摘要：本文研究的着重点在于多点定位系统中由于信号传播的多径效应而导致的定位误差，并且基于信号的极化特性对多径效应进行了数学建模和分析。
关键字：多径效应，多点定位
Research on Multipath Effect in Multilateration Surveillance System
Abstract：This paper is dedicated to the investigation of the errors, caused by multipath effect of signal propagation in Multilateration Surveillance System. Multipath effect was modelled and analyzed on the basis of polarization characteristics of received signal.
1.前言
随着多点定位技术的不断成熟，越来越多的机场开始部署多点定位系统，以加强机场场面的监视能力。与传统雷达相比，多点定位系统具有多种优势，尤其是在复杂地形和恶劣天气情况下多地定位系统对目标仍具有高精度的定位能力。多点定位系统不仅应用在机场场面监视，还能应用于机场终端区和区域管制监视（即广域多点定位系统）。多点定位技术的关键在于到达时间差（TDoA，Time Difference of Arrival）处理技术[1]。在要求的范围内给出目标的最精准位置定位是多点定位技术面临的最需要解决的问题。这个问题可以通过基于克拉美-罗下界不等式（Cramer-Rao bound, CRB）的最优遗传算法[2]得到解决。但是这个方法只能得到系统中所有会影响定位精度的总误差表达式，并且很难分析具体误差所带来的对定位精度的影响。信号在传播过程中，反射、折射和散射都有可能导致多径效应。信号的传播特性与发射信号的特性、发射-接收距离远近和传播环境都有关系。本文着重研究多径效应对定位精度带来的影响，有助于在部署多点定位系统时尽量减少这种影响以提高定位精度。
2.仿真分析
与直射信号相比，经过多径反射后信号的功率密度、极化特性以及到达时间都会有所不同。因此可以利用这些特性参数的差异去鉴别是否多径反射的信号。例如经过反射后信号的进入接收机的到达时间会比直射信号的到达时间要大。通过在实际到达时间和期望到达时间之间设置时间差门限就可以分辨出所接收的信号是否多径反射信号。
反射信号的功率密度和极化方式的改变取决于反射面的电磁特性（如导电率和介电常数）、信号的频率以及传播介质。对于极化方式而言，机载应答机的发射信号为垂直极化。经过反射后信号的场强可用（1）式表示：
接下来我们分析反射信号的场强和极化特性。假设发射信号的初始场强为E=300伏/米，初始极化方式为垂直线极化，信号频率是机载应答机的发射频率1090MHz。信号在不同材质反射面（水泥、干燥的地面和海平面）的信号场强的仿真计算结果如图1至图3所示。
图3海平面反射面的信号场强与入射角的关系曲线
由图1至图3可见，水平面和垂直面分量的场强是不同的。场强的大小取决于信号的入射角度和反射面的介电特性。对于水泥反射面而言，在入射角度约为30度时，反射信号的垂直分量最小。对于干燥地面反射面而言，在入射角度约为21度时，反射信号的垂直分量最小。对于海平面反射面而言，在入射角度约为8度时，反射信号的垂直分量最小。这三种材质反射面的水平分量都随着入射角度的增大而减少，但水泥反射面的水平分量衰减最大，干燥地面次之，海平面衰减最小。显而易见，反射信号中总是包含有水平分量。当天线同时接收水平分量和垂直分量时，水平分量场强的出现以及其值的大小均意味当前接收信号是多径反射信号。这是直射信号与多径反射信号的重要区别，因此可通过检测接收信号的水平分量的强度来鉴别多径反射信号。
此外，还可以利用偏振气象雷达中常用的线退偏振比（linear depolarization ratio，LDR）来分析多径反射信号的特性：
图6海平面反射面的线退偏振比LDR与入射角的关系曲线
从图4至图6可以看出，线退偏振比LDR参数反映了不同材质反射面的特性，并且与入射角有密切关系。在布儒斯特角（Brewster’s angles）范围内，线退偏振比LDR达到最大，而此时对应的垂直极化（主极化）分量最小。可见当接收信号的入射角等于布儒斯特角时，线退偏振比LDR的值就会变得很高，而直射信号的线退偏振比则很小，据此可判断此时接收到的信号就是多径反射信号。
在谐振的情况下，椭圆极化的倾角为：
图7线退偏振比LDR与极化倾角的关系曲线
3.结论
综上所述，当信号经过复杂物体反射后，其极化特性会随之改变。本文通过分析信号在不同材质反射面下的垂直与水平极化分量场强以及与信号极化特性相关的线退偏振比LDR参数，经过仿真计算分析，得到了不同材质反射面的反射信号特性和不同入射角下的线退偏振比曲线，并指出通过线退偏振比的大小就可判断所接收信号是否为多径反射信号，为解决多点定位系统中由于多径效应所带来的定位模糊问题提供了方法和思路。
参考文献：
[1] Neven, W. H. L., Quilter, T. J., Weedon, R., Hogendoorn, R. A., “Wide Area Multilateration,” Version 1.1, National Aerospace Laboratory, 9-11 (2005).
[2] Konchenko, I., Yanovsky, F, “Multilateration surveillance system arrangement at the airport area”, Proc. SPIE, Vol.7745, 24-29 (2010).
作者简介：
曾锐华(1985-)，男，硕士，广东肇庆人，工程师，主要研究方向：民航地空通信技术的发展与应用。
论文作者:曾锐华
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/16
标签：信号论文; 反射论文; 多点论文; 偏振论文; 场强论文; 分量论文; 特性论文; 《防护工程》2018年第36期论文;