无线电测向体制概述

PAGEPAGE13第十章无线电测向体制概述无线电测向的一般知识。随着无线电频谱资源的广泛应用和无线电通信的日益普及，为了有序和可靠地利用有限的频谱资源，以及确保无线电通信的畅通，无线电监测和无线电测向已经必不可少，其地位和作用还会与时俱进。什么是无线电测向呢?无线电测向是依据电磁波传播特性，使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。测定无线电来波方向的专用仪器设备，称为无线电测向机。在测定过程中，根据天线系统从到达来波信号中获得信息以及对信息处理的方法，可以将测向系统分为两大类：标量测向系统和矢量测向系统。标量测向系统仅能获得和使用到达来波信号有关的标量信息数据；矢量测向系统可以获得和使用到达来波信号的矢量信息数据。标量测向系统仅能单独获得和使用电磁波的幅度或者相位信息，而矢量测向系统可以同时获得和使用电磁波的幅度和相位信息.标量测向系统历史悠久，应用最为广泛。最简单的幅度比较式标量测向系统，是如图(1)所示的旋转环型测向机，该系统对垂直极化波的方向图成8字形。大多数幅度比较式的标量测向系统，其测向天线和方向图，都是采用了某种对称的形式，例如：阿德考克(Adcock)测向机和沃特森-瓦特(Watson-Watt)测向机，以及各种使用旋转角度计的圆形天线阵测向机；属于相位比较的标量测向系统，有如：干涉仪(Inteferometry)测向机和多普勒(Dopple)测向机等。在短波标量测向系统可以设计成只测量方位角，也可设计成测量方位角，同时测量来波的仰角。矢量测向系统，具有从来波信号中获得和使用矢量信息数据的能力。例如：空间谱估计测向机。矢量系统的数据采集，前端需要使用多端口天线阵列和至少同时利用两部以上幅度、相位相同的接收机，后端根据相应的数学模型和算法，由计算机进行解算。矢量系统依据天线单元和接收机数量以及后续的处理能力，可以分辨两元以至多元波场和来波方向。矢量测向系统的提出还是近十几年的事，它的实现有赖于数字技术、微电子技术和数字处理技术的进步。目前尚未普及。图1比幅式环形测向在上述的说明中，我们使用的是测定“来波方向”，而没有使用测定“辐射源方向”，这两者之间是有区别的。我们在这里侧重的是：测向机所在地实在的电磁环境，但是，无线电测向，通常的最终目的，还是要确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。无线电测向从上个世纪初诞生至今，已经形成了系统的理论，这就是无线电测向学。无线电测向学，是研究电磁波特性及传播规律、无线电测向原理及实现方法、测向误差规律及减小和克服误差的方法。总之，无线电测向学，是研究无线电测向理论、技术与应用的科学。无线电测向学是与无线电工程学、无线电电子学、地球物理学、无线电通信技术、计算机技术、数字技术紧密相关的一门科学。图2无线电测向系统的组成无线电测向系统的组成，如图(2)所示。通常包括测向天线、输入匹配单元、接收机和方位信息处理显示四个部分。测向天线是电磁场能量的探测器、传感器，又是能量转换器，它把空中传播的电磁波能量感应接收下来，连同幅度、相位、到达时间等信息转换为交流电信号，馈送给接收机；输入匹配单元实现天线至接收机的匹配传输和必要的变换；接收机的作用是选频、下变频、无失真放大和信号解调；检测、比较、计算、处理、显示(指示)方位信息，是第四部分的任务。无线电测向以测向机所在地，以及过地理北极的子午线为参考零度方向。两点之间方位度数按下述方法确定：假设地球表面A、B两点，A点为测向机所在地，基准方向与方位角如图(3)所示。量判B点相对于A点的方位角，是从过A点的子午线(零度)顺时针旋转到A至B的大圆路连线的度数。B点相对于A点的方位角度数具有唯一性图3基准方向与方位角测向机在测向过程中显示(指示)的测向读数称为示向度。由于电波传播以及测向仪器的误差等原因，测向时，示向度通常不是一个十分精确的单值。示向度与方位角之差，称为测向误差。如果在测向中，示向度与方位角重合，则测向误差为零。实际上，在测向过程中导致产生误差的原因是多方面的，但是基本上可以归纳为主观误差和客观误差两大方面。影响和产生客观误差的因素很多，以后我们还将另文专述。在测向中，为了获得比较准确的示向度，通常有四个必须具备的条件：优良的测向台址环境、匹配的测向体制、高精度的测向机、经验丰富的操作人员。优良的测向台址环境为电波的正常传播提供条件；正确选择测向体制，以满足使用中的不同要求；精良的测向机是设备基础；在测向的过程中，常常需要处理预想不到的情况，人的知识经验十分宝贵，经验丰富的操作人员，有着非常重要的作用。这是四个必须同时具备的条件。测向设备、通信系统和附属设备，可以组成测向站(台)。测向站是专门执行测向任务的机构，它有固定站和移动站之分。无线电测向测定电波来波方向，通常是为了确定辐射源的位置，这时往往需要以几个位置不同的测向站(台)组网测向，用各测向站的示向度(线)进行交汇。如图(4)所示。条件允许时，也可以用移动测向站，在不同位置依次分时交测。图4各测向站的示向交汇短波的单台定位，是在测向的同时测定来波的仰角，以仰角、电离层高度计算距离，用示向度和距离粗判台位。单台定位如图(5)所示。图5短波单台(站)定位实际操作上要确定未知辐射源的具体位置，往往需要完成由远而近分步交测，以逐步实现接近和确定辐射源的具体位置。无线电测向的应用。无线电测向系统的应用在三个方面：一、测定未知辐射源方向和位置的测向系统。测向站(台)可以是固定的，也可能是移动的。例如：在无线电频谱管理中，对未知干扰源的测向与定位。二、测定已知辐射源方向，用以确定自身位置的测向系统。这时测向机通常安装在运动载体上。例如：在船舶航海与飞机飞行中的导航设备。三、引导带有辐射源的运动载体到达预定目标的测向系统。测向站(台)可以是固定的，也可以是移动的。无线电测向的应用领域包括民用和军用两大方面。无线电频谱管理、自然生态科研、航空管理、寻地与导航、内防安全和体育运动等，属于前者；通信与非通信信号侦察、战略战术电子对抗与反对抗等，在电子战中的应用，属于后者。无线电测向机的分类方法。经过了近百年的研究、实践与发展，无线电测向机已经拥有了一个庞大的家族。基于着眼点的不同，测向机有着下列各种不同的分类方法(分类中的交叉不可避免)：1.依照工作频段分类有：超长波、长波、中波、短波、超短波和微波测向机；2.依照工作方式分类有：固定测向机、移动测向机。移动测向机又因为运载工具的不同，可以进一步分为车载、船载、机载(飞机)测向机以及手持和佩带式测向机；3.依照测向机的作用距离分类(主要指短波)有：近距离测向机、中距离测向机、远(程)距离测向机；4.依照测向天线间隔(基础、孔径)尺寸的大小分类有：大基础测向机、中基础测向机、小基础测向机；5.依照测向天线是否具有放大器分类有：有源天线测向机、无源天线测向机；6.依照测向机所使用的测向天线种类分类有：环(框)形天线测向机、交叉环(框)形天线测向机、间隔双环(框)形天线测向机、单极子(加载)天线测向机、对称阵子(垂直、水平)天线测向机、对数天线测向机、行波环天线测向机、磁性天线测向机、微波透镜天线测向机等；7.依照测向机示向度读出方式分类有：听觉测向机、视觉测向机、数字测向机；8.依照测向机使用接收机的信道分类有：单、双信道测向机、多信道测向机。像上面的分类方法，可能还有一些，这里不再赘述。

测向原理及测向体制概述。在测向机家庭中，依据不同的测向原理，可以把现有的测向机归纳为不同的测向体制、体系和样式。以下将分别介绍它们的工作原理和特点。一、幅度比较式测向体制幅度比较式测向体制的工作原理是：依据电波在行进中，利用测向天线阵或测向天线的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同，测定来波方向。例如：间隔设置的四单元U形天线阵、小基础测向(阿德考克)机，如图(6)所示。其表达公式如公式(1)所示。Uns=kU13SinθCosεUew=kU24CosθCosεUnsθ=arctg——(1)Uew上面的公式中：Uns、Uew分别为北-南、东-西天线感应电压，θ为来波方位角，ε为来波仰角，k为相位常数，2bπk=———λ其中：b为天线间距，λ为工作波长。对于360度(θ)不同方向的来波，北-南天线感应接收信号的幅度遵循正弦Sinθ规律，东西天线感应接收信号的幅度遵循余弦Cosθ规律，有了两组信号幅度，测向时设法对二者求解或显示它们的反正切值，即可得到来波方向。这只是幅度比较式测向体制中的一个典型的测向机例子。图6四单元阿德考克天线阵幅度比较式测向体制的原理应用十分广泛，其测向机的方向图也不尽相同。例如：环形天线测向机、间隔双环天线测向机、旋转对数天线测向机等，属于直接旋转测向天线和方向图；交叉环天线测向机、U形天线测向机、H型天线测向机等，属于间接旋转测向天线方向图。间接旋转测向天线方向图，是通过手动或电气旋转角度计实现的。手持或佩带式测向机通常也是属于幅度比较式测向体制。这是不再赘述。幅度比较式测向体制的特点：测向原理直观明了，一般来说系统相对简单，体积小，重量轻，价格便宜。小基础测向体制(阿德考克)存在间距误差和极化误差，抗波前失真的能力受到限制。频率覆盖范围、测向灵敏度、准确度、测向时效、抗多径能力和抗干扰能力等重要指标，要根据具体情况做具体分析。二、沃特森-瓦特测向体制沃特森-瓦特测向体制的工作原理：沃特森-瓦特测向机实际上也是属于幅度比较式的测向体制，但是它在测向时不是采用直接或间接旋转天线方向图，而是采用计算求解或显示反正切值。鉴于它在测向机家族中的特殊地位和目前仍然在广泛应用，所以在此单独说明。基本公式同公式(1)。正交的(Sinθ、Cosθ)测向天线信号，分别经过两部幅度、相位特性相同的接收机进行变频、放大，最后求解或显示反正切值，解出或显示来波方向。属于沃特森瓦特测向机的有：多信道沃特森-瓦特测向机、单信道沃特森-瓦特测向机。这里所说的多信道，通常是指三信道，另外一个信道的作用是与全向天线相接，以解决“180度不确定性”和“值班收信”问题。多信道沃特森-瓦特测向原理方框图如图(7)所示。图7多信道沃特森-瓦特框图单信道沃特森-瓦特测向机是将正交的测向天线信号，分别经过两个低频信号进行调制，而后通过单信道接收机变频、放大，解调出方向信息信号，然后求解或显示反正切值，给出来波方向。单信道沃特森-瓦特测向机原理方框图如图(8)所示。图8单信道沃特森-瓦特框图沃特森-瓦特测向体制的特点：多信道沃特森-瓦特测向机测向时效高，速度快，在良好场地上测向准确，而且CRT显示方式，还可以分辨同信道干扰。该体制测向天线属于小基础，测向灵敏度和抗波前失真受到限制。多信道体制系统复杂；双信道接收机实现幅度、相位一致，有一定技术难度；单信道体制同属于小基础，系统简单，体积小，重量轻，但是测向速度受到一定限制。三、干涉仪测向体制干涉仪测向体制的测向原理是：依据电波在行进中，从不同方向来的电波到达测向天线阵时，在空间上各测向天线单元接收的相位不同，因而相互间的相位差也不同，通过测定来波相位和相位差，即可确定来波方向。基本公式如公式(2)所示Φ13=Φ1-Φ3=k*SinθCosεΦ24=Φ2-Φ4=k*SinθCosεΦ13θ=arctg————(2)Φ24上式中：Φ13、Φ24分别为北-南、东-西天线之间来波的相位差，k为相移常数，θ为欲求来波方向角。在干涉仪测向方式中，是直接测量测向天线感应电压的相位，而后求解相位差，由公式(2)可见与幅度比较式测向的公式十分相似。为了能够单值地确定电磁波来波的方向，干涉仪测向在工作时，至少需要在空间架设三付分立的测向天线。干涉仪测向是在±180度范围内单值地测量相位，当天线间距比较小时，相位差的分辨能力受到限制，天线间距大于0.5个波长时，会引起相位模糊。通常解决上述矛盾的方法是，沿着每个主基线插入一个或多个附加阵元，这些附加阵元提供附加相位测量数据，由这些附加相位数据，解决主基线相位测量中的模糊问题。这种变基线的技术已经为当代干涉仪测向机所广泛采用。干涉仪测向机的测向原理方框图如图(9)所示。图(9)干涉仪测向原理框图相关干涉仪测向，是干涉仪测向的一种，它的测向原理是：在测向天线阵列工作频率范围内和360度方向上，各按一定规律设点，同时在频率间隔和方位间隔上，建立样本群，在测向时，将所测得的数据与样本群进行相关运算和插值处理，以获得来波信号方向。干涉仪测向体制的特点：采用变基线技术，可以使用中、大基础天线阵，采用多信道接收机、计算机和FFT技术，使得该体制测向灵敏度高，测向准确度高，测向速度快，可测仰角，有一定的抗波前失真能力。该体制极化误差不敏感。干涉仪测向是当代比较好的测向体制，由于研制技术较复杂、难度较大，因此造价较高。干涉仪测向对接收信号的幅度不敏感，测向天线在空间的分布和天线的架设间距，比幅度比较式测向灵活，但又必须遵循某种规则。例如：可以是三角形，也可以是五边形，还可以是L形等。四、多普勒测向体制多普勒测向体制的测向原理：依据电波在传播中，遇到与它相对运动的测向天线时，被接收的电波信号产生多普勒效应，测定多普勒效应产生的频移，可以确定来波的方向。为了得到多普勒效应产生的频移，必须使测向天线与被测电波之间做相对运动，通常是以测向天线在接收场中，以足够高的速度运动来实现的，当测向天线完全朝着来波方向运动时，多普勒效应频移量(升高)最大。多普勒测向的基本公式如公式(3)所示。当测向天线做圆周运动时，会使来波信号的相位受到正弦调制。设：以天线场中心0点为相位参考点，信号的相位为Φ，天线接收信瞬时相位为Φ(t)，于是有：Φt=ωt+Φ+kcCos(Ωt-θ)式中：ω为信号角频率，Ω为天线旋转角频率，θ为来波方向角度，相位常数kc=2πr/λ，其中r为天线间距，λ为信号波长。这时测向天线所收到信号Ut的表达式为：Ut=Acos［ωt+Φ+kcCos(Ωt-θ)］多普勒效应使测向天线接收到的信号产生调相，多普勒相移为ΦD，于是有：ΦD=kcCos(Ωt-θ)相应的多普勒频移为：f=dΦD/dt=-kcSin(Ωt-θ)(3)多普勒频移f，可以从旋转的测向天线接收到的信号，经过接收机变频、放大、鉴频以后得到。多普勒频移f与0点参考频率相比较，即可得到来波方向角θ。多普勒测向，通常不是直接旋转测向天线，因为这在工程上难于实现，它是将多郭天线架设在同心圆的圆周上，电子开关顺序快速接通各个天线，等效于旋转测向天线。人们称这种测向机为准多普勒测向机。准多普勒测向原理方框图如图(10)所示。图10准多普勒测向原理框图通常人们希望得到大的多普勒频移，增加天线孔径和开关速度是基本途径。多普勒测向机的测向天线孔径可以使用大、中基础；开关旋转频率数百赫兹，多普勒频称f可以达到数百赫兹，但是开关旋转换频频率的升高，会使产生的边带带宽增加，于是限制了转速。多普勒测向体制的特点：可以采用中、大基础天线阵，测向灵敏度高，准确度高，没有间距误差，极化误差小，可测仰角，有一定的抗波前失真能力。多普勒测向体制的缺欠是抗干扰性能较差，如：遇到同信道干扰、调频调制干扰时，会产生测向误差。该体制尚在发展之中，改进会使系统变得复杂，造价会随之升高。五、乌兰韦伯尔测向体制乌兰韦伯尔测向体制的测向原理：采用大基础测向天线阵，在圆周上架设多付测向天线，来波信号经过可旋转的角度计、移相电路、合差电路，形成合差方向图，而后将信号馈送给接收机。通过旋转角度计，旋转合差方向图，测找来波方向。以40付测向天线阵元为例，角度计瞬间可与12付天线元耦合，而后分别经过移相补偿电路将信号相位对齐，形成可旋转的等效直线天线阵，12付天线分成两组，每组6付，两组间经过合差电路相加、减，形成合、差方向图。测向时以合、差方向图测找来波方向。在来波方向上，由于两组天线均处在来波的等相位面上，两组天线信号大小相等，差方向图时，输出相减为“零”，合方向图时，为一组天线信号输出的二倍。由于乌兰韦伯尔测向是进行相位比较，人们常把它归类在比相式测向机。但是从使用者看，最终使用的是信号幅度比较，因此说它是幅度比较式测向机，也有道理。乌兰韦伯尔测向原理方框图如图(11)所示。图11乌兰韦伯尔测向原理框图短波乌兰韦伯尔测向体制，是典型的大基础，测向天线阵直径是最低工作波长的1～5倍。天线阵直径尺寸，根据低端工作频率的不同，达到数百甚至上千米。测向天线单元，可以是宽频带直立天线，也可以是对数周期天线。为了提高天线接收效能，通常在天线阵内侧使用反射网。一付天线阵难于覆盖全部短波频段时，一般是采用内高频，外低频的双层阵。乌兰韦伯尔测向体制的特点：由于采用大基础天线阵，测向灵敏度高，测向准确度高，测向分辨率高，抗波前失真、抗干扰性能好，可以提供监测综合利用。由于乌兰韦伯尔测向机要求数十根天线、馈线电特性完全一致，加之角度计设计、工艺要求高，以及需要大面积平坦开阔的天线架设场地，这无疑增加了造价和工程建设的难度。带来的问题是造价高，测向场地要求高。六、到达时间差测向体制到达时间差测向体制的测向原理：依据电波在行进中，通过测量电波到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别，确定电波到来的方向。它类似于比相式测向，但是这里测量的参数是时间差，而不是相位差。该测向体制要求被测信号具有确定的调制方式。到达时间差测向原理基本公式如公式(4)所示。设：垂直架设的测向天线单元A、B间距为2b，来波方向与AB连线的垂线的夹角为θ，来波仰角为β，电波传播速度为v，则天线B较天线A感应信号延迟时间为τ，2b于是有：τ=(——)SinθCosβv则来波方向θ可求，为：vτθ=arcSin［(———)Cosβ］(4)2b在上式中，τ为实际测量时间差。短波的来波仰角β需要估计，而超短波来波仰角β为“零”，即Cosβ=1。测向原理方框图如图(12)所示。实际使用中，为了覆盖360度方向，至少需要架设三付分立的测向天线。测向天线的间距有长、短基线之分，长基线的测向精度明显好于短基线。到达时间差测向体制基于时间标准和对时间的精确测量，以现在的技术水平而言，时间间隔的测量可达到1ns的精确度，当间距为10米时，测向的准确度可以达到1度。图12到达时间差测向原理框图到达时间差测向体制的特点：测向准确度高，灵敏度高，测向速度快，极化误差不敏感，没有间距误差，测向场地环境要求低。但是抗干扰性能不好，载波必须有确定的调制，目前应用尚不普及。七、空间谱估计测向体制空间谱估计测向体制的测向原理：在已知座标的多元天线阵中，测量单元或多元电波场的来波参数，经过多信道接收机变频、放大，得到矢量信号，将其采样量化为数字信号阵列，送给空间谱估计器，运用确定的算法求出各个电波的来波方向、仰角、极化等参数。空间谱估计测向原理方框图见图(13)。以四元天线阵为例，空间谱估计测向的基本公式，如公式(5)所示。空间谱估计测向是把每个天线的接收信号，与其他各个天线的信号都进行比较，这就是相关矩阵法，即协方差矩阵法，它完整地反映了空间电磁场的实际情况。具体地说就是构成如下的协方差矩阵：

X1X1HX1X2HX1X3HX1X4HX2X1HX2X2HX2X3HX2X4HRXX=X3X1HX3X2HX3X3HX3X4H（5）X4X1HX4X2HX4X3HX4X4H图13空间谱估计测向原理框图在上式中：Xn为n号天线的输出，H为共轭转置符号。空间谱估计四元天线阵的示意图如图(14)所示。图14空间谱估计四元阵示意图由公式(5)可见，四元阵的协方差矩阵有16个元素，空间谱估计测向，充分利用了测向天线阵各个阵元从空间电磁场接收到的全部信息，而传统的测向方式仅仅利用了其中的一少部分信息(相位或者幅度)，因此传统的测向方式不能在多波环境下发挥作用。空间谱估计测向，基于最新的阵列处理理论、算法与技术，具有超分辨测向能力。所谓超分辨测向，是指对同信道中，同时到达的、处于天线阵固有波束宽度以内的、两个以上的电波，能够同时测向。这在传统的测向方法中是无法实现的。构成协方差矩阵是空间谱估计测向的基本出发点，但是对协方差矩阵的处理，在不同的算法中是不相同的，其中典型的是多信号分类算法(MUSIC)。空间谱估计测向体制的特点：空间谱估计测向技术可以实现对几个相干波同时测向；可以实现对同信道中、同时存在的多个信号，同时测向；可以实现超分辨测向；空间谱估计测向，仅需要很少的信号采样，就能精确测向，因而适用于对跳频信号测向；空间谱估计测向，可以实现高测向灵敏度和高测向准确度，其测向准确度要比传统测向体制高得多，即使信噪比下降至0db，仍然能够满意地工作(而传统测向体制，信噪比通常需要20db)；测向场地环境要求不高，可以实现天线阵元方向特性选择及阵元位置选择的灵活性。以上空间谱估计测向的优点，正是传统测向方法长期以来存在的疑难问题。空间谱估计同，尚在研究试验阶段。在这个系统中，要求具备宽带测向天线，要求各个天线阵元之间和多信道接收机之间，电性能具有一致性。此外还需要简捷高精度的计算方法和高性能的运算处理器，以便解决实用化问题。测向体制的比较。测向体制的优劣通常是人们所共同关心的问题，但是无线电测向体制也象所有的事物一样，各自具有两重性。就使用者来说，每个用户的工作环境、工作方式、工作要求、工作对象等条件不尽相同，因此笼统地说优劣，有可能脱离实际。使用者在测向体制和测向体设备选用时，重要的是要透彻了解并仔细分析自身工作需求。测向体制与设备的优劣好坏，应当在满足工作需求的前提下，由使用者自已作出选择。应该说每一种测向体制都各具特点，站在用户的角度看，能够满足工作需求，价格又合适，就是好体制。在这里，我们着重讲讨论从哪些方面评价测向体制和测向设备，提出如下的技术指标，供读者参考一、频率覆盖范围。这一项指标规范了测向机规定的性能指标和正常工作的频率范围，它是选择测向体制和测向设备时的基本要求。二、测向灵敏度。它表征了测向体制和测向设备对小(弱)信号的测向能力。测向灵敏度主要依赖于测向天线元形式、天线阵的孔径(基础)和工作方式。它以电场强度度量，单位是微伏/米(μv/m)。三、测向准确度。它表征了测向体制和测向设备在测向时的精确度，也就是测向时误差的大小。测向准确通常有仪器设备测向精度、标准场地测向精度和实用测向精度之分，三者的物理意义和测试条件有着根本的区别，使用者需要特别注意，不可混肴。四、抗干扰能力。它表征了测向体制和测向设备遇到干扰信号时的测向能力和测向准确度，其中包括了对同信道干扰、临道干扰、带外干扰、多波干(波前失真)等干扰存在时的测向能力。五、测向时效。它表征了测向体制和测向设备在测向时的时间开销，以及对空中持续短信号的测向能力。这其中包括了：测向系统的信道建立、方向信息的采样、数据运算处理(含积分)、示向度显示等环节所需要的时间，各时间段可以分别表示。但是一般在评价时，往往只看综合时效。六、极化误差。极化误差是测向误差的一种，它表征了测向体制和测向设备，工作在非正常极化波条件下的测向能力。有