影响GPS定位系统精度的因素有哪些
孔凡泉+胡丙华
摘 要： 针对某型三坐标地面雷达，对影响地面雷达测高精度的主要因素进行了分析。基于阵地地形、电磁环境、杂波环境、大气环境和人为导致的系统异常等因素，分析了地面雷达测高误差产生的原因，评估了多种因素对测高精度的影响程度，提出了在实际应用中规避影响因素以改善地面雷达测高精度的建议。
关键词： 地面雷达； 测高精度； 测高误差； 波导
中图分类号： TN953+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0035?03
Influence factors of height measurement precision of ground?based radar
KONG Fan?quan， HU Bing?hua
（East China Research Institute of Electronic Engineering， Hefei 230031， China）
Abstract：According to one three?dimensional ground?based radar， the mainly factors influencing height measurement precision of ground?based radar are analyzed. Based on the factors such as position terrain， electromagnetic environment， clutter environment， atmospheric environment and man?made system exceptions， the causes result in height measurement error of ground?based radar are analyzed. The influence degree of different factors on height measurement precision is evaluated， and some advices on how to evade these influences to improve height measurement precision of ground?based radar in fact are proposed.
Keywords： ground?based radar； height measurement precision； height measurement error； waveguide
0 引 言
在现代战争中，利用雷达获取目标的距离、方位、高度位置信息，为战场指挥员提供更实时、准确、全天候的战场活动目标态势，是取得军事主动权的主要手段。20世纪80年代以后，各国相继推出了很多采用不同体制、不同技术的三坐标地面雷达。
然而，由于多方面因素的影响，一些三坐标地面雷达暴露出了高度测量“不准、不稳”的现象，雷达测量高度置信度较低，这严重影响了担负战备值班及作战使用。
相对于距离和方位而言，高度测量精度对于雷达系统的稳定度要求更苛刻，对阵地周边自然环境和电磁环境要求等更严格，对雷达使用维护人员的基本素质要求更高，对雷达厂所和使用部队的综合保障水平要求更高。
本文主要以某型三坐标地面雷达为例，结合实际情况分析了影响地面雷达测高精度的一些主要因素。
1 测高精度
雷达目标高度是通过目标距离和仰角计算得到的，即：
[Ht=Ha+Rtsinθe+R2t（2Re）]
式中：[Ht]是目标高度； [Ha]是雷达天线中心的高度，[θe]是指向目标的仰角；[Re]是考虑大气折射效应后的等效地球半径。
由上式可导出测高误差均方值[σ2H]为：
[σ2H=R2tcos2θeσ2θe+（sinθe+RtRe）2σ2Rt+σ2Ha]
三坐标地面雷达在设计时，其高度误差主要参照上述方法将各影响因子下的误差分项求和所得，是统计意义上的均方根误差。
在实际使用过程中，影响测高精度的因素要多得多，而且在特定环境下，上述影响因素的边界条件会发生变化，使得雷达实际测高过程中往往会出现“不准、不稳”的现象。
2 影响测高精度的因素分析
某型三坐标地面雷达采用接收数字波束形成及多波束比幅测高的方法进行测高。通过实际使用和数据分析，将影响测高精度的因素分为客观因素和主观因素两大类。
2.1 客观因素
2.1.1 阵地地形环境
雷达阵地周围的遮蔽角过大会导致比幅测高的低波束被遮挡，严重影响目标高度的测量。
为量化地形遮蔽对雷达测高精度的影响，以某型雷达为例，设其仰角波束宽度为3°，第1，2，3波束指向分别为0.7°，1.3°，1.9°。
当目标出现在第1，2，3三个波束时，采用三波束比幅测角，目标飞行路线以固定仰角1°向站飞行，图1对比了第1，2，3波束正常观测和1波束被遮挡情况下雷达高度测量误差随距离的变化关系。
图1 三波束比幅测角低波束被遮挡时测高误差
雷达阵地周围多径效应会造成波束畸变，对测高精度影响也很大。这里不再详细介绍。
2.1.2 阵地杂波环境
强地杂波、海杂波和强气象杂波环境中进行目标检测时，受雷达系统杂波改善因子限制，会出现杂波剩余虚警点迹，当目标穿越杂波区且信噪比出现起伏时，可能会出现误关联、误跟踪的现象，如图2所示。
地基雷达在目标检测时，始终需要对强杂波进行抑制，包括近区强地杂波和中、远区气象杂波等。从统计数据分析来看，绝大多数目标高度异变情况发生在杂波区。
信号处理系统在对杂波（尤其是强地杂波和云雨杂波）进行处理时，受系统改善因子限制，会剩余一定数量的杂波虚警点。这些虚警会充斥仰角面的各个波束，一般地杂波会集中于低波束，而气象杂波则根据距离远近可能出现在多个波束。
点迹凝聚时同样不能将杂波虚警完全滤除，经过比幅计算后，将杂波的位置及仰角等信息也传至航迹处理系统。
目标穿越杂波密集区时，由于本身RCS起伏和杂波+噪声叠加带来的信/杂噪比恶化导致杂波区检测时更加容易丢点，此时航迹跟踪时易出现关联到杂波虚警点的情况，因为有些杂波点的位置和属性特征也会满足相关跟踪准则。
在弱小目标检测、强杂波区检测或目标RCS出现大幅度起伏时，存在只有一个波束有输出的情况，此时点迹处理测量的目标仰角为波束中心指向，必然出现高度异变，导致测高精度的恶化。
图2 目标穿越杂波区示意图
2.1.3 阵地电磁环境
阵地周边的军/民用电子设备、敌方施放的有源噪声压制式干扰会改变雷达检测环境，由信噪比环境演变为信噪+干比环境，雷达探测能力和测量精度会出现严重恶化。
对雷达的影响主要体现在抬高雷达检测的噪声基底，使得雷达测量精度急剧下降。对基于DBF体制的三坐标雷达，还会干扰雷达接收通道校正，致使接收波束指向紊乱，从而影响高度测量精度。
2.1.4 阵地大气环境
强风和大气波导等极端气候环境也会影响雷达测高精度。强风会导致雷达天线产生较大形变，影响雷达收发波束指向；大气波导主要包括表面波导、蒸发波导和抬升波导等，一般较强的波导出现在海面上空，大气波导突破常规标准大气折射模型，使得常规补偿模型失效，测高精度严重失效。这里仅介绍大气波导效应对雷达测高精度的影响。
在海洋环境中，波导几乎能够发生在任何时间、任何海域中。雷达在探测海上目标时不能忽略大气波导的影响。三坐标地面雷达的测高性能评估是在标准大气模型下进行的，未充分考虑雷达电波受大气波导的影响。
当处于表面波导条件时（波导高304 m，陷获层波导强度为-264.2 /km），由于表面波导的存在射线弯曲很明显，因此造成雷达测高异常，目标距离雷达越远，高度误差越大；表面波导越强，高度误差越大。
当雷达仰角为0.1°，目标距离为100 km时，高度测量误差达到700 m，说明此种天气条件下对雷达测量目标高度将造成很大影响。
2.2 主观因素
这里主要指由于人为检查不及时或操作错误而引起的雷达系统工作状态异常，进而导致雷达测高精度下降。如接收通道失效或性能恶化、天线俯仰及调平系统等引起的波束指向偏差等。这些异常现象，很可能没有被雷达操纵员及时发现。
2.2.1 检查维护不及时
雷达收发通道的一致性（均衡性）、天线平台调平状态等项目需要定期检查。
虽然雷达有BITE监视工作状态，但其覆盖率不能完全达到100%，当器件性能出现一定程度的降低时，可能无法报出故障状态，但此时已经影响到测高的性能，如图3所示。此时需要维修人员定期检查和修复。
图3 通道一致性异常时雷达测高情况
雷达机动架设时经常会出现地基沉降的现象，导致平台水平度偏差；雷达在雷达站长期固定站使用时，由于天线转动时各撑腿受力并不均匀，电动或液压撑腿可能会出现一定程度的位移。上述现象对测高精度均会产生较大影响，需要定期进行检查和调整。
当控制天线俯仰出现偏移时，天线中心法线指向会出现固定误差，这种误差对于测高精度的影响具有全方位一致性，即高度误差出现整体随距离爬升/下降态势。图4为雷达展开未到位时（设目标从100 km处由北向南向站穿顶空飞行，穿越雷达顶空后径直飞行至100 km处）目标测高误差随距离变化情况。
图4 天线俯仰异常时高度误差情况
同样，当雷达调平系统出现问题时，也会影响收发波束指向。与上一种情况不同的是，平台不平时，雷达测高误差全方位并不一致，且呈现出雷达在一边探测时，高度误差整体随距离爬升/下降，而在另一边探测时，高度误差整体随距离下降/爬升。如图5所示。
图5 天线调平异常时高度误差情况
2.2.2 操作设置错误
其他，如人为修改站高、波束指向角，人工跟踪时的错误关联等会导致测高精度出现较大偏差。
3 结 语
影响三坐标地面雷达测高精度的因素极为复杂。通过分析可以得出，要保证雷达测高精度，首先应从阵地选择入手，尽量规避一些因素；同时要避免人为操作失误或检查不及时等因素，确保雷达系统处于正常工作状态。正确估计并规避各种因素，方可有效保证或改善地面雷达测高精度。
参考文献
[1] 郦能敬.对空情报雷达的测量精度分析[J].雷达科学与技术，2005（1）：1?10.
[2] 王大勇，赵朝锋，彭建怡，等.微波测距仪测距精度误差因素的影响分析[J].电子测量技术，2010，33（4）：42?44.
[3] 崔亚奇，宋强，何友.系统偏差情况下的目标跟踪技术[J].仪器仪表学报，2010，31（8）：1848?1854.
[4] 刘波，刘宝泉，陈春晖.机载预警雷达测高精度分析[J].雷达科学与技术，2012（4）：134?137.
[5] 靳升，孙永维，陈昊.基于SA?BFSN算法的多模地面雷达信号预分选方法[J].现代电子技术，2012，35（13）：1?3.
[6] 耿东华，马丁，孙卫杰.地面雷达数据处理系统设计[J].现代电子技术，2011，34（13）：21?23.
地基雷达在目标检测时，始终需要对强杂波进行抑制，包括近区强地杂波和中、远区气象杂波等。从统计数据分析来看，绝大多数目标高度异变情况发生在杂波区。
信号处理系统在对杂波（尤其是强地杂波和云雨杂波）进行处理时，受系统改善因子限制，会剩余一定数量的杂波虚警点。这些虚警会充斥仰角面的各个波束，一般地杂波会集中于低波束，而气象杂波则根据距离远近可能出现在多个波束。
点迹凝聚时同样不能将杂波虚警完全滤除，经过比幅计算后，将杂波的位置及仰角等信息也传至航迹处理系统。
目标穿越杂波密集区时，由于本身RCS起伏和杂波+噪声叠加带来的信/杂噪比恶化导致杂波区检测时更加容易丢点，此时航迹跟踪时易出现关联到杂波虚警点的情况，因为有些杂波点的位置和属性特征也会满足相关跟踪准则。
在弱小目标检测、强杂波区检测或目标RCS出现大幅度起伏时，存在只有一个波束有输出的情况，此时点迹处理测量的目标仰角为波束中心指向，必然出现高度异变，导致测高精度的恶化。
图2 目标穿越杂波区示意图
2.1.3 阵地电磁环境
阵地周边的军/民用电子设备、敌方施放的有源噪声压制式干扰会改变雷达检测环境，由信噪比环境演变为信噪+干比环境，雷达探测能力和测量精度会出现严重恶化。
对雷达的影响主要体现在抬高雷达检测的噪声基底，使得雷达测量精度急剧下降。对基于DBF体制的三坐标雷达，还会干扰雷达接收通道校正，致使接收波束指向紊乱，从而影响高度测量精度。
2.1.4 阵地大气环境
强风和大气波导等极端气候环境也会影响雷达测高精度。强风会导致雷达天线产生较大形变，影响雷达收发波束指向；大气波导主要包括表面波导、蒸发波导和抬升波导等，一般较强的波导出现在海面上空，大气波导突破常规标准大气折射模型，使得常规补偿模型失效，测高精度严重失效。这里仅介绍大气波导效应对雷达测高精度的影响。
在海洋环境中，波导几乎能够发生在任何时间、任何海域中。雷达在探测海上目标时不能忽略大气波导的影响。三坐标地面雷达的测高性能评估是在标准大气模型下进行的，未充分考虑雷达电波受大气波导的影响。
当处于表面波导条件时（波导高304 m，陷获层波导强度为-264.2 /km），由于表面波导的存在射线弯曲很明显，因此造成雷达测高异常，目标距离雷达越远，高度误差越大；表面波导越强，高度误差越大。
当雷达仰角为0.1°，目标距离为100 km时，高度测量误差达到700 m，说明此种天气条件下对雷达测量目标高度将造成很大影响。
2.2 主观因素
这里主要指由于人为检查不及时或操作错误而引起的雷达系统工作状态异常，进而导致雷达测高精度下降。如接收通道失效或性能恶化、天线俯仰及调平系统等引起的波束指向偏差等。这些异常现象，很可能没有被雷达操纵员及时发现。
2.2.1 检查维护不及时
雷达收发通道的一致性（均衡性）、天线平台调平状态等项目需要定期检查。
虽然雷达有BITE监视工作状态，但其覆盖率不能完全达到100%，当器件性能出现一定程度的降低时，可能无法报出故障状态，但此时已经影响到测高的性能，如图3所示。此时需要维修人员定期检查和修复。
图3 通道一致性异常时雷达测高情况
雷达机动架设时经常会出现地基沉降的现象，导致平台水平度偏差；雷达在雷达站长期固定站使用时，由于天线转动时各撑腿受力并不均匀，电动或液压撑腿可能会出现一定程度的位移。上述现象对测高精度均会产生较大影响，需要定期进行检查和调整。
当控制天线俯仰出现偏移时，天线中心法线指向会出现固定误差，这种误差对于测高精度的影响具有全方位一致性，即高度误差出现整体随距离爬升/下降态势。图4为雷达展开未到位时（设目标从100 km处由北向南向站穿顶空飞行，穿越雷达顶空后径直飞行至100 km处）目标测高误差随距离变化情况。
图4 天线俯仰异常时高度误差情况
同样，当雷达调平系统出现问题时，也会影响收发波束指向。与上一种情况不同的是，平台不平时，雷达测高误差全方位并不一致，且呈现出雷达在一边探测时，高度误差整体随距离爬升/下降，而在另一边探测时，高度误差整体随距离下降/爬升。如图5所示。
图5 天线调平异常时高度误差情况
2.2.2 操作设置错误
其他，如人为修改站高、波束指向角，人工跟踪时的错误关联等会导致测高精度出现较大偏差。
3 结 语
影响三坐标地面雷达测高精度的因素极为复杂。通过分析可以得出，要保证雷达测高精度，首先应从阵地选择入手，尽量规避一些因素；同时要避免人为操作失误或检查不及时等因素，确保雷达系统处于正常工作状态。正确估计并规避各种因素，方可有效保证或改善地面雷达测高精度。
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[1] 郦能敬.对空情报雷达的测量精度分析[J].雷达科学与技术，2005（1）：1?10.
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[3] 崔亚奇，宋强，何友.系统偏差情况下的目标跟踪技术[J].仪器仪表学报，2010，31（8）：1848?1854.
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[6] 耿东华，马丁，孙卫杰.地面雷达数据处理系统设计[J].现代电子技术，2011，34（13）：21?23.
地基雷达在目标检测时，始终需要对强杂波进行抑制，包括近区强地杂波和中、远区气象杂波等。从统计数据分析来看，绝大多数目标高度异变情况发生在杂波区。
信号处理系统在对杂波（尤其是强地杂波和云雨杂波）进行处理时，受系统改善因子限制，会剩余一定数量的杂波虚警点。这些虚警会充斥仰角面的各个波束，一般地杂波会集中于低波束，而气象杂波则根据距离远近可能出现在多个波束。
点迹凝聚时同样不能将杂波虚警完全滤除，经过比幅计算后，将杂波的位置及仰角等信息也传至航迹处理系统。
目标穿越杂波密集区时，由于本身RCS起伏和杂波+噪声叠加带来的信/杂噪比恶化导致杂波区检测时更加容易丢点，此时航迹跟踪时易出现关联到杂波虚警点的情况，因为有些杂波点的位置和属性特征也会满足相关跟踪准则。
在弱小目标检测、强杂波区检测或目标RCS出现大幅度起伏时，存在只有一个波束有输出的情况，此时点迹处理测量的目标仰角为波束中心指向，必然出现高度异变，导致测高精度的恶化。
图2 目标穿越杂波区示意图
2.1.3 阵地电磁环境
阵地周边的军/民用电子设备、敌方施放的有源噪声压制式干扰会改变雷达检测环境，由信噪比环境演变为信噪+干比环境，雷达探测能力和测量精度会出现严重恶化。
对雷达的影响主要体现在抬高雷达检测的噪声基底，使得雷达测量精度急剧下降。对基于DBF体制的三坐标雷达，还会干扰雷达接收通道校正，致使接收波束指向紊乱，从而影响高度测量精度。
2.1.4 阵地大气环境
强风和大气波导等极端气候环境也会影响雷达测高精度。强风会导致雷达天线产生较大形变，影响雷达收发波束指向；大气波导主要包括表面波导、蒸发波导和抬升波导等，一般较强的波导出现在海面上空，大气波导突破常规标准大气折射模型，使得常规补偿模型失效，测高精度严重失效。这里仅介绍大气波导效应对雷达测高精度的影响。
在海洋环境中，波导几乎能够发生在任何时间、任何海域中。雷达在探测海上目标时不能忽略大气波导的影响。三坐标地面雷达的测高性能评估是在标准大气模型下进行的，未充分考虑雷达电波受大气波导的影响。
当处于表面波导条件时（波导高304 m，陷获层波导强度为-264.2 /km），由于表面波导的存在射线弯曲很明显，因此造成雷达测高异常，目标距离雷达越远，高度误差越大；表面波导越强，高度误差越大。
当雷达仰角为0.1°，目标距离为100 km时，高度测量误差达到700 m，说明此种天气条件下对雷达测量目标高度将造成很大影响。
2.2 主观因素
这里主要指由于人为检查不及时或操作错误而引起的雷达系统工作状态异常，进而导致雷达测高精度下降。如接收通道失效或性能恶化、天线俯仰及调平系统等引起的波束指向偏差等。这些异常现象，很可能没有被雷达操纵员及时发现。
2.2.1 检查维护不及时
雷达收发通道的一致性（均衡性）、天线平台调平状态等项目需要定期检查。
虽然雷达有BITE监视工作状态，但其覆盖率不能完全达到100%，当器件性能出现一定程度的降低时，可能无法报出故障状态，但此时已经影响到测高的性能，如图3所示。此时需要维修人员定期检查和修复。
图3 通道一致性异常时雷达测高情况
雷达机动架设时经常会出现地基沉降的现象，导致平台水平度偏差；雷达在雷达站长期固定站使用时，由于天线转动时各撑腿受力并不均匀，电动或液压撑腿可能会出现一定程度的位移。上述现象对测高精度均会产生较大影响，需要定期进行检查和调整。
当控制天线俯仰出现偏移时，天线中心法线指向会出现固定误差，这种误差对于测高精度的影响具有全方位一致性，即高度误差出现整体随距离爬升/下降态势。图4为雷达展开未到位时（设目标从100 km处由北向南向站穿顶空飞行，穿越雷达顶空后径直飞行至100 km处）目标测高误差随距离变化情况。
图4 天线俯仰异常时高度误差情况
同样，当雷达调平系统出现问题时，也会影响收发波束指向。与上一种情况不同的是，平台不平时，雷达测高误差全方位并不一致，且呈现出雷达在一边探测时，高度误差整体随距离爬升/下降，而在另一边探测时，高度误差整体随距离下降/爬升。如图5所示。
图5 天线调平异常时高度误差情况
2.2.2 操作设置错误
其他，如人为修改站高、波束指向角，人工跟踪时的错误关联等会导致测高精度出现较大偏差。
3 结 语
影响三坐标地面雷达测高精度的因素极为复杂。通过分析可以得出，要保证雷达测高精度，首先应从阵地选择入手，尽量规避一些因素；同时要避免人为操作失误或检查不及时等因素，确保雷达系统处于正常工作状态。正确估计并规避各种因素，方可有效保证或改善地面雷达测高精度。
参考文献
[1] 郦能敬.对空情报雷达的测量精度分析[J].雷达科学与技术，2005（1）：1?10.
[2] 王大勇，赵朝锋，彭建怡，等.微波测距仪测距精度误差因素的影响分析[J].电子测量技术，2010，33（4）：42?44.
[3] 崔亚奇，宋强，何友.系统偏差情况下的目标跟踪技术[J].仪器仪表学报，2010，31（8）：1848?1854.
[4] 刘波，刘宝泉，陈春晖.机载预警雷达测高精度分析[J].雷达科学与技术，2012（4）：134?137.
[5] 靳升，孙永维，陈昊.基于SA?BFSN算法的多模地面雷达信号预分选方法[J].现代电子技术，2012，35（13）：1?3.
[6] 耿东华，马丁，孙卫杰.地面雷达数据处理系统设计[J].现代电子技术，2011，34（13）：21?23.
