无线电测向体制概述

1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。2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。3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4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。5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6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