常見無線電測向體制概述

摘要：本文首先介紹了的一般知識，說明了無線電測向機(jī)的分類方法和應(yīng)用;著重從測向原理的角度說明了不同測向體制的特點(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。

無線電測向的一般知識

隨著無線電頻譜資源的廣泛應(yīng)用和無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，以及確保無線電通信的暢通，無線電監(jiān)測和無線電測向已經(jīng)必不可少，其地位和作用還會與時俱進(jìn)。

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

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

圖1、比幅式環(huán)形測向

矢量測向系統(tǒng)，具有從來波信號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和來波方向。矢量測向系統(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。

在上述的說明中，我們使用的是測定“來波方向”，而沒有使用測定“輻射源方向”，這兩者之間是有區(qū)別的。我們在這里側(cè)重的是：測向機(jī)所在地實(shí)在的電磁環(huán)境，但是，無線電測向，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”。

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

無線電測向系統(tǒng)的組成，如圖(2)所示。通常包括測向天線、輸入匹配單元、接收機(jī)和方位信息處理顯示四個部分。測向天線是電磁場能量的探測器、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，連同幅度、相位、到達(dá)時間等信息轉(zhuǎn)換為交流電信號，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、無失真放大和信號解調(diào);檢測、比較、計(jì)算、處理、顯示(指示)方位信息，是第四部分的任務(wù)。

圖2、無線電測向系統(tǒng)的組成

無線電測向以測向機(jī)所在地，以及過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)相對于A點(diǎn)的方位角，是從過A點(diǎn)的子午線(零度)順時針旋轉(zhuǎn)到A至B的大圓路連線的度數(shù)。B點(diǎn)相對于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

測向機(jī)在測向過程中顯示(指示)的測向讀數(shù)稱為示向度。由于電波傳播以及測向儀器的誤差等原因，測向時，示向度通常不是一個十分精確的單值。示向度與方位角之差，稱為測向誤差。如果在測向中，示向度與方位角重合，則測向誤差為零。實(shí)際上，在測向過程中導(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。

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

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

無線電測向測定電波來波方向，通常是為了確定輻射源的位置，這時往往需要以幾個位置不同的測向站(臺)組網(wǎng)測向，用各測向站的示向度(線)進(jìn)行交匯。如圖(4)所示。條件允許時，也可以用移動測向站，在不同位置依次分時交測。

圖4、各測向站的示向交匯

短波的單臺定位，是在測向的同時測定來波的仰角，以仰角、電離層高度計(jì)算距離，用示向度和距離粗判臺位。單臺定位如圖(5)所示。

圖5、短波單臺(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，以逐步實(shí)現(xiàn)接近和確定輻射源的具體位置。

無線電測向的應(yīng)用

無線電測向系統(tǒng)的應(yīng)用在三個方面：一、測定未知輻射源方向和位置的測向系統(tǒng)。測向站(臺)可以是固定的，也可能是移動的。例如：在無線電頻譜管理中，對未知干擾源的測向與定位。二、測定已知輻射源方向，用以確定自身位置的測向系統(tǒng)。這時測向機(jī)通常安裝在運(yùn)動載體上。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)動載體到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的測向系統(tǒng)。測向站(臺)可以是固定的，也可以是移動的。

無線電測向的應(yīng)用領(lǐng)域包括民用和軍用兩大方面。無線電頻譜管理、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)動等，屬于前者;通信與非通信信號偵察、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)電子對抗與反對抗等，在電子戰(zhàn)中的應(yīng)用，屬于后者。

無線電測向機(jī)的分類方法

經(jīng)過了近百年的研究、實(shí)踐與發(fā)展，無線電測向機(jī)已經(jīng)擁有了一個龐大的家族?；谥埸c(diǎn)的不同，測向機(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：超長波、長波、中波、短波、超短波和微波測向機(jī);2.依照工作方式分類有：固定測向機(jī)、移動測向機(jī)。移動測向機(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))測向機(jī)以及手持和佩帶式測向機(jī);3.依照測向機(jī)的作用距離分類(主要指短波)有：近距離測向機(jī)、中距離測向機(jī)、遠(yuǎn)(程)距離測向機(jī);4.依照測向天線間隔(基礎(chǔ)、孔徑)尺寸的大小分類有：大基礎(chǔ)測向機(jī)、中基礎(chǔ)測向機(jī)、小基礎(chǔ)測向機(jī);5.依照測向天線是否具有放大器分類有：有源天線測向機(jī)、無源天線測向機(jī);6.依照測向機(jī)所使用的測向天線種類分類有：環(huán)(框)形天線測向機(jī)、交叉環(huán)(框)形天線測向機(jī)、間隔雙環(huán)(框)形天線測向機(jī)、單極子(加載)天線測向機(jī)、對稱陣子(垂直、水平)天線測向機(jī)、對數(shù)天線測向機(jī)、行波環(huán)天線測向機(jī)、磁性天線測向機(jī)、微波透鏡天線測向機(jī)等;7.依照測向機(jī)示向度讀出方式分類有：聽覺測向機(jī)、視覺測向機(jī)、數(shù)字測向機(jī);8.依照測向機(jī)使用接收機(jī)的信道分類有：單、雙信道測向機(jī)、多信道測向機(jī)。像上面的分類方法，可能還有一些，這里不再贅述。 測向原理及測向。

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

一、幅度比較式測向體制

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

例如：間隔設(shè)置的四單元U形天線陣、小基礎(chǔ)測向(阿德考克)機(jī)，如圖(6)所示。

圖6、四單元阿德考克天線陣

其表達(dá)公式如公式(1)所示。

Uns=kU13sinθcosε

Uew=kU24cosθcosε

(1)

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

對于360度(θ)不同方向的來波，北-南天

線感應(yīng)接收信號的幅度遵循正弦sinθ規(guī)律，東西天線感應(yīng)接收信號的幅度遵循余弦cosθ規(guī)律，有了兩組信號幅度，測向時設(shè)法對二者求解或顯示它們的反正切值，即可得到來波方向。這只是幅度比較式測向體制中的一個典型的測向機(jī)例子。

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

幅度比較式測向體制的特點(diǎn)：測向原理直觀明了，一般來說系統(tǒng)相對簡單，體積小，重量輕，價格便宜。小基礎(chǔ)測向體制(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、測向靈敏度、準(zhǔn)確度、測向時效、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-瓦特測向體制

沃特森-瓦特測向體制的工作原理：沃特森-瓦特測向機(jī)實(shí)際上也是屬于幅度比較式的測向體制，但是它在測向時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)說明?；竟酵?1)。正交的(Sinθ、Cosθ)測向天線信號，分別經(jīng)過兩部幅度、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，解出或顯示來波方向。屬于沃特森瓦特測向機(jī)的有：多信道沃特森-瓦特測向機(jī)、單信道沃特森-瓦特測向機(jī)。這里所說的多信道，通常是指三信道，另外一個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”問題。多信道沃特森-瓦特測向原理方框圖如圖(7)所示。

圖7、多信道沃特森-瓦特框圖

單信道沃特森-瓦特測向機(jī)是將正交的測向天線信號，分別經(jīng)過兩個低頻信號進(jìn)行調(diào)制，而后通過單信道接收機(jī)變頻、放大，解調(diào)出方向信息信號，然后求解或顯示反正切值，給出來波方向。單信道沃特森-瓦特測向機(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-瓦特測向體制的特點(diǎn)：多信道沃特森-瓦特測向機(jī)測向時效高，速度快，在良好場地上測向準(zhǔn)確，而且CRT顯示方式，還可以分辨同信道干擾。該體制測向天線屬于小基礎(chǔ)，測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)簡單，體積小，重量輕，但是測向速度受到一定限制。

三、干涉儀測向體制

干涉儀測向體制的測向原理是：依據(jù)電波在行進(jìn)中，從不同方向來的電波到達(dá)測向天線陣時，在空間上各測向天線單元接收的相位不同，因而相互間的相位差也不同，通過測定來波相位和相位差，即可確定來波方向?；竟饺绻?2)所示，設(shè)Φ1，Φ3，Φ2，Φ4分別為北、南、東、西天線感應(yīng)信號瞬時相位，于是有：

Φ13=Φ1-Φ3=k*sinθcosε

Φ24=Φ2-Φ4=k*sinθcosε

(2)

上式中：Φ13、Φ24分別為北-南、東-西天線之間來波的相位差，k為相移常數(shù)，θ為欲求來波方向角。

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

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

圖9、干涉儀測向原理框圖

相關(guān)干涉儀測向，是干涉儀測向的一種，它的測向原理是：在測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)，同時在頻率間隔和方位間隔上，建立樣本群，在測向時，將所測得的數(shù)據(jù)與樣本群進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和插值處理，以獲得來波信號方向。

干涉儀測向體制的特點(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)，使得該體制測向靈敏度高，測向準(zhǔn)確度高，測向速度快，可測仰角，有一定的抗波前失真能力。該體制極化誤差不敏感。干涉儀測向是當(dāng)代比較好的測向體制，由于研制技術(shù)較復(fù)雜、難度較大，因此造價較高。干涉儀測向?qū)邮招盘柕姆炔幻舾?，測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、多普勒測向體制

多普勒測向體制的測向原理：依據(jù)電波在傳播中，遇到與它相對運(yùn)動的測向天線時，被接收的電波信號產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，測定多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，可以確定來波的方向。

為了得到多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，必須使測向天線與被測電波之間做相對運(yùn)動，通常是以測向天線在接收場中，以足夠高的速度運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)測向天線完全朝著來波方向運(yùn)動時，多普勒效應(yīng)頻移量(升高)最大。多普勒測向的基本公式如公式(3)所示。

當(dāng)測向天線做圓周運(yùn)動時，會使來波信號的相位受到正弦調(diào)制。設(shè)：以天線場中心0點(diǎn)為相位參考點(diǎn)，信號的相位為Φ，天線接收信瞬時相位為Φ(t)，于是有：

Φ(t)=ωt+Φ+kccos(Ωt-θ)

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

設(shè)Am為被接收信號的振幅值，這時測向天線所收到信號的瞬時值U(t)的表達(dá)式為：

U(t)=Amcos[ωt+Φ+kccos(Ωt-θ)]

多普勒效應(yīng)使測向天線接收到的信號產(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f為：

f=dΦD/dt=-kcsin(Ωt-θ) (3)

多普勒頻移f，可以從旋轉(zhuǎn)的測向天線接收到的信號，經(jīng)過接收機(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，即可得到來波方向角θ。

多普勒測向，通常不是直接旋轉(zhuǎn)測向天線，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，電子開關(guān)順序快速接通各個天線，等效于旋轉(zhuǎn)測向天線。人們稱這種測向機(jī)為準(zhǔn)多普勒測向機(jī)。準(zhǔn)多普勒測向原理方框圖如圖(10)所示。

圖10、準(zhǔn)多普勒測向原理框圖

通常人們希望得到大的多普勒頻移，增加天線孔徑和開關(guān)速度是基本途徑。多普勒測向機(jī)的測向天線孔徑可以使用大、中基礎(chǔ);開關(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，但是開關(guān)旋轉(zhuǎn)換頻頻率的升高，會使產(chǎn)生的邊帶帶寬增加，于是限制了轉(zhuǎn)速。

多普勒測向體制的特點(diǎn)：可以采用中、大基礎(chǔ)天線陣，測向靈敏度高，準(zhǔn)確度高，沒有間距誤差，極化誤差小，可測仰角，有一定的抗波前失真能力。多普勒測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，會產(chǎn)生測向誤差。該體制尚在發(fā)展之中，改進(jìn)會使系統(tǒng)變得復(fù)雜，造價會隨之升高。

五、烏蘭韋伯爾測向體制

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

以40付測向天線陣元為例，角度計(jì)瞬間可與12付天線元耦合，而后分別經(jīng)過移相補(bǔ)償電路將信號相位對齊，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)過合差電路相加、減，形成合、差方向圖。測向時以合、差方向圖測找來波方向。在來波方向上，由于兩組天線均處在來波的等相位面上，兩組天線信號大小相等，差方向圖時，輸出相減為“零”，合方向圖時，為一組天線信號輸出的二倍。

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

圖11、烏蘭韋伯爾測向原理框圖

短波烏蘭韋伯爾測向體制，是典型的大基礎(chǔ)，測向天線陣直徑是最低工作波長的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。測向天線單元，可以是寬頻帶直立天線，也可以是對數(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，一般是采用內(nèi)高頻，外低頻的雙層陣。

烏蘭韋伯爾測向體制的特點(diǎn)：由

于采用大基礎(chǔ)天線陣，測向靈敏度高，測向準(zhǔn)確度高，測向分辨率高，抗波前失真、抗干擾性能好，可以提供監(jiān)測綜合利用。由于烏蘭韋伯爾測向機(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闊的天線架設(shè)場地，這無疑增加了造價和工程建設(shè)的難度。帶來的問題是造價高，測向場地要求高。

六、到達(dá)時間差測向體制

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

到達(dá)時間差測向原理基本公式如公式(4)所示。設(shè)：垂直架設(shè)的測向天線單元A、B間距為2b，來波方向與AB連線的垂線的夾角為θ，來波仰角為β，電波傳播速度為v，則天線B較天線A感應(yīng)信號延遲時間為τ，

于是有：

則來波方向θ可求，為：

(4)

在上式中，τ為實(shí)際測量時間差。短波的來波仰角β需要估計(jì)，而超短波來波仰角β為“零”，即Cosβ=1。

測向原理方框圖如圖(12)所示。

圖12、到達(dá)時間差測向原理框圖

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

到達(dá)時間差測向體制的特點(diǎn)：測向準(zhǔn)確度高，靈敏度高，測向速度快，極化誤差不敏感，沒有間距誤差，測向場地環(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)測向體制

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

空間譜估計(jì)測向原理方框圖見圖(13)。

圖13、空間譜估計(jì)測向原理框圖

以四元天線陣為例，空間譜估計(jì)測向的基本公式，如公式(5)所示，是一個協(xié)方差矩陣?？臻g譜估計(jì)測向是把每個天線的接收信號，與其他各個天線的信號都進(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的實(shí)際情況。具體地說就是構(gòu)成如下的協(xié)方差矩陣：

在上式中：Xn為n號天線的輸出，H為共軛轉(zhuǎn)置符號。

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，四元陣的協(xié)方差矩陣有16個元素，空間譜估計(jì)測向，充分利用了測向天線陣各個陣元從空間電磁場接收到的全部信息，而傳統(tǒng)的測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)的測向方式不能在多波環(huán)境下發(fā)揮作用?？臻g譜估計(jì)測向，基于最新的陣列處理理論、算法與技術(shù)，具有超分辨測向能力。所謂超分辨測向，是指對同信道中，同時到達(dá)的、處于天線陣固有波束寬度以內(nèi)的、兩個以上的電波，能夠同時測向。這在傳統(tǒng)的測向方法中是無法實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)成協(xié)方差矩陣是空間譜估計(jì)測向的基本出發(fā)點(diǎn)，但是對協(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分類算法(MUSIC)。

空間譜估計(jì)測向體制的特點(diǎn)：空間譜估計(jì)測向技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對幾個相干波同時測向;可以實(shí)現(xiàn)對同信道中、同時存在的多個信號，同時測向;可以實(shí)現(xiàn)超分辨測向;空間譜估計(jì)測向，僅需要很少的信號采樣，就能精確測向，因而適用于對跳頻信號測向;空間譜估計(jì)測向，可以實(shí)現(xiàn)高測向靈敏度和高測向準(zhǔn)確度，其測向準(zhǔn)確度要比傳統(tǒng)測向體制高得多，即使信噪比下降至0db，仍然能夠滿意地工作(而傳統(tǒng)測向體制，信噪比通常需要20db);測向場地環(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)測向的優(yōu)點(diǎn)，正是傳統(tǒng)測向方法長期以來存在的疑難問題。

空間譜估計(jì)同，尚在研究試驗(yàn)階段。在這個系統(tǒng)中，要求具備寬帶測向天線，要求各個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)用化問題。

測向體制的比較

測向體制的優(yōu)劣通常是人們所共同關(guān)心的問題，但是無線電測向體制也象所有的事物一樣，各自具有兩重性。就使用者來說，每個用戶的工作環(huán)境、工作方式、工作要求、工作對象等條件不盡相同，因此籠統(tǒng)地說優(yōu)劣，有可能脫離實(shí)際。使用者在測向體制和測向體設(shè)備選用時，重要的是要透徹了解并仔細(xì)分析自身工作需求。測向體制與設(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)該說每一種測向體制都各具特點(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價測向體制和測向設(shè)備，提出如下的技術(shù)指標(biāo)，供讀者參考：

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

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

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

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

5、測向時效。它表征了測向體制和測向設(shè)備在測向時的時間開銷，以及對空中持續(xù)短信號的測向能力。這其中包括了：測向系統(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)所需要的時間，各時間段可以分別表示。但是一般在評價時，往往只看綜合時效。

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

7、仰角測定。表明測向體制和設(shè)備可否測定來波仰角。短波測向，有的測向體制可以測量來波仰角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單站定位。

8、測向距離。在短波測向時，通常有遠(yuǎn)程測向、中距離測向和近距離測向之分，不同的測向距離對設(shè)備的要求也不相同。

9、測向天線基礎(chǔ)(孔徑)。表明測向天線陣尺寸相對工作波長的大小。測向天線基礎(chǔ)(孔徑)有大、中、小基礎(chǔ)之分。測向天線基礎(chǔ)(孔徑)直接影響測向性能。

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

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

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

結(jié)束語：

科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，無線電監(jiān)測和無線電測向技術(shù)也在不斷進(jìn)步，特別是近年來，隨著無線電通信、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，必將帶動無線電監(jiān)測技術(shù)和測向技術(shù)的高速發(fā)展，使之向著自動化、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，正在提高無線電監(jiān)測和無線電測向設(shè)備的性能;新技術(shù)、新器件、新工藝的開發(fā)和使用，正在改變著傳統(tǒng)設(shè)備的面貌;同時新理論也會不斷出現(xiàn)，無線電測向體制也會不斷推陳出新。這一切變化永無止境。

附：各種測向方法性能的比較表