因素不同。影响雷达探测误差的因素很多,包括复杂电磁环境、各类杂波、恶劣天气影响、接收机内部噪声、天线性能、信号形式、信号处理流程缺陷等。
天基雷达作为新体制雷达,工作体制特殊,除上述因素外,还需考虑其他方面的的误差来源。参考平台同为地球卫星的定位系统——GPS 与北斗系统,则还需考虑卫星时钟误差、星历误差、电离层与对流程延时误差等方面因素。
2.1 卫星时钟误差
卫星时钟误差是卫星的重要性能指标,直接影响与其他设备的同步及平台定位校准。我国最新发射的北斗卫星上所使用的氢原子钟,其时间稳定度高达10量级,文献[2]与[3]中提到,GPS系统与北斗系统的时钟误差在10 ns量级。
时钟误差影响以卫星星历推算的卫星位置精度,以轨道高度为800 km 的卫星为例,其运行速度为7 456 m/s,在仅考虑卫星时钟误差的情况下,卫星位置误差在10μm 量级,可忽略不计。
2.1.1 对单基地天基雷达的影响
单基地天基预警雷达测量的是目标与雷达的相对位置,卫星时钟误差带来的位置误差在10μm 量级,传递到目标定位误差的数值一样。单纯考虑卫星时钟误差因素,对单基地天基雷达的影响可以忽略。
2.1.2 对双基地天基雷达的影响
天-天双基地雷达与天-空双基地雷达对目标定位原理相同,接收端通过目标回波与直达波传播时间结合测量回波方向,实现对目标定位。本节主要讨论天-天双基地雷达探测过程,如图1所示,设发射端与接收端连线中点为坐标系原点,发射端为点,接收端为点,连线为轴,地球球心与的连线对轴,通过左手定则确定轴,目标为,如图2所示。
图1 天-天双基地雷达工作原理与过程
图2 天-天双基地雷达参考坐标系
基于接收端对直达波与目标回波到达时间测量,可以推算与的距离和,点与点的位置可通过星历推算校准。根据圆锥曲线(曲面)定义可知,点就位于以,为焦点的椭圆曲面上,其方程为:
接收端可测得目标信号方向,向量表示为(,,),则点与点所在直线方程为:
式中:(,,)为直线上任意一点坐标;点坐标已知为(0,,0)。
紫花鹤顶兰发现于贵州罗甸县董当乡天坑，生境海拔510 m，生长于稀疏小乔木林下石灰岩上，伴生种有化香树、银带虾脊兰、单叶石仙桃、曲边线蕨、光亮瘤蕨等。居群有成熟植株20余株，幼苗约10株，带果荚植株8株，长势良好，但有雨水冲毁，山石掩埋威胁。2017年11月10日采集，凭证标本：HXQ17111002HT，引种保存于贵阳药用植物园。
代入式(4),结合式(1)可解算出点坐标。
若接收端与发射端存在时钟误差,设两时钟差值为Δ,直接影响图2中与+的测量值,大小为Δ(为光速)。解算过程中,式(2)与式(3)分别调整为:
但接收端对目标测向未受时钟误差影响,故而此类因素对双基地天基雷达的影响主要体现在方向上,点距点的距离误差。
2.2 卫星星历误差
卫星星历参数可推算卫星位置,GPS系统地面监控站用16个星历参数预测卫星位置,但卫星运行过程中,除由地心引力所提供的向心力外,还受到各种复杂的摄动力影响,导致推算结果存在一定误差,误差在空间分为3个分量:(1)地球球心与卫星连线方向分量;(2)卫星运动方向分量;(3)垂直卫星轨道平面方向分量。
卫星星历的三维误差均方差大致为3～5 m。此误差在单基地天基雷达探测过程中,将直接传递到对目标的测量误差,两误差向量一致。
在天-天双基地雷达探测过程中,星历误差影响了收发端定位,推算过程中使式(2)与式(3)计算存在误差,通过式(1)所确定的椭圆面,其焦点位置、长短轴长度与方向均存在误差。联合接收端测向信息定位时,接收端星历误差也会在一定程度上传递到最终定位误差上。
在天-空双基地雷达探测过程中,星历误差仅影响到发射端定位,相对来说影响较小。
2.3 电离层延迟
电离层为距地面70～1 000 km 的大气层,电离层中的大气分子在太阳光的照射下分解成大气电离子和电子,使得电磁波穿过电离层时发生折射,改变了电磁波传播方向与速度,从而使雷达信号传播时间存在误差。
式中:为电磁波传播途径上,横截面为1 m这样一个管状空间内所包含的电子数总量;为电磁波频率。
设的典型值为30 TECU(1TECU=1×10个/m电子),天基雷达信号工作波长为1.5 GHz,卫星轨道高度为1 000 km,电磁波垂直于地面方向传播时,单程电离层延时约为5.3 m。
2.3.1 对单基地天基雷达的影响
对空中目标,电磁波先由卫星到目标,再反射回卫星,受到电离层影响2 次,总延时为10.6 m(以3.3节中设置参数为例),测距误差为5.3 m。而对于空间目标,如弹道导弹升空过程,目标高度越高,信号传播过程中经过电离层的路程越短,电离层延时就越小。
信号入射角度也直接影响着电离层延时。当信号垂直于地面发射时,信号在电离层中传播距离最短,越偏离这个角度,信号在电离层中传播距离越长。信号在电离层中传播的距离与信号延迟成正比。
2.3.2 对天-天双基地雷达的影响
双基地雷达对目标进行探测时,因收发分置,发射信号与接收信号时信号传播路径不同。计算电离层延时时,应就收发端各自与目标的相对位置,分别计算信号在电离层中传播的距离。
2.3.3 对天-空双基地雷达的影响
此体制雷达只有发射端在太空,发射信号单程延时。
2.4 对流层延时
对流层为大气层中距离地面0～40 km 的一层,各气象现象主要发生在对流层,对流层中的氧气、氮气和水蒸气是造成信号延迟的主要原因。当信号垂直地面入射时,对流层延时约为2.5 m。
3.1 时钟误差影响下的测量误差仿真
针对双基地天基雷达体制,目标与接收端相对位置不同,探测误差存在一定区别。设收发端距离为100 km,收发端因时钟误差导致的两时钟差值为200 ns,接收端测向向量为 (,1,-1),其中为测向向量以图2标准为坐标系的轴分量,图3为时钟误差影响下的测量误差。
图3 时钟误差影响下的测量误差
通过仿真,在一定的时钟误差情况下,探测误差处于同一量级,随目标与接收端相对位置变化略有不同,最大值与最小值相差10 m 以内。
3.2 电离层延时影响下的测量误差仿真
信号垂直入射时,在电离层中传播距离最短,以2.3节中所设参数为例,单基地天基雷达在不同入射角度下,电离层误差如图4所示。可以观察到:最大值(极限值)是最小值的3倍左右。
图4 电离层误差与信号入射角度关系
图5为双基地天基雷达收发端在不同角度下的电离层延时,结果与单基地雷达相似。
图5 双基地天基雷达电离层延时
天基雷达受卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时、对流层延时等因素的影响不可忽略。
(1) 卫星时钟误差对单基地天基雷达影响较小,可以忽略。对天-天双基地天基雷达探测精度影响程度在10 m 量级。若接收端与目标的相对位置(测向角度)不同,由时钟误差引起的探测误差也会受到不可忽视的影响。
(2) 星历误差对单基地天基雷达与天-天双基地雷达测量精度影响约在3～5 m,但对天-空双基地雷达影响较小。
(3) 当信号垂直入射时,单程电离层延时一般在数米到数十米(以m 为单位,跟太阳辐射有关)。当信号斜射时,电离层延时的最大值约为垂直入射时的3倍。所有体制天基雷达受到影响程度相近。信号入射角度对电离层延时引起的误差影响较大。
(4) 当信号垂直入射时,单程对流层延时一般在2.5 m,其影响与电离层延时相似。
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