常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)電測向體制概述

摘要：本文首先介紹了的一般知識，說(shuō)明了無(wú)線(xiàn)電測向機的分類(lèi)方法和應用;著(zhù)重從測向原理的角度說(shuō)明了不同測向體制的特點(diǎn)和主要技術(shù)指標;最后從實(shí)際出發(fā)，提出選用建議。供讀者參考。

無(wú)線(xiàn)電測向的一般知識

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電頻譜資源的廣泛應用和無(wú)線(xiàn)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(xiàn)電通信的暢通，無(wú)線(xiàn)電監測和無(wú)線(xiàn)電測向已經(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(xiàn)電測向呢?無(wú)線(xiàn)電測向是依據電磁波傳播特性，使用儀器設備測定無(wú)線(xiàn)電波來(lái)波方向的過(guò)程。測定無(wú)線(xiàn)電來(lái)波方向的專(zhuān)用儀器設備，稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)電測向機。在測定過(guò)程中，根據天線(xiàn)系統從到達來(lái)波信號中獲得信息以及對信息處理的方法，可以將測向系統分為兩大類(lèi)：標量測向系統和矢量測向系統。標量測向系統僅能獲得和使用到達來(lái)波信號有關(guān)的標量信息數據;矢量測向系統可以獲得和使用到達來(lái)波信號的矢量信息數據。標量測向系統僅能單獨獲得和使用電磁波的幅度或者相位信息，而矢量測向系統可以同時(shí)獲得和使用電磁波的幅度和相位信息。

標量測向系統歷史悠久，應用最為廣泛。最簡(jiǎn)單的幅度比較式標量測向系統，是如圖(1)所示的旋轉環(huán)型測向機，該系統對垂直極化波的方向圖成8字形。大多數幅度比較式的標量測向系統，其測向天線(xiàn)和方向圖，都是采用了某種對稱(chēng)的形式，例如：阿德考克(Adcock)測向機和沃特森-瓦特(Watson-Watt)測向機，以及各種使用旋轉角度計的圓形天線(xiàn)陣測向機;屬于相位比較的標量測向系統，有如：干涉儀(Inteferometry)測向機和多普勒(Dopple)測向機等。在短波標量測向系統可以設計成只測量方位角，也可設計成測量方位角，同時(shí)測量來(lái)波的仰角。

圖1、比幅式環(huán)形測向

矢量測向系統，具有從來(lái)波信號中獲得和使用矢量信息數據的能力。例如：空間譜估計測向機。矢量系統的數據采集，前端需要使用多端口天線(xiàn)陣列和至少同時(shí)利用兩部以上幅度、相位相同的接收機，后端根據相應的數學(xué)模型和算法，由計算機進(jìn)行解算。矢量系統依據天線(xiàn)單元和接收機數量以及后續的處理能力，可以分辨兩元以至多元波場(chǎng)和來(lái)波方向。矢量測向系統的提出還是近十幾年的事，它的實(shí)現有賴(lài)于數字技術(shù)、微電子技術(shù)和數字處理技術(shù)的進(jìn)步。目前尚未普及。

在上述的說(shuō)明中，我們使用的是測定“來(lái)波方向”，而沒(méi)有使用測定“輻射源方向”，這兩者之間是有區別的。我們在這里側重的是：測向機所在地實(shí)在的電磁環(huán)境，但是，無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電測向從上個(gè)世紀初誕生至今，已經(jīng)形成了系統的理論，這就是無(wú)線(xiàn)電測向學(xué)。無(wú)線(xiàn)電測向學(xué)，是研究電磁波特性及傳播規律、無(wú)線(xiàn)電測向原理及實(shí)現方法、測向誤差規律及減小和克服誤差的方法?？傊?，無(wú)線(xiàn)電測向學(xué)，是研究無(wú)線(xiàn)電測向理論、技術(shù)與應用的科學(xué)。無(wú)線(xiàn)電測向學(xué)是與無(wú)線(xiàn)電工程學(xué)、無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)、地球物理學(xué)、無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)、計算機技術(shù)、數字技術(shù)緊密相關(guān)的一門(mén)科學(xué)。

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

圖2、無(wú)線(xiàn)電測向系統的組成

無(wú)線(xiàn)電測向以測向機所在地，以及過(guò)地理北極的子午線(xiàn)為參考零度方向。兩點(diǎn)之間方位度數按下述方法確定：假設地球表面A、B兩點(diǎn)，A點(diǎn)為測向機所在地，基準方向與方位角如圖(3)所示。量判B點(diǎn)相對于A(yíng)點(diǎn)的方位角，是從過(guò)A點(diǎn)的子午線(xiàn)(零度)順時(shí)針旋轉到A至B的大圓路連線(xiàn)的度數。B點(diǎn)相對于A(yíng)點(diǎn)的方位角度數具有唯一性

圖3、基準方向與方位角

測向機在測向過(guò)程中顯示(指示)的測向讀數稱(chēng)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(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(chēng)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(guò)程中導致產(chǎn)生誤差的原因是多方面的，但是基本上可以歸納為主觀(guān)誤差和客觀(guān)誤差兩大方面。影響和產(chǎn)生客觀(guān)誤差的因素很多，以后我們還將另文專(zhuān)述。

在測向中，為了獲得比較準確的示向度，通常有四個(gè)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、經(jīng)驗豐富的操作人員。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(mǎn)足使用中的不同要求;精良的測向機是設備基礎;在測向的過(guò)程中，常常需要處理預想不到的情況，人的知識經(jīng)驗十分寶貴，經(jīng)驗豐富的操作人員，有著(zhù)非常重要的作用。這是四個(gè)必須同時(shí)具備的條件。

測向設備、通信系統和附屬設備，可以組成測向站(臺)。測向站是專(zhuān)門(mén)執行測向任務(wù)的機構，它有固定站和移動(dòng)站之分。

無(wú)線(xiàn)電測向測定電波來(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)位置不同的測向站(臺)組網(wǎng)測向，用各測向站的示向度(線(xiàn))進(jìn)行交匯。如圖(4)所示。條件允許時(shí)，也可以用移動(dòng)測向站，在不同位置依次分時(shí)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(shí)測定來(lái)波的仰角，以仰角、電離層高度計算距離，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，往往需要完成由遠而近分步交測，以逐步實(shí)現接近和確定輻射源的具體位置。

無(wú)線(xiàn)電測向的應用

無(wú)線(xiàn)電測向系統的應用在三個(gè)方面：一、測定未知輻射源方向和位置的測向系統。測向站(臺)可以是固定的，也可能是移動(dòng)的。例如：在無(wú)線(xiàn)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。這時(shí)測向機通常安裝在運動(dòng)載體上。例如：在船舶航海與飛機飛行中的導航設備。三、引導帶有輻射源的運動(dòng)載體到達預定目標的測向系統。測向站(臺)可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。

無(wú)線(xiàn)電測向的應用領(lǐng)域包括民用和軍用兩大方面。無(wú)線(xiàn)電頻譜管理、自然生態(tài)科研、航空管理、尋地與導航、內防安全和體育運動(dòng)等，屬于前者;通信與非通信信號偵察、戰略戰術(shù)電子對抗與反對抗等，在電子戰中的應用，屬于后者。

無(wú)線(xiàn)電測向機的分類(lèi)方法

經(jīng)過(guò)了近百年的研究、實(shí)踐與發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電測向機已經(jīng)擁有了一個(gè)龐大的家族?；谥?zhù)眼點(diǎn)的不同，測向機有著(zhù)下列各種不同的分類(lèi)方法(分類(lèi)中的交叉不可避免)：1.依照工作頻段分類(lèi)有：超長(cháng)波、長(cháng)波、中波、短波、超短波和微波測向機;2.依照工作方式分類(lèi)有：固定測向機、移動(dòng)測向機。移動(dòng)測向機又因為運載工具的不同，可以進(jìn)一步分為車(chē)載、船載、機載(飛機)測向機以及手持和佩帶式測向機;3.依照測向機的作用距離分類(lèi)(主要指短波)有：近距離測向機、中距離測向機、遠(程)距離測向機;4.依照測向天線(xiàn)間隔(基礎、孔徑)尺寸的大小分類(lèi)有：大基礎測向機、中基礎測向機、小基礎測向機;5.依照測向天線(xiàn)是否具有放大器分類(lèi)有：有源天線(xiàn)測向機、無(wú)源天線(xiàn)測向機;6.依照測向機所使用的測向天線(xiàn)種類(lèi)分類(lèi)有：環(huán)(框)形天線(xiàn)測向機、交叉環(huán)(框)形天線(xiàn)測向機、間隔雙環(huán)(框)形天線(xiàn)測向機、單極子(加載)天線(xiàn)測向機、對稱(chēng)陣子(垂直、水平)天線(xiàn)測向機、對數天線(xiàn)測向機、行波環(huán)天線(xiàn)測向機、磁性天線(xiàn)測向機、微波透鏡天線(xiàn)測向機等;7.依照測向機示向度讀出方式分類(lèi)有：聽(tīng)覺(jué)測向機、視覺(jué)測向機、數字測向機;8.依照測向機使用接收機的信道分類(lèi)有：?jiǎn)?、雙信道測向機、多信道測向機。像上面的分類(lèi)方法，可能還有一些，這里不再贅述。 測向原理及測向。

在測向機家庭中，依據不同的測向原理，可以把現有的測向機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：依據電波在行進(jìn)中，利用測向天線(xiàn)陣或測向天線(xiàn)的方向特性，對不同方向來(lái)波接收信號幅度的不同，測定來(lái)波方向。

例如：間隔設置的四單元U形天線(xiàn)陣、小基礎測向(阿德考克)機，如圖(6)所示。

圖6、四單元阿德考克天線(xiàn)陣

其表達公式如公式(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(xiàn)感應電壓，θ為來(lái)波方位角，ε為來(lái)波仰角，k為相位常數( k=2bπ/λ)，其中：b為天線(xiàn)間距，λ為工作波長(cháng)。

對于360度(θ)不同方向的來(lái)波，北-南天

線(xiàn)感應接收信號的幅度遵循正弦sinθ規律，東西天線(xiàn)感應接收信號的幅度遵循余弦cosθ規律，有了兩組信號幅度，測向時(shí)設法對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向體制中的一個(gè)典型的測向機例子。

幅度比較式測向體制的原理應用十分廣泛，其測向機的方向圖也不盡相同。例如：環(huán)形天線(xiàn)測向機、間隔雙環(huán)天線(xiàn)測向機、旋轉對數天線(xiàn)測向機等，屬于直接旋轉測向天線(xiàn)和方向圖;交叉環(huán)天線(xiàn)測向機、U形天線(xiàn)測向機、H型天線(xiàn)測向機等，屬于間接旋轉測向天線(xiàn)方向圖。間接旋轉測向天線(xiàn)方向圖，是通過(guò)手動(dòng)或電氣旋轉角度計實(shí)現的。手持或佩帶式測向機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(guān)明了，一般來(lái)說(shuō)系統相對簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，價(jià)格便宜。小基礎測向體制(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、準確度、測向時(shí)效、抗多徑能力和抗干擾能力等重要指標，要根據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(shí)不是采用直接或間接旋轉天線(xiàn)方向圖，而是采用計算求解或顯示反正切值。鑒于它在測向機家族中的特殊地位和目前仍然在廣泛應用，所以在此單獨說(shuō)明?；竟酵?1)。正交的(Sinθ、Cosθ)測向天線(xiàn)信號，分別經(jīng)過(guò)兩部幅度、相位特性相同的接收機進(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。屬于沃特森瓦特測向機的有：多信道沃特森-瓦特測向機、單信道沃特森-瓦特測向機。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(xiàn)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-瓦特測向機是將正交的測向天線(xiàn)信號，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)低頻信號進(jìn)行調制，而后通過(guò)單信道接收機變頻、放大，解調出方向信息信號，然后求解或顯示反正切值，給出來(lái)波方向。單信道沃特森-瓦特測向機原理方框圖如圖(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-瓦特測向機測向時(shí)效高，速度快，在良好場(chǎng)地上測向準確，而且CRT顯示方式，還可以分辨同信道干擾。該體制測向天線(xiàn)屬于小基礎，測向靈敏度和抗波前失真受到限制。多信道體制系統復雜;雙信道接收機實(shí)現幅度、相位一致，有一定技術(shù)難度;單信道體制同屬于小基礎，系統簡(jiǎn)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：依據電波在行進(jìn)中，從不同方向來(lái)的電波到達測向天線(xiàn)陣時(shí)，在空間上各測向天線(xiàn)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，設Φ1，Φ3，Φ2，Φ4分別為北、南、東、西天線(xiàn)感應信號瞬時(shí)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(xiàn)之間來(lái)波的相位差，k為相移常數，θ為欲求來(lái)波方向角。

在干涉儀測向方式中，是直接測量測向天線(xiàn)感應電壓的相位，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，干涉儀測向在工作時(shí)，至少需要在空間架設三付分立的測向天線(xiàn)。干涉儀測向是在±180度范圍內單值地測量相位，當天線(xiàn)間距比較小時(shí)，相位差的分辨能力受到限制，天線(xiàn)間距大于0.5個(gè)波長(cháng)時(shí)，會(huì )引起相位模糊。通常解決上述矛盾的方法是，沿著(zhù)每個(gè)主基線(xiàn)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量數據，由這些附加相位數據，解決主基線(xiàn)相位測量中的模糊問(wèn)題。這種變基線(xiàn)的技術(shù)已經(jīng)為當代干涉儀測向機所廣泛采用。干涉儀測向機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(xiàn)陣列工作頻率范圍內和360度方向上，各按一定規律設點(diǎn)，同時(shí)在頻率間隔和方位間隔上，建立樣本群，在測向時(shí)，將所測得的數據與樣本群進(jìn)行相關(guān)運算和插值處理，以獲得來(lái)波信號方向。

干涉儀測向體制的特點(diǎn)：采用變基線(xiàn)技術(shù)，可以使用中、大基礎天線(xiàn)陣，采用多信道接收機、計算機和FFT技術(shù)，使得該體制測向靈敏度高，測向準確度高，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。干涉儀測向是當代比較好的測向體制，由于研制技術(shù)較復雜、難度較大，因此造價(jià)較高。干涉儀測向對接收信號的幅度不敏感，測向天線(xiàn)在空間的分布和天線(xiàn)的架設間距，比幅度比較式測向靈活，但又必須遵循某種規則。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：依據電波在傳播中，遇到與它相對運動(dòng)的測向天線(xiàn)時(shí)，被接收的電波信號產(chǎn)生多普勒效應，測定多普勒效應產(chǎn)生的頻移，可以確定來(lái)波的方向。

為了得到多普勒效應產(chǎn)生的頻移，必須使測向天線(xiàn)與被測電波之間做相對運動(dòng)，通常是以測向天線(xiàn)在接收場(chǎng)中，以足夠高的速度運動(dòng)來(lái)實(shí)現的，當測向天線(xiàn)完全朝著(zhù)來(lái)波方向運動(dòng)時(shí)，多普勒效應頻移量(升高)最大。多普勒測向的基本公式如公式(3)所示。

當測向天線(xiàn)做圓周運動(dòng)時(shí)，會(huì )使來(lái)波信號的相位受到正弦調制。設：以天線(xiàn)場(chǎng)中心0點(diǎn)為相位參考點(diǎn)，信號的相位為Φ，天線(xiàn)接收信瞬時(shí)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(xiàn)旋轉角頻率，θ為來(lái)波方向角度，相位常數kc=2πr/λ，其中r為天線(xiàn)間距，λ為信號波長(cháng)。

設Am為被接收信號的振幅值，這時(shí)測向天線(xiàn)所收到信號的瞬時(shí)值U(t)的表達式為：

U(t)=Amcos[ωt+Φ+kccos(Ωt-θ)]

多普勒效應使測向天線(xiàn)接收到的信號產(chǎn)生調相，多普勒相移為ΦD，于是有：

ΦD=kccos(Ωt-θ)

相應的多普勒頻移f為：

f=dΦD/dt=-kcsin(Ωt-θ) (3)

多普勒頻移f，可以從旋轉的測向天線(xiàn)接收到的信號，經(jīng)過(guò)接收機變頻、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。

多普勒測向，通常不是直接旋轉測向天線(xiàn)，因為這在工程上難于實(shí)現，它是將多郭天線(xiàn)架設在同心圓的圓周上，電子開(kāi)關(guān)順序快速接通各個(gè)天線(xiàn)，等效于旋轉測向天線(xiàn)。人們稱(chēng)這種測向機為準多普勒測向機。準多普勒測向原理方框圖如圖(10)所示。

圖10、準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(xiàn)孔徑和開(kāi)關(guān)速度是基本途徑。多普勒測向機的測向天線(xiàn)孔徑可以使用大、中基礎;開(kāi)關(guān)旋轉頻率數百赫茲，多普勒頻稱(chēng)f可以達到數百赫茲，但是開(kāi)關(guān)旋轉換頻頻率的升高，會(huì )使產(chǎn)生的邊帶帶寬增加，于是限制了轉速。

多普勒測向體制的特點(diǎn)：可以采用中、大基礎天線(xiàn)陣，測向靈敏度高，準確度高，沒(méi)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、調頻調制干擾時(shí)，會(huì )產(chǎn)生測向誤差。該體制尚在發(fā)展之中，改進(jìn)會(huì )使系統變得復雜，造價(jià)會(huì )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：采用大基礎測向天線(xiàn)陣，在圓周上架設多付測向天線(xiàn)，來(lái)波信號經(jīng)過(guò)可旋轉的角度計、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。通過(guò)旋轉角度計，旋轉合差方向圖，測找來(lái)波方向。

以40付測向天線(xiàn)陣元為例，角度計瞬間可與12付天線(xiàn)元耦合，而后分別經(jīng)過(guò)移相補償電路將信號相位對齊，形成可旋轉的等效直線(xiàn)天線(xiàn)陣，12付天線(xiàn)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。測向時(shí)以合、差方向圖測找來(lái)波方向。在來(lái)波方向上，由于兩組天線(xiàn)均處在來(lái)波的等相位面上，兩組天線(xiàn)信號大小相等，差方向圖時(shí)，輸出相減為“零”，合方向圖時(shí)，為一組天線(xiàn)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(lèi)在比相式測向機。但是從使用者看，最終使用的是信號幅度比較，因此說(shuō)它是幅度比較式測向機，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，測向天線(xiàn)陣直徑是最低工作波長(cháng)的1～5倍。天線(xiàn)陣直徑尺寸，根據低端工作頻率的不同，達到數百甚至上千米。測向天線(xiàn)單元，可以是寬頻帶直立天線(xiàn)，也可以是對數周期天線(xiàn)。為了提高天線(xiàn)接收效能，通常在天線(xiàn)陣內側使用反射網(wǎng)。一付天線(xiàn)陣難于覆蓋全部短波頻段時(shí)，一般是采用內高頻，外低頻的雙層陣。

烏蘭韋伯爾測向體制的特點(diǎn)：由

于采用大基礎天線(xiàn)陣，測向靈敏度高，測向準確度高，測向分辨率高，抗波前失真、抗干擾性能好，可以提供監測綜合利用。由于烏蘭韋伯爾測向機要求數十根天線(xiàn)、饋線(xiàn)電特性完全一致，加之角度計設計、工藝要求高，以及需要大面積平坦開(kāi)闊的天線(xiàn)架設場(chǎng)地，這無(wú)疑增加了造價(jià)和工程建設的難度。帶來(lái)的問(wèn)題是造價(jià)高，測向場(chǎng)地要求高。

六、到達時(shí)間差測向體制

到達時(shí)間差測向體制的測向原理：依據電波在行進(jìn)中，通過(guò)測量電波到達測向天線(xiàn)陣各個(gè)測向天線(xiàn)單元時(shí)間上的差別，確定電波到來(lái)的方向。它類(lèi)似于比相式測向，但是這里測量的參數是時(shí)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制方式。

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

于是有：

則來(lái)波方向θ可求，為：

(4)

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

測向原理方框圖如圖(12)所示。

圖12、到達時(shí)間差測向原理框圖

實(shí)際使用中，為了覆蓋360度方向，至少需要架設三付分立的測向天線(xiàn)。測向天線(xiàn)的間距有長(cháng)、短基線(xiàn)之分，長(cháng)基線(xiàn)的測向精度明顯好于短基線(xiàn)。到達時(shí)間差測向體制基于時(shí)間標準和對時(shí)間的精確測量，以現在的技術(shù)水平而言，時(shí)間間隔的測量可達到1ns的精確度，當間距為10米時(shí)，測向的準確度可以達到1度。

到達時(shí)間差測向體制的特點(diǎn)：測向準確度高，靈敏度高，測向速度快，極化誤差不敏感，沒(méi)有間距誤差，測向場(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制，目前應用尚不普及。

七、空間譜估計測向體制

空間譜估計測向體制的測向原理：在已知座標的多元天線(xiàn)陣中，測量單元或多元電波場(chǎng)的來(lái)波參數，經(jīng)過(guò)多信道接收機變頻、放大，得到矢量信號，將其采樣量化為數字信號陣列，送給空間譜估計器，運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。

空間譜估計測向原理方框圖見(jiàn)圖(13)。

圖13、空間譜估計測向原理框圖

以四元天線(xiàn)陣為例，空間譜估計測向的基本公式，如公式(5)所示，是一個(gè)協(xié)方差矩陣?？臻g譜估計測向是把每個(gè)天線(xiàn)的接收信號，與其他各個(gè)天線(xiàn)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(chǎng)的實(shí)際情況。具體地說(shuō)就是構成如下的協(xié)方差矩陣：

在上式中：Xn為n號天線(xiàn)的輸出，H為共軛轉置符號。

空間譜估計四元天線(xiàn)陣的示意圖如圖(14)所示。

圖14、空間譜估計四元陣示意圖

由公式(5)可見(jiàn)，四元陣的協(xié)方差矩陣有16個(gè)元素，空間譜估計測向，充分利用了測向天線(xiàn)陣各個(gè)陣元從空間電磁場(chǎng)接收到的全部信息，而傳統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)，因此傳統的測向方式不能在多波環(huán)境下發(fā)揮作用?？臻g譜估計測向，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(shí)到達的、處于天線(xiàn)陣固有波束寬度以?xún)鹊?、兩個(gè)以上的電波，能夠同時(shí)測向。這在傳統的測向方法中是無(wú)法實(shí)現的。構成協(xié)方差矩陣是空間譜估計測向的基本出發(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(lèi)算法(MUSIC)。

空間譜估計測向體制的特點(diǎn)：空間譜估計測向技術(shù)可以實(shí)現對幾個(gè)相干波同時(shí)測向;可以實(shí)現對同信道中、同時(shí)存在的多個(gè)信號，同時(shí)測向;可以實(shí)現超分辨測向;空間譜估計測向，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;空間譜估計測向，可以實(shí)現高測向靈敏度和高測向準確度，其測向準確度要比傳統測向體制高得多，即使信噪比下降至0db，仍然能夠滿(mǎn)意地工作(而傳統測向體制，信噪比通常需要20db);測向場(chǎng)地環(huán)境要求不高，可以實(shí)現天線(xiàn)陣元方向特性選擇及陣元位置選擇的靈活性。以上空間譜估計測向的優(yōu)點(diǎn)，正是傳統測向方法長(cháng)期以來(lái)存在的疑難問(wèn)題。

空間譜估計同，尚在研究試驗階段。在這個(gè)系統中，要求具備寬帶測向天線(xiàn)，要求各個(gè)天線(xiàn)陣元之間和多信道接收機之間，電性能具有一致性。此外還需要簡(jiǎn)捷高精度的計算方法和高性能的運算處理器，以便解決實(shí)用化問(wèn)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(wèn)題，但是無(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)，每個(gè)用戶(hù)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，因此籠統地說(shuō)優(yōu)劣，有可能脫離實(shí)際。使用者在測向體制和測向體設備選用時(shí)，重要的是要透徹了解并仔細分析自身工作需求。測向體制與設備的優(yōu)劣好壞，應當在滿(mǎn)足工作需求的前提下，由使用者自已作出選擇。應該說(shuō)每一種測向體制都各具特點(diǎn)，站在用戶(hù)的角度看，能夠滿(mǎn)足工作需求，價(jià)格又合適，就是好體制。在這里，我們著(zhù)重講討論從哪些方面評價(jià)測向體制和測向設備，提出如下的技術(shù)指標，供讀者參考：

1、頻率覆蓋范圍。這一項指標規范了測向機規定的性能指標和正常工作的頻率范圍，它是選擇測向體制和測向設備時(shí)的基本要求。

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

3、測向準確度。它表征了測向體制和測向設備在測向時(shí)的精確度，也就是測向時(shí)誤差的大小。測向準確通常有儀器設備測向精度、標準場(chǎng)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(zhù)根本的區別，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備遇到干擾信號時(shí)的測向能力和測向準確度，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(shí)的測向能力。

5、測向時(shí)效。它表征了測向體制和測向設備在測向時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，以及對空中持續短信號的測向能力。這其中包括了：測向系統的信道建立、方向信息的采樣、數據運算處理(含積分)、示向度顯示等環(huán)節所需要的時(shí)間，各時(shí)間段可以分別表示。但是一般在評價(jià)時(shí)，往往只看綜合時(shí)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備，工作在非正常極化波條件下的測向能力。有時(shí)也稱(chēng)為極化敏感性，不敏感好。在短波頻段，用標準斜極化波測試極化誤差。

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

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

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

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

11、系統機動(dòng)性。表明系統的可移動(dòng)性。通常有固定、移動(dòng)、便攜之分。移動(dòng)又依載體分為車(chē)、船、機載。

12、系統復雜程度與造價(jià)。表明測向體制和測向設備系統組成的復雜程度和研制時(shí)的技術(shù)難度，它與造價(jià)的高低是一致的。

結束語(yǔ)：

科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，無(wú)線(xiàn)電監測和無(wú)線(xiàn)電測向技術(shù)也在不斷進(jìn)步，特別是近年來(lái)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電通信、網(wǎng)絡(luò )通信的高速發(fā)展和計算機技術(shù)、微電子技術(shù)日新月異的變化，必將帶動(dòng)無(wú)線(xiàn)電監測技術(shù)和測向技術(shù)的高速發(fā)展，使之向著(zhù)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實(shí);高度數字化、集成化和數字處理技術(shù)應用，正在提高無(wú)線(xiàn)電監測和無(wú)線(xiàn)電測向設備的性能;新技術(shù)、新器件、新工藝的開(kāi)發(fā)和使用，正在改變著(zhù)傳統設備的面貌;同時(shí)新理論也會(huì )不斷出現，無(wú)線(xiàn)電測向體制也會(huì )不斷推陳出新。這一切變化永無(wú)止境。

附：各種測向方法性能的比較表