目標(biāo)特性誤差

1、高超聲速飛行器在飛行過程中，在大攻角氣流分離產(chǎn)生的機(jī)翼、尾翼、鴨翼的抖振、極限環(huán)振蕩(LCO)、失速顫振及操縱面嗡鳴和高低空大氣特性的巨大差異等情況下，氣動(dòng)特性將出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性。彈性結(jié)構(gòu)非線性因素對(duì)氣動(dòng)彈性的影響明顯突出，機(jī)翼大變形、機(jī)翼與外掛之間的摩擦和間隙、操縱系統(tǒng)間隙、阻尼等結(jié)構(gòu)非線性因素也會(huì)引起嚴(yán)重的非線性氣動(dòng)彈性問題10。此外，由高超聲速飛行引起的氣動(dòng)加熱也使得材料、幾何和氣動(dòng)中的非線性問題十分突出。與常規(guī)的飛行器外形相比，乘波體（Waverider）具有很高的升阻比，在高超聲速飛行器范圍內(nèi)，乘波體已被公認(rèn)為是最好的外形14。所謂乘波體，是指一種外形呈流線形、所有的前緣都具有附體激

2、波的超聲速或高超聲速的飛行器。對(duì)雷達(dá)而言，目標(biāo)的電磁散射特性主要是指目標(biāo)對(duì)雷達(dá)照射電磁波的后向散射特性。雷達(dá)所接收的目標(biāo)散射回波信號(hào)的性質(zhì)、大小、變化等均與該目標(biāo)的電磁特性有關(guān)。目標(biāo)的電磁散射特性主要包括電磁散射的幅度、頻率和極化特性。雷達(dá)接收到的目標(biāo)后向散射信號(hào)的幅度，除了雷達(dá)本身的參數(shù)（例如功率孔徑積等）有關(guān)外，主要與目標(biāo)的大小、形狀、目標(biāo)的介電特性等因素有關(guān)，即與雷達(dá)截面積有關(guān)。目標(biāo)的頻率特性則主要由目標(biāo)的尺寸和電磁波波長之間的關(guān)系決定。由于通常的目標(biāo)都不是中心對(duì)稱目標(biāo)，因此從不同方向用同一頻率電波照射目標(biāo)時(shí)，其散射回波強(qiáng)度不同，具有很強(qiáng)的方向性。 此外，目標(biāo)的視角以及雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射和接收

3、的極化組合，也決定了目標(biāo)的散射特性，特別是如果在一個(gè)特定方向上用單一頻率觀察目標(biāo)，雷達(dá)截面積將取決于極化。極化散射矩陣表示目標(biāo)對(duì)極化的變化作用，對(duì)一般的、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的目標(biāo)來說，目標(biāo)的極化變換是得回波的極化不再單純是發(fā)射波的極化形式，由于目標(biāo)的姿態(tài)不斷變化，散射波的極化特性也隨之變化。3.3.2目標(biāo)特性引起的誤差超高聲速飛行器在臨近空間會(huì)形成等離子鞘套，對(duì)探測(cè)信號(hào)有散射作用，從而影響探測(cè)目標(biāo)的RCS，通過對(duì)目標(biāo)等離子體的建模，4.2.4.2噪聲、雜波與干擾模型的建立（1）系統(tǒng)噪聲 雷達(dá)系統(tǒng)的電源、各種電子元器件產(chǎn)生的熱噪聲、系統(tǒng)特性誤差、正交雙通道信號(hào)處理中正交變換時(shí)的幅度不一致性和相位的不正

4、交性、多通道之間的不平衡性、AD變換器的量化噪聲、運(yùn)算中的有效字長效應(yīng)等，均可產(chǎn)生信號(hào)的失真，從而降低信號(hào)的檢測(cè)概率。系統(tǒng)噪聲可以近似看作是高斯白噪聲，經(jīng)過窄帶線性系統(tǒng)后，輸出噪聲包絡(luò)的概率密度函數(shù)服從瑞利分布： (Error! No text of specified style in document.1)（2）雜波干擾雜波干擾是由電離層、非探測(cè)目標(biāo)飛行器（如低速臨近空間飛行物、飛機(jī)等）產(chǎn)生的反射信號(hào)構(gòu)成的干擾。當(dāng)照射角度較高，環(huán)境比較平穩(wěn)（可在布站時(shí)解決）時(shí)，地物、云雨、電離層等分布雜波可以看作是很多獨(dú)立照射單元反射回波的疊加，每個(gè)照射單元回波的振幅和相位都是隨機(jī)的，它們的合成回波服從瑞

5、利分布，即 (Error! No text of specified style in document.2)雜波干擾的概率分布和系統(tǒng)噪聲的概率分布一致。抑制固定雜波回波最基本的方法是頻率抑制法和對(duì)消法。頻率抑制法將相干檢波器輸出的視頻信號(hào)直接加到濾波器組上，使每個(gè)單元濾波器抑制其中一個(gè)確定的nfr，n為整數(shù)，fr為脈沖重復(fù)頻率，并選出動(dòng)目標(biāo)；對(duì)消法是將相鄰重復(fù)周期信號(hào)相減，則固定雜波回波由于振幅不變而相互抵消，而動(dòng)目標(biāo)回波相減后剩下相鄰重復(fù)周期振幅變化的部分作為輸出，對(duì)消器實(shí)際上就是MTI濾波器。由于云、雨、雪的散射產(chǎn)生雜波成為氣象雜波，氣象雜波的幅度分布一般符合高斯分布。但由于風(fēng)的作用，其

6、功率譜中含有一個(gè)與風(fēng)向風(fēng)速有關(guān)的平均多普勒頻率：根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)所處的地理位置不同，當(dāng)此類雜波對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響有很大差異。當(dāng)影響較大時(shí)，需要采用自適應(yīng)雜波抑制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行抑制。（3）信號(hào)失真的等效干擾雷達(dá)電磁波信號(hào)在經(jīng)過大氣層、電離層特別是等離子體反射面時(shí)，由于吸收系數(shù)和反射系數(shù)的隨機(jī)性，使得不同頻率的電磁波有不同的折射率、傳播速度和傳播路徑，從而使信號(hào)的振幅、頻率和相位等產(chǎn)生隨機(jī)變化，產(chǎn)生電波傳播的色散現(xiàn)象；高速飛行的飛行器產(chǎn)生的等離子鞘套的形成與飛行器的形狀、飛行器的速度、飛行器的材料以及大氣密度有關(guān)，因而使電磁波經(jīng)等離子鞘套反射時(shí)也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)衰落、色散等現(xiàn)象；這些現(xiàn)象均會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生失真。在進(jìn)

7、行信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)時(shí)，可以把信號(hào)的失真看作是對(duì)信號(hào)的一種干擾，信號(hào)模型有待下一步繼續(xù)研究。目前GPS單信道C/A碼授時(shí)精度最高可達(dá)11.5ns，多信道C/A碼授時(shí)精度最高可達(dá)5.7ns，P碼授時(shí)精度最高可達(dá)2.7 ns；北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)預(yù)計(jì)建成后授時(shí)精度將可達(dá)10ns；由于沒有精密星歷數(shù)據(jù)，因此不能選擇一般的通信衛(wèi)星工作。導(dǎo)航星授時(shí)方案實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，且測(cè)站只需要接收導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)，隱蔽性好。時(shí)間雙向比對(duì)法可用有線（如光纖）和無線（如微波、衛(wèi)通）兩種方式，該方法具有對(duì)站點(diǎn)（和衛(wèi)星坐標(biāo)）精確性依賴性小、受外界環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，通過短時(shí)間比對(duì)和處理就可獲得較高的時(shí)間同步精度（時(shí)間同步精度可以達(dá)到納秒

8、量級(jí)甚至皮秒，頻率同步精度可達(dá)310-15 510-15量級(jí)），已被ITU組織作為全球時(shí)間傳遞和比對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。利用GNSS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞時(shí)可以采用單站法（精度為100ns量級(jí)）、飛越法（精度為1030ns量級(jí)）、單星共視法（精度為10ns量級(jí)）、多星共視法（精度為25ns量級(jí)），4.4.1.3大氣折射對(duì)距離和及其變化率的影響大氣層按照離地高度、電氣特性大體可分為4層：對(duì)流層、平流層、電離層和磁層。各層無明顯邊界。如圖 41所示。圖 Error! No text of specified style in document.1 大氣層結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)流層（Troposphere）是大氣的最低層，

9、其厚度隨緯度和季節(jié)而變化。從兩極到赤道呈現(xiàn)由低到高的趨勢(shì)，即從兩極的9km左右到赤道的17km左右，且夏季較厚，冬季較薄。對(duì)流層大氣密度大，包含了大氣層3/4的氣體質(zhì)量和幾乎全部的水汽，也是地球主要天氣現(xiàn)象（如雨、霧、雪、風(fēng)等）發(fā)生的地方。大氣壓力和大氣密度隨高度的升高而降低，造成大氣的密度分布不均勻。由于氣體溫度主要是由地面間接傳遞入大氣，所以貼近地面的空氣受地面熱輻射的影響而膨脹上升，上面冷空氣下降，故在垂直方向上形成強(qiáng)烈的對(duì)流，所以稱對(duì)流層。大氣溫度大約每上升100m，溫度降低0.6C。由于氣候的時(shí)變性，使得大氣的分布也呈現(xiàn)時(shí)變特征。對(duì)流層對(duì)電波傳播的影響最為顯著，是進(jìn)行測(cè)量誤差修正的主

10、要考慮因素。對(duì)流層中主要的傳播方式或效應(yīng)有：大氣折射、波導(dǎo)傳播、對(duì)流層散射、多徑傳播、大氣吸收，以及水汽凝結(jié)體和其他大氣微粒的吸收和散射。對(duì)流層以上到約60km的高度為平流層。在高約1535km范圍內(nèi)，有厚約20km的一層臭氧層。因臭氧具有吸收太陽光短波紫外線的能力，故使平流層的溫度升高，達(dá)到6070C。平流層中空氣沒有對(duì)流運(yùn)動(dòng)，以平流運(yùn)動(dòng)為主，且空氣比對(duì)流層稀薄得多，水汽、塵埃的含量甚微，很少出現(xiàn)天氣現(xiàn)象。所以，平流層對(duì)電波的傳播影響不大。電離層（Ionosphere）是指大氣分子受太陽紫外線和X射線照射而發(fā)生電離的大氣層區(qū)域，高度約60km到1000km。電離層是部分電離的大氣區(qū)域，完全電

11、離的大氣區(qū)域稱磁層。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性。入射電波的電場(chǎng)引起電子強(qiáng)迫振蕩和加速運(yùn)動(dòng)，發(fā)生二次波輻射。所有二次波輻射與入射波疊加則改變?nèi)肷洳ǖ碾姶艌?chǎng)特性。電離層介質(zhì)的介電常數(shù)是復(fù)數(shù)，在同一條件下，不同頻率的電波有不同的折射率、傳播速度和傳播路徑，產(chǎn)生電波傳播的色散現(xiàn)象。對(duì)長波、中波和短波(30kHz30MHz)的電波，電離層可反射電磁波，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳播。對(duì)于高于300MHz的電磁波，電離層的影響可以忽略。由于電磁波在對(duì)流層中傳播速度與頻率無關(guān)，只與大氣的折射率、電磁波傳播方向有關(guān)。利用對(duì)流層延遲影響的經(jīng)驗(yàn)公式其中，為發(fā)射站或接收站與鄰近空間飛行器間的仰角，假設(shè)仰角從1090，每隔1取一個(gè)點(diǎn)，則

12、可得出對(duì)流層延遲影響的大概曲線，如圖 42所示。圖 Error! No text of specified style in document.2 不同仰角下對(duì)流層延遲的影響從圖 Error! No text of specified style in document.2可以看出，對(duì)流層對(duì)距離測(cè)量的影響基本在2.3m以上，10仰角時(shí)可達(dá)12m以上，對(duì)于定位精度要達(dá)到米級(jí)的情況下，是必須要考慮的因素。對(duì)流層中大氣折射率由干分量和濕分量?jī)刹糠纸M成，干分量與大氣的濕度和氣壓有關(guān)，濕分量與信號(hào)傳播路徑上的大氣溫度和高度有關(guān)。介質(zhì)的折射指數(shù)。對(duì)于對(duì)流層，而與介質(zhì)的極化特性有關(guān)，可表示為，為極化率。大氣

13、的折射率n與真空的相近，約為1.0003。對(duì)流層為干大氣與水汽的混合物，水汽有固定的偶極子分子，其極化率，ew為水汽壓分量；其它分子無固定點(diǎn)偶極子，其極化率，P為大氣總大氣壓?；旌蠚怏w的電極化率服從疊加原理，即其中A、B為測(cè)量的數(shù)值。由聯(lián)合求解，則,其中P、ew的單位為百帕（hPa），T為大氣的絕對(duì)溫度（K）。為方便，取N=(n-1)106，則 (Error! No text of specified style in document.3)其中P為大氣壓力(mbar)，為絕對(duì)溫度（T0+273.2），ew為水氣分壓(mbar)。式（4-37）中，右面第一項(xiàng)主要是干燥大氣的影響，稱為干項(xiàng)；第二

14、項(xiàng)為水汽的影響，稱為濕項(xiàng)。電磁波從天頂方向傳播路徑差為大氣折射率與電磁波的頻率幾乎沒有關(guān)系。式（4-41）較為簡(jiǎn)潔地表述了折射率與大氣參數(shù)的關(guān)系，具有較高的計(jì)算精度。但P、ew、T的數(shù)值隨大氣的高度、地域、季節(jié)變化，計(jì)算并不非常方便。為了獲得較為簡(jiǎn)化的計(jì)算模型，人們進(jìn)行了大量的測(cè)量分析，建立了線性模型、指數(shù)模型、分段模型、雙指數(shù)模型、雙四次方指數(shù)模型等。除線性模型在幾公里的高度范圍內(nèi)與其它模型較為一致外，其它模型都有較好的計(jì)算精度。其中雙指數(shù)模型考慮到濕項(xiàng)隨高度的變化比干項(xiàng)快得多，分別用兩個(gè)指數(shù)來表示，即 (Error! No text of specified style in docume

15、nt.4)式中，h為從地面算起的高度，Nd0與Nw0分別為干濕兩項(xiàng)的地面值，Hd、Hw分別為干濕兩項(xiàng)的特征高度，即在此高度上，干濕兩項(xiàng)分別減小到地面值的1/e。 (Error! No text of specified style in document.5)理論上分析，折射率干分量與高程H的關(guān)系可表示為 (Error! No text of specified style in document.6)其中Nd0為地面大氣折射干分量，由于Hd求不準(zhǔn)，常用經(jīng)驗(yàn)公式，其中有霍普菲爾德根據(jù)全球高空氣象探測(cè)資料分析得到的公式 (Error! No text of specified style in

16、document.7)濕溫度分量由于與地理緯度、季節(jié)和大氣狀況有關(guān)，難以建立模型，若按照干分量可得 (Error! No text of specified style in document.8)則 (Error! No text of specified style in document.9)其中為測(cè)站高，以m為單位。設(shè)=11000m，若信號(hào)的入射角為，則 (Error! No text of specified style in document.10)當(dāng)時(shí)，估算對(duì)流層延遲誤差可達(dá)0.5m可以使用較精確的改進(jìn)模型 (Error! No text of specified style i

17、n document.11)減少對(duì)流層對(duì)電磁波延遲影響的方法主要有：利用模型改正。但這種方法只能減少對(duì)流層對(duì)電磁波延遲達(dá)92%95%。氣象條件較穩(wěn)定，發(fā)射站和接收站的氣象條件一致的情況下測(cè)量，可以減弱對(duì)流層的影響。但此種情況只適用于發(fā)射站和接收站間基線長度較短時(shí)，對(duì)于臨近空間目標(biāo)飛行器探測(cè)并不太適用。4.4.1.4 偽距測(cè)量設(shè)備引起的誤差分析探測(cè)系統(tǒng)采用偽碼測(cè)距，系統(tǒng)測(cè)距精度主要受限于偽碼測(cè)距精度、系統(tǒng)設(shè)備溫度變化等因素。針對(duì)單站工作模式的系統(tǒng)測(cè)距測(cè)速精度分析如下：1）地面熱噪聲引起的隨機(jī)誤差擴(kuò)頻模式的距離測(cè)量采用測(cè)PN碼整周數(shù)（粗測(cè)）和PN碼相位（精測(cè)）的方式，地面熱噪聲對(duì)碼環(huán)相位提取會(huì)產(chǎn)生

18、影響，從而導(dǎo)致距離精測(cè)誤差。采用單環(huán)，碼跟蹤誤差為： (Error! No text of specified style in document.12)式中，為PN碼碼元寬度，為碼環(huán)帶寬，為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間，為探測(cè)系統(tǒng)接收機(jī)的信號(hào)噪聲功率比。如果取PN碼鐘速率為5.115Mchip/s，則s，載波多普勒變化率為10kHz/s時(shí)，碼鐘多普勒變化率為6Hz/s，選用3階碼環(huán)，環(huán)路帶寬可取3Hz，為減小穩(wěn)態(tài)相差，取30Hz進(jìn)行計(jì)算。在擴(kuò)頻碼鐘為5.115MHz，門限條件下噪聲引入的隨機(jī)誤差為0.3m。2）采樣誤差可通過電路設(shè)計(jì)來保證，使采樣脈沖與接收偽碼同步之間的誤差足夠小，0.1ns以下，引入的誤

19、差小于0.03m。3）測(cè)距量化誤差精測(cè)時(shí)測(cè)量的是收、發(fā)碼鐘NCO相位差，NCO的相位為32位二進(jìn)制碼，相位分辨率360/232=8.310-8（度），對(duì)于5.115MHz的碼鐘，測(cè)距量化精度引起的量化誤差可忽略不計(jì)。偽碼測(cè)距引入的測(cè)距隨機(jī)誤差。探測(cè)系統(tǒng)目標(biāo)測(cè)量過程中，系統(tǒng)還存在測(cè)距系統(tǒng)誤差，主要是各種器件隨系統(tǒng)溫度變化導(dǎo)致對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)延變化。4）接收中頻濾波器隨溫度和時(shí)間變化引入的時(shí)延變化的R1接收機(jī)中頻濾波器帶寬約為22MHz，濾波器通帶內(nèi)最大時(shí)延不超過50ns，隨溫度和24小時(shí)時(shí)間漂移的相對(duì)變化一般為110-3，在45溫度變化范圍內(nèi)其時(shí)延變化t50ns103452.25ns，相應(yīng)測(cè)距誤差R1約為0.34m。5）發(fā)射中頻濾波器隨溫度和時(shí)間變化引入的時(shí)延變化的R2發(fā)射站基帶內(nèi)的中頻濾波器隨溫度和時(shí)間變化引入的測(cè)距誤差與接收站的中頻濾波器類似，相應(yīng)測(cè)距誤差R2約為0.34m。6）目標(biāo)動(dòng)態(tài)滯后PN碼環(huán)跟蹤誤差引入的R3對(duì)于三階碼環(huán)，目標(biāo)加速度引起的動(dòng)態(tài)誤差R3可用下式計(jì)算：R3125a/(216Bn3)式中：a為碼鐘上的目標(biāo)多普勒二次變化率，Bn為環(huán)路帶寬。由于碼鐘上的目標(biāo)多普勒二次變化率很小，對(duì)于碼環(huán)Bn30Hz條件下，