無(wú)線電測(cè)向的一般知識(shí)

本文首先介紹了無(wú)線電測(cè)向的一般知識(shí)，說(shuō)明了無(wú)線電測(cè)向機(jī)的分類方法和應(yīng)用；著重從測(cè)向原理的角度說(shuō)明了不同測(cè)向體制的特點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo)；最后從實(shí)際出發(fā)，提出選用建議。供讀者參考。

無(wú)線電測(cè)向的一般知識(shí)

隨著無(wú)線電頻譜資源的廣泛應(yīng)用和無(wú)線電通信的日益普及，為了有序和可靠地利用有限的頻譜資源，以及確保無(wú)線電通信的暢通，無(wú)線電監(jiān)測(cè)和無(wú)線電測(cè)向已經(jīng)必不可少，其地位和作用還會(huì)與時(shí)俱進(jìn)。

什么是無(wú)線電測(cè)向呢?無(wú)線電測(cè)向是依據(jù)電磁波傳播特性，使用儀器設(shè)備測(cè)定無(wú)線電波來(lái)波方向的過(guò)程。測(cè)定無(wú)線電來(lái)波方向的專用儀器設(shè)備，稱為無(wú)線電測(cè)向機(jī)。在測(cè)定過(guò)程中，根據(jù)天線系統(tǒng)從到達(dá)來(lái)波信號(hào)中獲得信息以及對(duì)信息處理的方法，可以將測(cè)向系統(tǒng)分為兩大類：標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)和矢量測(cè)向系統(tǒng)。標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)僅能獲得和使用到達(dá)來(lái)波信號(hào)有關(guān)的標(biāo)量信息數(shù)據(jù)；矢量測(cè)向系統(tǒng)可以獲得和使用到達(dá)來(lái)波信號(hào)的矢量信息數(shù)據(jù)。標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)僅能單獨(dú)獲得和使用電磁波的幅度或者相位信息，而矢量測(cè)向系統(tǒng)可以同時(shí)獲得和使用電磁波的幅度和相位信息.

標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)歷史悠久，應(yīng)用最為廣泛。最簡(jiǎn)單的幅度比較式標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)，是如圖(1)所示的旋轉(zhuǎn)環(huán)型測(cè)向機(jī)，該系統(tǒng)對(duì)垂直極化波的方向圖成8字形。大多數(shù)幅度比較式的標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)，其測(cè)向天線和方向圖，都是采用了某種對(duì)稱的形式，例如：阿德考克(Adcock)測(cè)向機(jī)和沃特森-瓦特(Watson-Watt)測(cè)向機(jī)，以及各種使用旋轉(zhuǎn)角度計(jì)的圓形天線陣測(cè)向機(jī)；屬于相位比較的標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)，有如：干涉儀(Inteferometry)測(cè)向機(jī)和多普勒(Dopple)測(cè)向機(jī)等。在短波標(biāo)量測(cè)向系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成只測(cè)量方位角，也可設(shè)計(jì)成測(cè)量方位角，同時(shí)測(cè)量來(lái)波的仰角。

矢量測(cè)向系統(tǒng)，具有從來(lái)波信號(hào)中獲得和使用矢量信息數(shù)據(jù)的能力。例如：空間譜估計(jì)測(cè)向機(jī)。矢量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，前端需要使用多端口天線陣列和至少同時(shí)利用兩部以上幅度、相位相同的接收機(jī)，后端根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和算法，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算。矢量系統(tǒng)依據(jù)天線單元和接收機(jī)數(shù)量以及后續(xù)的處理能力，可以分辨兩元以至多元波場(chǎng)和來(lái)波方向。矢量測(cè)向系統(tǒng)的提出還是近十幾年的事，它的實(shí)現(xiàn)有賴于數(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的進(jìn)步。目前尚未普及。

在上述的說(shuō)明中，我們使用的是測(cè)定“來(lái)波方向”，而沒(méi)有使用測(cè)定“輻射源方向”，這兩者之間是有區(qū)別的。我們?cè)谶@里側(cè)重的是：測(cè)向機(jī)所在地實(shí)在的電磁環(huán)境，但是，無(wú)線電測(cè)向，通常的最終目的，還是要確定“輻射源的方向”和“輻射源的具體位置”。

無(wú)線電測(cè)向從上個(gè)世紀(jì)初誕生至今，已經(jīng)形成了系統(tǒng)的理論，這就是無(wú)線電測(cè)向?qū)W。無(wú)線電測(cè)向?qū)W，是研究電磁波特性及傳播規(guī)律、無(wú)線電測(cè)向原理及實(shí)現(xiàn)方法、測(cè)向誤差規(guī)律及減小和克服誤差的方法?？傊?，無(wú)線電測(cè)向?qū)W，是研究無(wú)線電測(cè)向理論、技術(shù)與應(yīng)用的科學(xué)。無(wú)線電測(cè)向?qū)W是與無(wú)線電工程學(xué)、無(wú)線電電子學(xué)、地球物理學(xué)、無(wú)線電通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)緊密相關(guān)的一門(mén)科學(xué)。

無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)的組成，如圖(2)所示。通常包括測(cè)向天線、輸入匹配單元、接收機(jī)和方位信息處理顯示四個(gè)部分。測(cè)向天線是電磁場(chǎng)能量的探測(cè)器、傳感器，又是能量轉(zhuǎn)換器，它把空中傳播的電磁波能量感應(yīng)接收下來(lái)，連同幅度、相位、到達(dá)時(shí)間等信息轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)，饋送給接收機(jī)；輸入匹配單元實(shí)現(xiàn)天線至接收機(jī)的匹配傳輸和必要的變換；接收機(jī)的作用是選頻、下變頻、無(wú)失真放大和信號(hào)解調(diào)；檢測(cè)、比較、計(jì)算、處理、顯示(指示)方位信息，是第四部分的任務(wù)。

無(wú)線電測(cè)向以測(cè)向機(jī)所在地，以及過(guò)地理北極的子午線為參考零度方向。兩點(diǎn)之間方位度數(shù)按下述方法確定：假設(shè)地球表面A、B兩點(diǎn)，A點(diǎn)為測(cè)向機(jī)所在地，基準(zhǔn)方向與方位角如圖(3)所示。量判B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的方位角，是從過(guò)A點(diǎn)的子午線(零度)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到A至B的大圓路連線的度數(shù)。B點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)的方位角度數(shù)具有唯一性

圖3 基準(zhǔn)方向與方位角

測(cè)向機(jī)在測(cè)向過(guò)程中顯示(指示)的測(cè)向讀數(shù)稱為示向度。由于電波傳播以及測(cè)向儀器的誤差等原因，測(cè)向時(shí)，示向度通常不是一個(gè)十分精確的單值。示向度與方位角之差，稱為測(cè)向誤差。如果在測(cè)向中，示向度與方位角重合，則測(cè)向誤差為零。實(shí)際上，在測(cè)向過(guò)程中導(dǎo)致產(chǎn)生誤差的原因是多方面的，但是基本上可以歸納為主觀誤差和客觀誤差兩大方面。影響和產(chǎn)生客觀誤差的因素很多，以后我們還將另文專述。

在測(cè)向中，為了獲得比較準(zhǔn)確的示向度，通常有四個(gè)必須具備的條件：優(yōu)良的測(cè)向臺(tái)址環(huán)境、匹配的測(cè)向體制、高精度的測(cè)向機(jī)、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員。優(yōu)良的測(cè)向臺(tái)址環(huán)境為電波的正常傳播提供條件；正確選擇測(cè)向體制，以滿足使用中的不同要求；精良的測(cè)向機(jī)是設(shè)備基礎(chǔ)；在測(cè)向的過(guò)程中，常常需要處理預(yù)想不到的情況，人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)十分寶貴，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員，有著非常重要的作用。這是四個(gè)必須同時(shí)具備的條件。

測(cè)向設(shè)備、通信系統(tǒng)和附屬設(shè)備，可以組成測(cè)向站(臺(tái))。測(cè)向站是專門(mén)執(zhí)行測(cè)向任務(wù)的機(jī)構(gòu)，它有固定站和移動(dòng)站之分。

無(wú)線電測(cè)向測(cè)定電波來(lái)波方向，通常是為了確定輻射源的位置，這時(shí)往往需要以幾個(gè)位置不同的測(cè)向站(臺(tái))組網(wǎng)測(cè)向，用各測(cè)向站的示向度(線)進(jìn)行交匯。如圖(4)所示。條件允許時(shí)，也可以用移動(dòng)測(cè)向站，在不同位置依次分時(shí)交測(cè)。

圖4 各測(cè)向站的示向交匯

短波的單臺(tái)定位，是在測(cè)向的同時(shí)測(cè)定來(lái)波的仰角，以仰角、電離層高度計(jì)算距離，用示向度和距離粗判臺(tái)位。單臺(tái)定位如圖(5)所示。

圖5短波單臺(tái)(站)定位

實(shí)際操作上要確定未知輻射源的具體位置，往往需要完成由遠(yuǎn)而近分步交測(cè)，以逐步實(shí)現(xiàn)接近和確定輻射源的具體位置。

無(wú)線電測(cè)向的應(yīng)用

無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)的應(yīng)用在三個(gè)方面：一、測(cè)定未知輻射源方向和位置的測(cè)向系統(tǒng)。測(cè)向站(臺(tái))可以是固定的，也可能是移動(dòng)的。例如：在無(wú)線電頻譜管理中，對(duì)未知干擾源的測(cè)向與定位。二、測(cè)定已知輻射源方向，用以確定自身位置的測(cè)向系統(tǒng)。這時(shí)測(cè)向機(jī)通常安裝在運(yùn)動(dòng)載體上。例如：在船舶航海與飛機(jī)飛行中的導(dǎo)航設(shè)備。三、引導(dǎo)帶有輻射源的運(yùn)動(dòng)載體到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的測(cè)向系統(tǒng)。測(cè)向站(臺(tái))可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。

無(wú)線電測(cè)向的應(yīng)用領(lǐng)域包括民用和軍用兩大方面。無(wú)線電頻譜管理、自然生態(tài)科研、航空管理、尋地與導(dǎo)航、內(nèi)防安全和體育運(yùn)動(dòng)等，屬于前者；通信與非通信信號(hào)偵察、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)電子對(duì)抗與反對(duì)抗等，在電子戰(zhàn)中的應(yīng)用，屬于后者。

無(wú)線電測(cè)向機(jī)的分類方法

經(jīng)過(guò)了近百年的研究、實(shí)踐與發(fā)展，無(wú)線電測(cè)向機(jī)已經(jīng)擁有了一個(gè)龐大的家族?；谥埸c(diǎn)的不同，測(cè)向機(jī)有著下列各種不同的分類方法(分類中的交叉不可避免)：1.依照工作頻段分類有：超長(zhǎng)波、長(zhǎng)波、中波、短波、超短波和微波測(cè)向機(jī)；2.依照工作方式分類有：固定測(cè)向機(jī)、移動(dòng)測(cè)向機(jī)。移動(dòng)測(cè)向機(jī)又因?yàn)檫\(yùn)載工具的不同，可以進(jìn)一步分為車載、船載、機(jī)載(飛機(jī))測(cè)向機(jī)以及手持和佩帶式測(cè)向機(jī)；3.依照測(cè)向機(jī)的作用距離分類(主要指短波)有：近距離測(cè)向機(jī)、中距離測(cè)向機(jī)、遠(yuǎn)(程)距離測(cè)向機(jī)；4.依照測(cè)向天線間隔(基礎(chǔ)、孔徑)尺寸的大小分類有：大基礎(chǔ)測(cè)向機(jī)、中基礎(chǔ)測(cè)向機(jī)、小基礎(chǔ)測(cè)向機(jī)；5.依照測(cè)向天線是否具有放大器分類有：有源天線測(cè)向機(jī)、無(wú)源天線測(cè)向機(jī)；6.依照測(cè)向機(jī)所使用的測(cè)向天線種類分類有：環(huán)(框)形天線測(cè)向機(jī)、交叉環(huán)(框)形天線測(cè)向機(jī)、間隔雙環(huán)(框)形天線測(cè)向機(jī)、單極子(加載)天線測(cè)向機(jī)、對(duì)稱陣子(垂直、水平)天線測(cè)向機(jī)、對(duì)數(shù)天線測(cè)向機(jī)、行波環(huán)天線測(cè)向機(jī)、磁性天線測(cè)向機(jī)、微波透鏡天線測(cè)向機(jī)等；7.依照測(cè)向機(jī)示向度讀出方式分類有：聽(tīng)覺(jué)測(cè)向機(jī)、視覺(jué)測(cè)向機(jī)、數(shù)字測(cè)向機(jī)；8.依照測(cè)向機(jī)使用接收機(jī)的信道分類有：?jiǎn)巍㈦p信道測(cè)向機(jī)、多信道測(cè)向機(jī)。像上面的分類方法，可能還有一些，這里不再贅述。 測(cè)向原理及測(cè)向體制概述。

在測(cè)向機(jī)家庭中，依據(jù)不同的測(cè)向原理，可以把現(xiàn)有的測(cè)向機(jī)歸納為不同的測(cè)向體制、體系和樣式。以下將分別介紹它們的工作原理和特點(diǎn)。

一、幅度比較式測(cè)向體制

幅度比較式測(cè)向體制的工作原理是：依據(jù)電波在行進(jìn)中，利用測(cè)向天線陣或測(cè)向天線的方向特性，對(duì)不同方向來(lái)波接收信號(hào)幅度的不同，測(cè)定來(lái)波方向。

例如：間隔設(shè)置的四單元U形天線陣、小基礎(chǔ)測(cè)向(阿德考克)機(jī)，如圖(6)所示。其表達(dá)公式如公式(1)所示。Uns=kU13SinθCosεUew=kU24CosθCosεUnsθ=arctg—— (1)Uew

上面的公式中：Uns、Uew分別為北-南、東-西天線感應(yīng)電壓，θ為來(lái)波方位角，ε為來(lái)波仰角，k為相位常數(shù)，2bπk= ———λ其中：b為天線間距，λ為工作波長(zhǎng)。

對(duì)于360度(θ)不同方向的來(lái)波，北-南天線感應(yīng)接收信號(hào)的幅度遵循正弦Sinθ規(guī)律，東西天線感應(yīng)接收信號(hào)的幅度遵循余弦Cosθ規(guī)律，有了兩組信號(hào)幅度，測(cè)向時(shí)設(shè)法對(duì)二者求解或顯示它們的反正切值，即可得到來(lái)波方向。這只是幅度比較式測(cè)向體制中的一個(gè)典型的測(cè)向機(jī)例子。

圖6 四單元阿德考克天線陣

幅度比較式測(cè)向體制的原理應(yīng)用十分廣泛，其測(cè)向機(jī)的方向圖也不盡相同。例如：環(huán)形天線測(cè)向機(jī)、間隔雙環(huán)天線測(cè)向機(jī)、旋轉(zhuǎn)對(duì)數(shù)天線測(cè)向機(jī)等，屬于直接旋轉(zhuǎn)測(cè)向天線和方向圖；交叉環(huán)天線測(cè)向機(jī)、U形天線測(cè)向機(jī)、H型天線測(cè)向機(jī)等，屬于間接旋轉(zhuǎn)測(cè)向天線方向圖。間接旋轉(zhuǎn)測(cè)向天線方向圖，是通過(guò)手動(dòng)或電氣旋轉(zhuǎn)角度計(jì)實(shí)現(xiàn)的。手持或佩帶式測(cè)向機(jī)通常也是屬于幅度比較式測(cè)向體制。這是不再贅述。

幅度比較式測(cè)向體制的特點(diǎn)：測(cè)向原理直觀明了，一般來(lái)說(shuō)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜。小基礎(chǔ)測(cè)向體制(阿德考克)存在間距誤差和極化誤差，抗波前失真的能力受到限制。頻率覆蓋范圍、測(cè)向靈敏度、準(zhǔn)確度、測(cè)向時(shí)效、抗多徑能力和抗干擾能力等重要指標(biāo)，要根據(jù)具體情況做具體分析。

二、沃特森-瓦特測(cè)向體制

沃特森-瓦特測(cè)向體制的工作原理：沃特森-瓦特測(cè)向機(jī)實(shí)際上也是屬于幅度比較式的測(cè)向體制，但是它在測(cè)向時(shí)不是采用直接或間接旋轉(zhuǎn)天線方向圖，而是采用計(jì)算求解或顯示反正切值。鑒于它在測(cè)向機(jī)家族中的特殊地位和目前仍然在廣泛應(yīng)用，所以在此單獨(dú)說(shuō)明?；竟酵?1)。正交的(Sinθ、Cosθ)測(cè)向天線信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)兩部幅度、相位特性相同的接收機(jī)進(jìn)行變頻、放大，最后求解或顯示反正切值，解出或顯示來(lái)波方向。屬于沃特森瓦特測(cè)向機(jī)的有：多信道沃特森-瓦特測(cè)向機(jī)、單信道沃特森-瓦特測(cè)向機(jī)。這里所說(shuō)的多信道，通常是指三信道，另外一個(gè)信道的作用是與全向天線相接，以解決“180度不確定性”和“值班收信”問(wèn)題。多信道沃特森-瓦特測(cè)向原理方框圖如圖(7)所示。

圖7 多信道沃特森-瓦特框圖

單信道沃特森-瓦特測(cè)向機(jī)是將正交的測(cè)向天線信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)低頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，而后通過(guò)單信道接收機(jī)變頻、放大，解調(diào)出方向信息信號(hào)，然后求解或顯示反正切值，給出來(lái)波方向。單信道沃特森-瓦特測(cè)向機(jī)原理方框圖如圖(8)所示。

圖8 單信道沃特森-瓦特框圖

沃特森-瓦特測(cè)向體制的特點(diǎn)：多信道沃特森-瓦特測(cè)向機(jī)測(cè)向時(shí)效高，速度快，在良好場(chǎng)地上測(cè)向準(zhǔn)確，而且CRT顯示方式，還可以分辨同信道干擾。該體制測(cè)向天線屬于小基礎(chǔ)，測(cè)向靈敏度和抗波前失真受到限制。多信道體制系統(tǒng)復(fù)雜；雙信道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)幅度、相位一致，有一定技術(shù)難度；單信道體制同屬于小基礎(chǔ)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，但是測(cè)向速度受到一定限制。

三、干涉儀測(cè)向體制

干涉儀測(cè)向體制的測(cè)向原理是：依據(jù)電波在行進(jìn)中，從不同方向來(lái)的電波到達(dá)測(cè)向天線陣時(shí)，在空間上各測(cè)向天線單元接收的相位不同，因而相互間的相位差也不同，通過(guò)測(cè)定來(lái)波相位和相位差，即可確定來(lái)波方向?；竟饺绻?2)所示Φ13=Φ1-Φ3=k*SinθCosεΦ24=Φ2-Φ4=k*SinθCosεΦ13θ=arctg———— (2)Φ24上式中：Φ13、Φ24分別為北-南、東-西天線之間來(lái)波的相位差，k為相移常數(shù)，θ為欲求來(lái)波方向角。

在干涉儀測(cè)向方式中，是直接測(cè)量測(cè)向天線感應(yīng)電壓的相位，而后求解相位差，由公式(2)可見(jiàn)與幅度比較式測(cè)向的公式十分相似。

為了能夠單值地確定電磁波來(lái)波的方向，干涉儀測(cè)向在工作時(shí)，至少需要在空間架設(shè)三付分立的測(cè)向天線。干涉儀測(cè)向是在±180度范圍內(nèi)單值地測(cè)量相位，當(dāng)天線間距比較小時(shí)，相位差的分辨能力受到限制，天線間距大于0.5個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)引起相位模糊。通常解決上述矛盾的方法是，沿著每個(gè)主基線插入一個(gè)或多個(gè)附加陣元，這些附加陣元提供附加相位測(cè)量數(shù)據(jù)，由這些附加相位數(shù)據(jù)，解決主基線相位測(cè)量中的模糊問(wèn)題。這種變基線的技術(shù)已經(jīng)為當(dāng)代干涉儀測(cè)向機(jī)所廣泛采用。干涉儀測(cè)向機(jī)的測(cè)向原理方框圖如圖(9)所示。

圖(9)干涉儀測(cè)向原理框圖

相關(guān)干涉儀測(cè)向，是干涉儀測(cè)向的一種，它的測(cè)向原理是：在測(cè)向天線陣列工作頻率范圍內(nèi)和360度方向上，各按一定規(guī)律設(shè)點(diǎn)，同時(shí)在頻率間隔和方位間隔上，建立樣本群，在測(cè)向時(shí)，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)與樣本群進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和插值處理，以獲得來(lái)波信號(hào)方向。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自科創(chuàng)儀表局

干涉儀測(cè)向體制的特點(diǎn)：采用變基線技術(shù)，可以使用中、大基礎(chǔ)天線陣，采用多信道接收機(jī)、計(jì)算機(jī)和FFT技術(shù)，使得該體制測(cè)向靈敏度高，測(cè)向準(zhǔn)確度高，測(cè)向速度快，可測(cè)仰角，有一定的抗波前失真能力。該體制極化誤差不敏感。干涉儀測(cè)向是當(dāng)代比較好的測(cè)向體制，由于研制技術(shù)較復(fù)雜、難度較大，因此造價(jià)較高。干涉儀測(cè)向?qū)邮招盘?hào)的幅度不敏感，測(cè)向天線在空間的分布和天線的架設(shè)間距，比幅度比較式測(cè)向靈活，但又必須遵循某種規(guī)則。例如：可以是三角形，也可以是五邊形，還可以是L形等。

四、多普勒測(cè)向體制

多普勒測(cè)向體制的測(cè)向原理：依據(jù)電波在傳播中，遇到與它相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)向天線時(shí)，被接收的電波信號(hào)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，測(cè)定多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，可以確定來(lái)波的方向。

為了得到多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，必須使測(cè)向天線與被測(cè)電波之間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通常是以測(cè)向天線在接收?qǐng)鲋校宰銐蚋叩乃俣冗\(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)測(cè)向天線完全朝著來(lái)波方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒效應(yīng)頻移量(升高)最大。多普勒測(cè)向的基本公式如公式(3)所示。

當(dāng)測(cè)向天線做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使來(lái)波信號(hào)的相位受到正弦調(diào)制。設(shè)：以天線場(chǎng)中心0點(diǎn)為相位參考點(diǎn)，信號(hào)的相位為Φ，天線接收信瞬時(shí)相位為Φ(t)，于是有：Φt=ωt+Φ+kcCos(Ωt-θ)

式中：ω為信號(hào)角頻率，Ω為天線旋轉(zhuǎn)角頻率，θ為來(lái)波方向角度，相位常數(shù)kc=2πr/λ，其中r為天線間距，λ為信號(hào)波長(zhǎng)。

這時(shí)測(cè)向天線所收到信號(hào)Ut的表達(dá)式為：Ut=Acos［ωt+Φ+kcCos(Ωt-θ)］

多普勒效應(yīng)使測(cè)向天線接收到的信號(hào)產(chǎn)生調(diào)相，多普勒相移為ΦD，于是有：ΦD=kcCos(Ωt-θ)

相應(yīng)的多普勒頻移為：f=dΦD/dt=-kcSin(Ωt-θ) (3)

多普勒頻移f，可以從旋轉(zhuǎn)的測(cè)向天線接收到的信號(hào)，經(jīng)過(guò)接收機(jī)變頻、放大、鑒頻以后得到。多普勒頻移f與0點(diǎn)參考頻率相比較，即可得到來(lái)波方向角θ。

多普勒測(cè)向，通常不是直接旋轉(zhuǎn)測(cè)向天線，因?yàn)檫@在工程上難于實(shí)現(xiàn)，它是將多郭天線架設(shè)在同心圓的圓周上，電子開(kāi)關(guān)順序快速接通各個(gè)天線，等效于旋轉(zhuǎn)測(cè)向天線。人們稱這種測(cè)向機(jī)為準(zhǔn)多普勒測(cè)向機(jī)。準(zhǔn)多普勒測(cè)向原理方框圖如圖(10)所示。

圖10 準(zhǔn)多普勒測(cè)向原理框圖

通常人們希望得到大的多普勒頻移，增加天線孔徑和開(kāi)關(guān)速度是基本途徑。多普勒測(cè)向機(jī)的測(cè)向天線孔徑可以使用大、中基礎(chǔ)；開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)頻率數(shù)百赫茲，多普勒頻稱f可以達(dá)到數(shù)百赫茲，但是開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)換頻頻率的升高，會(huì)使產(chǎn)生的邊帶帶寬增加，于是限制了轉(zhuǎn)速。

多普勒測(cè)向體制的特點(diǎn)：可以采用中、大基礎(chǔ)天線陣，測(cè)向靈敏度高，準(zhǔn)確度高，沒(méi)有間距誤差，極化誤差小，可測(cè)仰角，有一定的抗波前失真能力。多普勒測(cè)向體制的缺欠是抗干擾性能較差，如：遇到同信道干擾、調(diào)頻調(diào)制干擾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生測(cè)向誤差。該體制尚在發(fā)展之中，改進(jìn)會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，造價(jià)會(huì)隨之升高。

五、烏蘭韋伯爾測(cè)向體制

烏蘭韋伯爾測(cè)向體制的測(cè)向原理：采用大基礎(chǔ)測(cè)向天線陣，在圓周上架設(shè)多付測(cè)向天線，來(lái)波信號(hào)經(jīng)過(guò)可旋轉(zhuǎn)的角度計(jì)、移相電路、合差電路，形成合差方向圖，而后將信號(hào)饋送給接收機(jī)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)，旋轉(zhuǎn)合差方向圖，測(cè)找來(lái)波方向。

以40付測(cè)向天線陣元為例，角度計(jì)瞬間可與12付天線元耦合，而后分別經(jīng)過(guò)移相補(bǔ)償電路將信號(hào)相位對(duì)齊，形成可旋轉(zhuǎn)的等效直線天線陣，12付天線分成兩組，每組6付，兩組間經(jīng)過(guò)合差電路相加、減，形成合、差方向圖。測(cè)向時(shí)以合、差方向圖測(cè)找來(lái)波方向。在來(lái)波方向上，由于兩組天線均處在來(lái)波的等相位面上，兩組天線信號(hào)大小相等，差方向圖時(shí)，輸出相減為“零”，合方向圖時(shí)，為一組天線信號(hào)輸出的二倍。

由于烏蘭韋伯爾測(cè)向是進(jìn)行相位比較，人們常把它歸類在比相式測(cè)向機(jī)。但是從使用者看，最終使用的是信號(hào)幅度比較，因此說(shuō)它是幅度比較式測(cè)向機(jī)，也有道理。烏蘭韋伯爾測(cè)向原理方框圖如圖(11)所示。

圖11 烏蘭韋伯爾測(cè)向原理框圖

短波烏蘭韋伯爾測(cè)向體制，是典型的大基礎(chǔ)，測(cè)向天線陣直徑是最低工作波長(zhǎng)的1～5倍。天線陣直徑尺寸，根據(jù)低端工作頻率的不同，達(dá)到數(shù)百甚至上千米。測(cè)向天線單元，可以是寬頻帶直立天線，也可以是對(duì)數(shù)周期天線。為了提高天線接收效能，通常在天線陣內(nèi)側(cè)使用反射網(wǎng)。一付天線陣難于覆蓋全部短波頻段時(shí)，一般是采用內(nèi)高頻，外低頻的雙層陣。

烏蘭韋伯爾測(cè)向體制的特點(diǎn)：由于采用大基礎(chǔ)天線陣，測(cè)向靈敏度高，測(cè)向準(zhǔn)確度高，測(cè)向分辨率高，抗波前失真、抗干擾性能好，可以提供監(jiān)測(cè)綜合利用。由于烏蘭韋伯爾測(cè)向機(jī)要求數(shù)十根天線、饋線電特性完全一致，加之角度計(jì)設(shè)計(jì)、工藝要求高，以及需要大面積平坦開(kāi)闊的天線架設(shè)場(chǎng)地，這無(wú)疑增加了造價(jià)和工程建設(shè)的難度。帶來(lái)的問(wèn)題是造價(jià)高，測(cè)向場(chǎng)地要求高。

六、到達(dá)時(shí)間差測(cè)向體制

到達(dá)時(shí)間差測(cè)向體制的測(cè)向原理：依據(jù)電波在行進(jìn)中，通過(guò)測(cè)量電波到達(dá)測(cè)向天線陣各個(gè)測(cè)向天線單元時(shí)間上的差別，確定電波到來(lái)的方向。它類似于比相式測(cè)向，但是這里測(cè)量的參數(shù)是時(shí)間差，而不是相位差。該測(cè)向體制要求被測(cè)信號(hào)具有確定的調(diào)制方式。

到達(dá)時(shí)間差測(cè)向原理基本公式如公式(4)所示。設(shè)：垂直架設(shè)的測(cè)向天線單元A、B間距為2b，來(lái)波方向與AB連線的垂線的夾角為θ，來(lái)波仰角為β，電波傳播速度為v，則天線B較天線A感應(yīng)信號(hào)延遲時(shí)間為τ，2b于是有：τ=(——)SinθCosβv則來(lái)波方向θ可求，為：vτθ=arcSin［(———)Cosβ］(4)2b在上式中，τ為實(shí)際測(cè)量時(shí)間差。短波的來(lái)波仰角β需要估計(jì)，而超短波來(lái)波仰角β為“零”，即Cosβ=1。

測(cè)向原理方框圖如圖(12)所示。

實(shí)際使用中，為了覆蓋360度方向，至少需要架設(shè)三付分立的測(cè)向天線。測(cè)向天線的間距有長(zhǎng)、短基線之分，長(zhǎng)基線的測(cè)向精度明顯好于短基線。到達(dá)時(shí)間差測(cè)向體制基于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量，以現(xiàn)在的技術(shù)水平而言，時(shí)間間隔的測(cè)量可達(dá)到1ns的精確度，當(dāng)間距為10米時(shí)，測(cè)向的準(zhǔn)確度可以達(dá)到1度。

圖12到達(dá)時(shí)間差測(cè)向 原理框圖

到達(dá)時(shí)間差測(cè)向體制的特點(diǎn)：測(cè)向準(zhǔn)確度高，靈敏度高，測(cè)向速度快，極化誤差不敏感，沒(méi)有間距誤差，測(cè)向場(chǎng)地環(huán)境要求低。但是抗干擾性能不好，載波必須有確定的調(diào)制，目前應(yīng)用尚不普及。

七、空間譜估計(jì)測(cè)向體制

空間譜估計(jì)測(cè)向體制的測(cè)向原理：在已知座標(biāo)的多元天線陣中，測(cè)量單元或多元電波場(chǎng)的來(lái)波參數(shù)，經(jīng)過(guò)多信道接收機(jī)變頻、放大，得到矢量信號(hào)，將其采樣量化為數(shù)字信號(hào)陣列，送給空間譜估計(jì)器，運(yùn)用確定的算法求出各個(gè)電波的來(lái)波方向、仰角、極化等參數(shù)。

空間譜估計(jì)測(cè)向原理方框圖見(jiàn)圖(13)。

以四元天線陣為例，空間譜估計(jì)測(cè)向的基本公式，如公式(5)所示?？臻g譜估計(jì)測(cè)向是把每個(gè)天線的接收信號(hào)，與其他各個(gè)天線的信號(hào)都進(jìn)行比較，這就是相關(guān)矩陣法，即協(xié)方差矩陣法，它完整地反映了空間電磁場(chǎng)的實(shí)際情況。具體地說(shuō)就是構(gòu)成如下的協(xié)方差矩陣：

圖13空間譜估計(jì)測(cè)向原理框圖

在上式中：Xn為n號(hào)天線的輸出，H為共軛轉(zhuǎn)置符號(hào)。空間譜估計(jì)四元天線陣的示意圖如圖(14)所示。

圖14 空間譜估計(jì) 四元陣示意圖

由公式(5)可見(jiàn)，四元陣的協(xié)方差矩陣有16個(gè)元素，空間譜估計(jì)測(cè)向，充分利用了測(cè)向天線陣各個(gè)陣元從空間電磁場(chǎng)接收到的全部信息，而傳統(tǒng)的測(cè)向方式僅僅利用了其中的一少部分信息(相位或者幅度)，因此傳統(tǒng)的測(cè)向方式不能在多波環(huán)境下發(fā)揮作用。空間譜估計(jì)測(cè)向，基于最新的陣列處理理論、算法與技術(shù)，具有超分辨測(cè)向能力。所謂超分辨測(cè)向，是指對(duì)同信道中，同時(shí)到達(dá)的、處于天線陣固有波束寬度以內(nèi)的、兩個(gè)以上的電波，能夠同時(shí)測(cè)向。這在傳統(tǒng)的測(cè)向方法中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)成協(xié)方差矩陣是空間譜估計(jì)測(cè)向的基本出發(fā)點(diǎn)，但是對(duì)協(xié)方差矩陣的處理，在不同的算法中是不相同的，其中典型的是多信號(hào)分類算法(MUSIC)。

空間譜估計(jì)測(cè)向體制的特點(diǎn)：空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾個(gè)相干波同時(shí)測(cè)向；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同信道中、同時(shí)存在的多個(gè)信號(hào)，同時(shí)測(cè)向；可以實(shí)現(xiàn)超分辨測(cè)向；空間譜估計(jì)測(cè)向，僅需要很少的信號(hào)采樣，就能精確測(cè)向，因而適用于對(duì)跳頻信號(hào)測(cè)向；空間譜估計(jì)測(cè)向，可以實(shí)現(xiàn)高測(cè)向靈敏度和高測(cè)向準(zhǔn)確度，其測(cè)向準(zhǔn)確度要比傳統(tǒng)測(cè)向體制高得多，即使信噪比下降至0db，仍然能夠滿意地工作(而傳統(tǒng)測(cè)向體制，信噪比通常需要20db)；測(cè)向場(chǎng)地環(huán)境要求不高，可以實(shí)現(xiàn)天線陣元方向特性選擇及陣元位置選擇的靈活性。以上空間譜估計(jì)測(cè)向的優(yōu)點(diǎn)，正是傳統(tǒng)測(cè)向方法長(zhǎng)期以來(lái)存在的疑難問(wèn)題。

空間譜估計(jì)同，尚在研究試驗(yàn)階段。在這個(gè)系統(tǒng)中，要求具備寬帶測(cè)向天線，要求各個(gè)天線陣元之間和多信道接收機(jī)之間，電性能具有一致性。此外還需要簡(jiǎn)捷高精度的計(jì)算方法和高性能的運(yùn)算處理器，以便解決實(shí)用化問(wèn)題。

測(cè)向體制的比較

測(cè)向體制的優(yōu)劣通常是人們所共同關(guān)心的問(wèn)題，但是無(wú)線電測(cè)向體制也象所有的事物一樣，各自具有兩重性。就使用者來(lái)說(shuō)，每個(gè)用戶的工作環(huán)境、工作方式、工作要求、工作對(duì)象等條件不盡相同，因此籠統(tǒng)地說(shuō)優(yōu)劣，有可能脫離實(shí)際。使用者在測(cè)向體制和測(cè)向體設(shè)備選用時(shí)，重要的是要透徹了解并仔細(xì)分析自身工作需求。測(cè)向體制與設(shè)備的優(yōu)劣好壞，應(yīng)當(dāng)在滿足工作需求的前提下，由使用者自已作出選擇。應(yīng)該說(shuō)每一種測(cè)向體制都各具特點(diǎn)，站在用戶的角度看，能夠滿足工作需求，價(jià)格又合適，就是好體制。在這里，我們著重講討論從哪些方面評(píng)價(jià)測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備，提出如下的技術(shù)指標(biāo)，供讀者參考

一、頻率覆蓋范圍。這一項(xiàng)指標(biāo)規(guī)范了測(cè)向機(jī)規(guī)定的性能指標(biāo)和正常工作的頻率范圍，它是選擇測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備時(shí)的基本要求。

二、測(cè)向靈敏度。它表征了測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備對(duì)小(弱)信號(hào)的測(cè)向能力。測(cè)向靈敏度主要依賴于測(cè)向天線元形式、天線陣的孔徑(基礎(chǔ))和工作方式。它以電場(chǎng)強(qiáng)度度量，單位是微伏/米(μv/m)。

三、測(cè)向準(zhǔn)確度。它表征了測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備在測(cè)向時(shí)的精確度，也就是測(cè)向時(shí)誤差的大小。測(cè)向準(zhǔn)確通常有儀器設(shè)備測(cè)向精度、標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地測(cè)向精度和實(shí)用測(cè)向精度之分，三者的物理意義和測(cè)試條件有著根本的區(qū)別，使用者需要特別注意，不可混肴。

四、抗干擾能力。它表征了測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備遇到干擾信號(hào)時(shí)的測(cè)向能力和測(cè)向準(zhǔn)確度，其中包括了對(duì)同信道干擾、臨道干擾、帶外干擾、多波干(波前失真)等干擾存在時(shí)的測(cè)向能力。

五、測(cè)向時(shí)效。它表征了測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備在測(cè)向時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷，以及對(duì)空中持續(xù)短信號(hào)的測(cè)向能力。這其中包括了：測(cè)向系統(tǒng)的信道建立、方向信息的采樣、數(shù)據(jù)運(yùn)算處理(含積分)、示向度顯示等環(huán)節(jié)所需要的時(shí)間，各時(shí)間段可以分別表示。但是一般在評(píng)價(jià)時(shí)，往往只看綜合時(shí)效。

六、極化誤差。極化誤差是測(cè)向誤差的一種，它表征了測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備，工作在非正常極化波條件下的測(cè)向能力。有時(shí)也稱為極化敏感性，不敏感好。在短波頻段，用標(biāo)準(zhǔn)斜極化波測(cè)試極化誤差。

七、仰角測(cè)定。表明測(cè)向體制和設(shè)備可否測(cè)定來(lái)波仰角。短波測(cè)向，有的測(cè)向體制可以測(cè)量來(lái)波仰角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單站定位。

八、測(cè)向距離。在短波測(cè)向時(shí)，通常有遠(yuǎn)程測(cè)向、中距離測(cè)向和近距離測(cè)向之分，不同的測(cè)向距離對(duì)設(shè)備的要求也不相同。

九、測(cè)向天線基礎(chǔ)(孔徑)。表明測(cè)向天線陣尺寸相對(duì)工作波長(zhǎng)的大小。測(cè)向天線基礎(chǔ)(孔徑)有大、中、小基礎(chǔ)之分。測(cè)向天線基礎(chǔ)(孔徑)直接影響測(cè)向性能。

十、測(cè)向體制與測(cè)量參數(shù)。表明測(cè)向時(shí)所依據(jù)的測(cè)向原理以及所測(cè)定電波的參數(shù)。例如：測(cè)向時(shí)測(cè)定幅度、相位、時(shí)間差等參數(shù)，也可能是它們的組合，這與測(cè)向體制有關(guān)。

十一、系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性。表明系統(tǒng)的可移動(dòng)性。通常有固定、移動(dòng)、便攜之分。移動(dòng)又依載體分為車、船、機(jī)載。

十二、系統(tǒng)復(fù)雜程度與造價(jià)。表明測(cè)向體制和測(cè)向設(shè)備系統(tǒng)組成的復(fù)雜程度和研制時(shí)的技術(shù)難度，它與造價(jià)的高低是一致的。

結(jié)束語(yǔ)：

科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，無(wú)線電監(jiān)測(cè)和無(wú)線電測(cè)向技術(shù)也在不斷進(jìn)步，特別是近年來(lái)，隨著無(wú)線電通信、網(wǎng)絡(luò)通信的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)日新月異的變化，必將帶動(dòng)無(wú)線電監(jiān)測(cè)技術(shù)和測(cè)向技術(shù)的高速發(fā)展，使之向著自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和小型化方向前進(jìn)；以前只是理論性的東西，正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；高度數(shù)字化、集成化和數(shù)字處理技術(shù)應(yīng)用，正在提高無(wú)線電監(jiān)測(cè)和無(wú)線電測(cè)向設(shè)備的性能；新技術(shù)、新器件、新工藝的開(kāi)發(fā)和使用，正在改變著傳統(tǒng)設(shè)備的面貌；同時(shí)新理論也會(huì)不斷出現(xiàn)，無(wú)線電測(cè)向體制也會(huì)不斷推陳出新。這一切變化永無(wú)止境。

附：各種測(cè)向方法性能的比較表