2022年目标特性误差 .pdf

高超声速飞行器在飞行过程中，在大攻角气流分离产生的机翼、尾翼、鸭翼的抖振、极限环振荡(LCO)、失速颤振及操纵面嗡鸣和高低空大气特性的巨大差异等情况下，气动特性将出现严重的非线性。弹性结构非线性因素对气动弹性的影响明显突出，机翼大变形、机翼与外挂之间的摩擦和间隙、操纵系统间隙、阻尼等结构非线性因素也会引起严重的非线性气动弹性问题10。此外，由高超声速飞行引起的气动加热也使得材料、几何和气动中的非线性问题十分突出。与常规的飞行器外形相比，乘波体（Waverider）具有很高的升阻比，在高超声速飞行器范围内，乘波体已被公认为是最好的外形14。所谓乘波体，是指一种外形呈流线形、所有的前缘都具有附体激波的超声速或高超声速的飞行器。对雷达而言，目标的电磁散射特性主要是指目标对雷达照射电磁波的后向散射特性。雷达所接收的目标散射回波信号的性质、大小、变化等均与该目标的电磁特性有关。目标的电磁散射特性主要包括电磁散射的幅度、频率和极化特性。雷达接收到的目标后向散射信号的幅度，除了雷达本身的参数（例如功率孔径积等）有关外，主要与目标的大小、形状、目标的介电特性等因素有关，即与雷达截面积有关。目标的频率特性则主要由目标的尺寸和电磁波波长之间的关系决定。由于通常的目标都不是中心对称目标，因此从不同方向用同一频率电波照射目标时，其散射回波强度不同，具有很强的方向性。此外，目标的视角以及雷达系统发射和接收的极化组合，也决定了目标的散射特性，特别是如果在一个特定方向上用单一频率观察目标，雷达截面积将取决于极化。极化散射矩阵表示目标对极化的变化作用，对一般的、结构比较复杂的目标来说，目标的极化变换是得回波的极化不再单纯是发射波的极化形式，由于目标的姿态不断变化，散射波的极化特性也随之变化。3.3.2 目标特性引起的误差超高声速飞行器在临近空间会形成等离子鞘套，对探测信号有散射作用，从而影响探测目标的RCS，通过对目标等离子体的建模，4.2.4.2噪声、杂波与干扰模型的建立（1）系统噪声雷达系统的电源、各种电子元器件产生的热噪声、系统特性误差、正交双通道信号处理中正交变换时的幅度不一致性和相位的不正交性、多通道之间的不平衡性、AD 变换器的量化噪声、运算中的有效字长效应等，均可产生信号的失真，从而降低信号的检测概率。系统噪声可以近似看作是高斯白噪声，经过窄带线性系统后，输出噪声包络的概率密度函数服从瑞利分布：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -000)2exp()(222nnnnnpnn (错误！文档中没有指定样式的文字。-1)（2）杂波干扰杂波干扰是由电离层、非探测目标飞行器（如低速临近空间飞行物、飞机等）产生的反射信号构成的干扰。当照射角度较高，环境比较平稳（可在布站时解决）时，地物、云雨、电离层等分布杂波可以看作是很多独立照射单元反射回波的叠加，每个照射单元回波的振幅和相位都是随机的，它们的合成回波服从瑞利分布，即000)2exp()(222vvnnvpnn (错误！文档中没有指定样式的文字。-2)杂波干扰的概率分布和系统噪声的概率分布一致。抑制固定杂波回波最基本的方法是频率抑制法和对消法。频率抑制法将相干检波器输出的视频信号直接加到滤波器组上，使每个单元滤波器抑制其中一个确定的nfr，n 为整数，fr为脉冲重复频率，并选出动目标；对消法是将相邻重复周期信号相减，则固定杂波回波由于振幅不变而相互抵消，而动目标回波相减后剩下相邻重复周期振幅变化的部分作为输出，对消器实际上就是MTI 滤波器。由于云、雨、雪的散射产生杂波成为气象杂波，气象杂波的幅度分布一般符合高斯分布。但由于风的作用，其功率谱中含有一个与风向风速有关的平均多普勒频率：2202)(exp)(fdffSfS气象根据探测系统所处的地理位置不同，当此类杂波对探测系统的影响有很大差异。当影响较大时，需要采用自适应杂波抑制技术对其进行抑制。（3）信号失真的等效干扰雷达电磁波信号在经过大气层、电离层特别是等离子体反射面时，由于吸收系数和反射系数的随机性，使得不同频率的电磁波有不同的折射率、传播速度和传播路径，从而使信号的振幅、频率和相位等产生随机变化，产生电波传播的色散现象；高速飞行的飞行器产生的等离子鞘套的形成与飞行器的形状、飞行器的速度、飞行器的材料以及大气密度有关，因而使电磁波经等离子鞘套反射时也会产生随机衰落、色散等现象；这些现象均会使信号产生失真。在进行信号检测与估计时，可以把信号的失真看作是对信号的一种干扰，信号模型有待下一步继续研究。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -目前 GPS单信道C/A 码授时精度最高可达11.5ns，多信道C/A 码授时精度最高可达5.7ns，P码授时精度最高可达2.7 ns；北斗二代导航系统预计建成后授时精度将可达10ns；由于没有精密星历数据，因此不能选择一般的通信卫星工作。导航星授时方案实现较为简单，且测站只需要接收导航卫星授时信号，隐蔽性好。时间双向比对法可用有线（如光纤）和无线（如微波、卫通）两种方式，该方法具有对站点（和卫星坐标）精确性依赖性小、受外界环境影响小的优点，通过短时间比对和处理就可获得较高的时间同步精度（时间同步精度可以达到纳秒量级甚至皮秒，频率同步精度可达3 10-155 10-15量级），已被 ITU组织作为全球时间传递和比对的标准。利用 GNSS系统进行时间频率传递时可以采用单站法（精度为100ns 量级）、飞越法（精度为 1030ns 量级）、单星共视法（精度为10ns 量级）、多星共视法（精度为25ns 量级），4.4.1.3大气折射对距离和及其变化率的影响大气层按照离地高度、电气特性大体可分为4 层：对流层、平流层、电离层和磁层。各层无明显边界。如图错误！文档中没有指定样式的文字。-1 所示。图 错误！文档中没有指定样式的文字。-1 大气层结构示意图对流层（Troposphere）是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。从两极到赤道呈现由低到高的趋势，即从两极的9km左右到赤道的17km左右，且夏季较厚，冬季较薄。对流层大气密度大，包含了大气层3/4 的气体质量和几乎全部的水汽，也是地球主要天气现象（如雨、雾、雪、风等）发生的地方。大气压力和大气密度随高度的升高而降低，造成大气的密度分布不均匀。由于气体温度主要是由地面间接传递入大气，所以贴近地面的空气受地面热辐射的影响而膨胀上升，上面冷空气下降，故在垂直方向上形成强烈的对流，所以称对流层。大气温度大约每上升100m，温度降低 0.6 C。由于气候的时变性，使得大气的分布也呈现时变特征。对流层对电波传播的影响最为显著，是进行测量误差修正的主要考虑因素。对流层中主要的传播方式或效应有：大气折射、波导传播、对流层散射、多径传播、大气吸收，以及水汽凝结体和其他大气微粒的吸收和散射。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -对流层以上到约60km的高度为平流层。在高约1535km范围内，有厚约20km的一层臭氧层。因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，故使平流层的温度升高，达到 6070 C。平流层中空气没有对流运动，以平流运动为主，且空气比对流层稀薄得多，水汽、尘埃的含量甚微，很少出现天气现象。所以，平流层对电波的传播影响不大。电离层（Ionosphere）是指大气分子受太阳紫外线和X 射线照射而发生电离的大气层区域，高度约 60km到 1000km。电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。电离层从宏观上呈现中性。入射电波的电场引起电子强迫振荡和加速运动，发生二次波辐射。所有二次波辐射与入射波叠加则改变入射波的电磁场特性。电离层介质的介电常数是复数，在同一条件下，不同频率的电波有不同的折射率、传播速度和传播路径，产生电波传播的色散现象。对长波、中波和短波(30kHz 30MHz)的电波，电离层可反射电磁波，实现远距离传播。对于高于300MHz的电磁波，电离层的影响可以忽略。由于电磁波在对流层中传播速度与频率无关，只与大气的折射率、电磁波传播方向有关。利用对流层延迟影响的经验公式2.47sin0.0121m其中，为发射站或接收站与邻近空间飞行器间的仰角，假设仰角从10 90，每隔 1取一个点，则可得出对流层延迟影响的大概曲线，如图错误！文档中没有指定样式的文字。-2 所示。图 错误！文档中没有指定样式的文字。-2 不同仰角下对流层延迟的影响从图 错误！文档中没有指定样式的文字。-2 可以看出，对流层对距离测量的影响基本在 2.3m 以上，10 仰角时可达12m以上，对于定位精度要达到米级的情况下，是必须要考虑的因素。对流层中大气折射率由干分量和湿分量两部分组成，干分量与大气的湿度和气压有关，湿分量与信号传播路径上的大气温度和高度有关。介质的折射指数rrn。对于对流层0r，而r与介质的极化特性有关，可表示为1re，e为极化率。大气的折射率n 与真空的相近，约为1.0003。对流层为02468101214101418222630343842465054586266707478828690时延对测距的影响(m)仰角()名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -干大气与水汽的混合物，水汽有固定的偶极子分子，其极化率2weeT，ew为水汽压分量；其它分子无固定点偶极子，其极化率ePT，P 为大气总大气压。混合气体的电极化率服从叠加原理，即2weBeAPTT其中 A、B 为测量的数值61155.2 10,7.465 10AB。由2112(1)ernn联合求解，则0SjjjNIntt,其中 P、ew的单位为百帕（hPa），T为大气的绝对温度（K）。为方便，取N=(n-1)106，则52481077.677.63.7310wweePNPTTTT (错误！文档中没有指定样式的文字。-3)其中P为大气压力(mbar)，T为绝对温度（T0+273.2），ew为水气分压(mbar)。式（4-37）中，右面第一项主要是干燥大气的影响，称为干项；第二项为水汽的影响，称为湿项。电磁波从天顶方向传播路径差为ssdsw大气折射率与电磁波的频率几乎没有关系。式（4-41）较为简洁地表述了折射率与大气参数的关系，具有较高的计算精度。但 P、ew、T 的数值随大气的高度、地域、季节变化，计算并不非常方便。为了获得较为简化的计算模型，人们进行了大量的测量分析，建立了线性模型、指数模型、分段模型、双指数模型、双四次方指数模型等。除线性模型在几公里的高度范围内与其它模型较为一致外，其它模型都有较好的计算精度。其中双指数模型考虑到湿项随高度的变化比干项快得多，分别用两个指数来表示，即00()dwhhHHdwN hNeNe (错误！文档中没有指定样式的文字。-4)式中，h 为从地面算起的高度，Nd0与Nw0分别为干湿两项的地面值，Hd、Hw分别为干湿两项的特征高度，即在此高度上，干湿两项分别减小到地面值的1/e。60601010HdsddHHwswwHN dN d (错误！文档中没有指定样式的文字。-5)理论上分析，折射率干分量与高程H的关系可表示为名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -40ddddHHNNH (错误！文档中没有指定样式的文字。-6)其中 Nd0为地面大气折射干分量，由于Hd求不准，常用经验公式，其中有霍普菲尔德根据全球高空气象探测资料分析得到的公式40136 148.72273.16dkHTm (错误！文档中没有指定样式的文字。-7)湿温度分量由于与地理纬度、季节和大气状况有关，难以建立模型，若按照干分量可得40wwwwHHNNH (错误！文档中没有指定样式的文字。-8)则52021.552 107.46512 10sddkswwkPHTeHT (错误！文档中没有指定样式的文字。-9)其中dH为测站高，以m为单位。设wH=11000m，若信号的入射角为，则sinsinsdpdswpw (错误！文档中没有指定样式的文字。-10)当10时，估算对流层延迟误差可达0.5m 可以使用较精确的改进模型220220sin2.5sin1.5sdpdswpw (错误！文档中没有指定样式的文字。-11)名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -减少对流层对电磁波延迟影响的方法主要有：利用模型改正。但这种方法只能减少对流层对电磁波延迟达92%95%。气象条件较稳定，发射站和接收站的气象条件一致的情况下测量，可以减弱对流层的影响。但此种情况只适用于发射站和接收站间基线长度较短时，对于临近空间目标飞行器探测并不太适用。4.4.1.4 伪距测量设备引起的误差分析探测系统采用伪码测距，系统测距精度主要受限于伪码测距精度、系统设备温度变化等因素。针对单站工作模式的系统测距测速精度分析如下：1）地面热噪声引起的随机误差1R扩频模式的距离测量采用测PN码整周数（粗测）和PN 码相位（精测）的方式，地面热噪声对码环相位提取会产生影响，从而导致距离精测误差。采用单环，码跟踪误差为：NSNSTBnR2)(21(1(错误！文档中没有指定样式的文字。-12)式中，为 PN码码元宽度，nB为码环带宽，T为预检测积分时间，NS为探测系统接收机的信号噪声功率比。如果取 PN码钟速率为5.115Mchip/s，则7102s，载波多普勒变化率为10kHz/s时，码钟多普勒变化率为6Hz/s，选用 3 阶码环，环路带宽可取3Hz，为减小稳态相差，取30Hz进行计算。在扩频码钟为5.115MHz，门限dBNS15条件下噪声引入的随机误差为0.3m。2）采样误差2R可通过电路设计来保证，使采样脉冲与接收伪码同步之间的误差足够小，0.1ns以下，引入的误差小于0.03m。3）测距量化误差3R精测时测量的是收、发码钟NCO相位差，NCO的相位为32 位二进制码，相位分辨率360/232=8.310-8（度），对于 5.115MHz 的码钟，测距量化精度引起的量化误差可忽略不计。伪码测距引入的测距随机误差mRRRR3.0232221。探测系统目标测量过程中，系统还存在测距系统误差，主要是各种器件随系统温度变化导致对信号传输时延变化。4）接收中频滤波器随温度和时间变化引入的时延变化的 R1名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -接收机中频滤波器带宽约为22MHz，滤波器通带内最大时延不超过50ns，随温度和24小时时间漂移的相对变化一般为1 10-3，在 45 温度变化范围内其时延变化50ns 103 45 2.25ns，相应测距误差R1约为 0.34m。5）发射中频滤波器随温度和时间变化引入的时延变化的 R2发射站基带内的中频滤波器随温度和时间变化引入的测距误差与接收站的中频滤波器类似，相应测距误差 R2约为 0.34m。6）目标动态滞后PN码环跟踪误差引入的 R3对于三阶码环，目标加速度引起的动态误差 R3可用下式计算：R3125a/(216Bn3)式中：a 为码钟上的目标多普勒二次变化率，Bn为环路带宽。由于码钟上的目标多普勒二次变化率很小，对于码环Bn30Hz 条件下，R3可以忽略。伪码测距系统引入的总测距系统误差mRRRR48.0232221。系统误差可以在计算中进行补偿，而随机误差就是系统的测距精度。4.4.1.5距离和变化率测量设备引起的误差分析探测系统速度测量精度与载波环热噪声、多普勒频率测量量化误差有关。1）载波环热噪声引入的测速误差1v与基带设备有关的测速误差主要由载波环热噪声引入，计算公式为：SnvTNSTNSB4)(211(1 (错误！文档中没有指定样式的文字。-13)式中 S/N 为地面接收机的信号噪声功率谱密度比；Bn为载波环噪声带宽，带宽选为1000Hz；T为预检测积分时间，选择T=5 10-5s，为载波波长，Ts为采样积分时间，在dBNS15条件下基带引入的测速随机差为0.0014m/s。2）多普勒频率测量量化误差的影响2v利用中频数字锁相环提取载波多普勒频率，NCO相位累加器二进制位数为32，运行时钟 90MHz，数字环输出的多普勒频率量化单位为90 106/2320.021Hz，数字环以20000 次/s的数据率输出数据，再经过 50ms数据积分平滑形成最终速度数据。由于平滑1000 次，量化单位减小1000 倍，可达fd=2.1 105Hz，对应速度量化单位为v=2.2 105cm/s。引起的测速误差为：629 10/6vvcm s(错误！文档中没有指定样式的文字。-14)扩频基带引入的测速误差为v：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -22120.14/vvvcm s (错误！文档中没有指定样式的文字。-15)则探测系统的总速度测量精度不大于0.2cm/s。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -