王瑞芳

國家新聞出版廣電總局203臺　內(nèi)蒙古　呼和浩特市　010070

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中短波廣播信號實用測向技術(shù)及實踐

王瑞芳

國家新聞出版廣電總局203臺內(nèi)蒙古呼和浩特市010070

【摘要】本文通過分析中短波廣播信號的技術(shù)特點以及從測向原理的角度說明了不同測向體制的特點和主要技術(shù)指標(biāo)，并研究了干擾環(huán)境下的測向技術(shù)和實踐問題。

【關(guān)鍵詞】中短波信號測向相關(guān)干擾

1　中短波廣播信號特點

1.1中短波的傳播特性

無線電波（簡稱電波）是電磁能量的一種形式，由發(fā)射天線發(fā)射電波的遠(yuǎn)處可看作為一平面波，它的電場向量和磁場向量互相垂直，兩者又都垂直于傳播方向，如圖1所示。圖中P為沿X軸方向傳播的電波，EZ為沿Z軸的電場向量，Hy為沿Y軸的磁場向量。

圖1　空間傳播的平面波

短波傳播是遠(yuǎn)程的、非視距的，短波傳播因太陽活動周期、季節(jié)和晝夜條件而變化，短波傳播主要依賴電離層反射，存在傳播“寂靜區(qū)”，由于傳播的變化和隨機(jī)性衰落，影響信號的穩(wěn)定性。固定分配的信道集中在短波頻率范圍的少部分，所用的頻率是各種廣播和遠(yuǎn)距離、固定的永久性基地通信或長距離的移動服務(wù)，如海事和航空移動服務(wù)。但大部分信道未分配，且短波通信源遠(yuǎn)流長，因此短波信道十分擁擠；使用頻率服從頻率預(yù)測或因避開干擾而調(diào)整，可能對固定分配的信道產(chǎn)生干擾，經(jīng)常發(fā)生多個發(fā)射源在一個信道或在相同的頻率上，對天電干擾和工業(yè)輻射噪音敏感。

中波電波有沿地面?zhèn)鞑サ?，亦有靠電離層反射傳播的，但中波天波傳播只能在晚間建立。夜間的中波天波場強(qiáng)如與地波場強(qiáng)比較接近，這些地區(qū)的接收場強(qiáng)為天波與地波場強(qiáng)的矢量和。由于天波信號的不穩(wěn)定性，即天波場強(qiáng)的大小和相位為隨機(jī)變化，因而天波和地波的合成場強(qiáng)不穩(wěn)定，呈現(xiàn)為時大時小的衰落現(xiàn)象，接收信號亦是不穩(wěn)定的，很難以保證收聽。

1.2中、短波廣播信號特點

為了廣播的覆蓋面，中、短波廣播信號往往同頻多址發(fā)射，信道頻率間隔受限，發(fā)射帶寬窄、發(fā)射時間長、發(fā)射功率大，調(diào)制方式多是AM不同的電臺經(jīng)常相互重疊，導(dǎo)致同信道干擾，現(xiàn)代短波接收、測向技術(shù)趨向于高分辨率處理技術(shù)，如采用FFT、MUSIC。

2　短波測向技術(shù)

2.1概述

測向（Direction Finding）是測量出無線電波輻射源的方位。利用無線電測向可以確定輻射源的位置，稱為定位。通過測向和定位可以幫助我們輔助收測，判斷停播。無線電頻譜收測，可以確定對象臺方位發(fā)射地點和變化情況等。

測向的結(jié)果用方位角（或簡稱方位）表示，方位角范圍為0°～360°，從正北開始順時針方向計算。測向地點測出的方位以該測量地點與地球北極之間的連線作為參考線。在一個地點上測向，通常只能測量出電波輻射源的方位，如需要測量出電波輻射源的位置，需在兩個或兩個以上地點同時進(jìn)行測量，通過對兩地測量結(jié)果進(jìn)行計算，可確定所測輻射源位置。通過兩地測向確定輻射源位置示意，如圖2所示。設(shè)A、B兩地所測方位角分別為θ1、θ2，把該兩方位線畫在一張合適的地圖上，其交點位置（P），即為所測輻射源的位置。由此可見，如兩個測向臺位置與輻射源位置在一條直線上，則兩個測向臺測量結(jié)果將找不出一個交點。因此，在測量輻射源位置時應(yīng)適當(dāng)選擇測量地點的位置。

圖2　兩地測向確定輻射源位置

2.2測向基本原理

測向基本原理是基于假設(shè)電波的輻射源至測量點的傳播途徑，是沿著直線或沿著大圓弧進(jìn)行，且電波的波前平面垂直于電波傳播方向。波前平面是一個假想的平面，在同一波前平面上的各點，電波的相位均相同。測向方法主要有兩種，即定向天線法與相位調(diào)制法。定向天線法系利用定向天線具有接收某個方向電波特別強(qiáng)（或特別弱）的特性。從原則上講各種定向天線都可用作測向，但從實用上考慮則多采用專用的測向天線。測向天線按照利用接收信號最弱或最強(qiáng)的不同，可分為最弱方向法與最強(qiáng)方向法兩種。利用最弱方向來定向的稱為最低靈敏度測向，環(huán)形天線與愛迪柯克（Adcock）天線屬于這一類，這類天線的方向性在最弱方向上比在最強(qiáng)方向上更為尖銳。利用最強(qiáng)方向來定向的稱為最大靈敏度測向，八木天線與對數(shù)周期天線屬于這一類。

2.3短波測向技術(shù)體制比較

2.3.1多普勒測向體制特點

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。

多普勒測向體制的特點：可以采用中、大基礎(chǔ)天線陣，測向靈敏度和準(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點是抗干擾性能較差，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。利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行測向具有許多優(yōu)點，近年來得到較為廣泛的應(yīng)用。

2.3.2沃森-瓦特測向特點（Watson-Watt）

Watson-Watt是歷史最久遠(yuǎn)、最優(yōu)秀的小基礎(chǔ)測向技術(shù)，它能提供瞬時到達(dá)角信息，其發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)快速測向。近年來，由于采用了現(xiàn)代信號處理技術(shù)中的數(shù)字處理技術(shù)，與過去的Watson-Watt測向相比在性能上也有了較大提高，比如采用FFT的寬帶瞬時測向速度是無可爭議的。至今，Watson-Watt測向技術(shù)在HF移動測向仍居統(tǒng)治地位。

Watson-Watt測向技術(shù)主要特點和實用意義如下：（1）是速度最快的測向技術(shù)體制，能對脈沖和擴(kuò)譜信號進(jìn)行測向，稱得上瞬時測向體制；（2）可實現(xiàn)寬帶測向；（3）小基礎(chǔ)測向，天線尺寸小，在車載、移動測向廣泛應(yīng)用；（4）在頻率低端，其靈敏度更高。

2.3.3空間譜估計測向技術(shù)特點

空間譜估計測向技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)的振幅測向法和相位測向法的全新測向方法，它是近三十年在經(jīng)典譜估計理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一種以多元天線陣結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)的新型測向技術(shù)?？臻g譜估計測向就是將空間譜估計技術(shù)用于無線電測向，其原理是根據(jù)天線陣中不同位置的陣元所接收到的空間來波信號的樣本數(shù)據(jù)、天線位置參數(shù)和陣元的特性參數(shù)，應(yīng)用現(xiàn)代譜估計理論和統(tǒng)計學(xué)理論及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對來波的空間譜進(jìn)行估計，分析其能量的分布狀態(tài)，以確定空間來波的方向。由于它具有傳統(tǒng)測向方法所無法具備的多波分辨能力因而備受推崇，尤其是在目前頻段日益擁擠、電磁環(huán)境不斷惡劣的條件下，更顯示出其特有的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。

空間譜估計測向技術(shù)主要特點和實用意義如下：

（1）有多波分辨能力，能夠?qū)ο喔刹ê头窍喔刹y向，可以有效克服由于電離層分布不均勻，電離層傾斜以及地形、地物、不同介質(zhì)等造成的多徑傳播干擾。這種干擾是引起測向誤差和示向游動的主要原因。空間譜估計算法可對2～3個多徑波束同時測向，把主波分離出來，從而提高測向精度和減小示向游動。同理，同頻多址發(fā)射信號屬于非相干波，對于這類信號空間譜估計測向可以同時測出各個發(fā)射臺的來波方位。（2）對天線陣孔徑?jīng)]有限制，可以采用大孔徑天線陣進(jìn)一步提高測向精度。測向理論和實踐證明大孔徑天線陣可以改善電波多徑傳播帶來的測向誤差和示向游動，與小孔徑天線陣相比，至少改善兩倍以上。（3）具有優(yōu)良的測向靈敏度?？臻g譜估計算法本身具有較高的處理增益，因此，在信噪比較低時仍能取得滿意的測向結(jié)果。（4）支持單站定位。空間譜估計測向能夠同時測出來波方位角和仰角，只需結(jié)合電離層參數(shù)就可實現(xiàn)單站定位。（5）對硬件要求高?？臻g譜估計測向要求在同一時刻對所有天線陣元進(jìn)行采樣，因此，必需使用同頻多信道接收機(jī)（信道數(shù)與天線陣元數(shù)相同），要求天線陣、電纜和接收機(jī)具備良好的幅度相位一致性。這是空間譜估計測向的主要不足。但是，信道數(shù)與天線陣元數(shù)相同，為波束形成提供了必要條件，在信號十分密集的短波頻段，波束形成為是監(jiān)聽的關(guān)鍵性要求。

2.3.4相關(guān)干涉儀測向技術(shù)特點

相關(guān)干涉儀測向技術(shù)是在傳統(tǒng)干涉儀測向技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展來而的，廣泛應(yīng)用于天文、雷達(dá)、聲納等領(lǐng)域。由于采用了現(xiàn)代信號處理技術(shù)中的相關(guān)處理技術(shù)，與過去的干涉儀測向相比在性能上有了較大提高，近幾年來在國內(nèi)外得到了大量應(yīng)用。

相關(guān)干涉儀測向技術(shù)主要特點和實用意義如下：（1）突破了原來的天線陣孔徑限制，可以采用大孔徑天線陣有效降低測向誤差，提高測向準(zhǔn)確度；在短波頻段，純粹的干涉儀體制要求最小的孔徑約5m，相關(guān)干涉儀體制要求最小的孔徑約16m。（2）優(yōu)良的測向靈敏度和抗干擾能力。相關(guān)處理算法本身具有處理增益，對信噪比要求不高，只要信號略高于干擾就能取得滿意的測向結(jié)果。采用FFT技術(shù)后，靈敏度提高至少10dB；空間譜估計算法因為算法復(fù)雜，目前采用FFT是困難的。（3）降低了對硬件的幅度相位一致性要求。相關(guān)算法的實質(zhì)是把實際測得的天線陣響應(yīng)值與事先采集的樣本值進(jìn)行比較，如果將天線陣、電纜和接收機(jī)的不一致包含在樣本值中，就能夠在進(jìn)行相關(guān)計算時基本消除這類誤差。當(dāng)天線陣的個別陣元損壞和多波道接收機(jī)的個別信道出現(xiàn)故障時也不會對測向結(jié)果產(chǎn)生大的影響。（4）可用正交環(huán)形天線元組成測向陣，有利于抗干擾、分辨同信道多信號測向（2個），并且有利于天波接收和測向。（5）干涉儀測向體制比譜估計測向體制的測向速度快，可以實現(xiàn)寬帶測向，短波雷達(dá)信號是脈沖調(diào)制（寬帶調(diào)制）的HF信號，ESMERALDA成功的測向定位；毫秒級的測向速度，利用來波信號的時間差異可以分辨不同來波的方向。意味著無線電測向領(lǐng)域，譜估計測向不能獨霸HF測向的天下。

2.3.5烏蘭韋伯爾測向體制特點

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、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，旋轉(zhuǎn)合差方向圖，測找來波方向。

烏蘭韋伯爾測向體制的特點：由于采用大基礎(chǔ)天線陣，測向靈敏度、準(zhǔn)確度和分辨率高，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，加之角度計設(shè)計、工藝要求高，以及需要大面積平坦開闊的天線架設(shè)場地，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。

3　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：（1）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。（2）測定已知輻射源方向，用以確定自身位置的測向系統(tǒng)，測向機(jī)通常安裝在運動載體上。例如，在船舶航海與飛機(jī)飛行中的導(dǎo)航設(shè)備。（3）引導(dǎo)帶有輻射源的運動載體到達(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。

4　在干擾環(huán)境中的測向?qū)嵺`

測向已有近百年歷史，在短波移動測向中Wat-son-watt占據(jù)統(tǒng)治地位。在短波固定站測向體制中，大孔徑天線陣是首要的選擇。當(dāng)測向天線陣形成許多尖銳的接收波束時，具有同波（相干或非相干干擾）分辨能力，如烏蘭韋伯大基礎(chǔ)測向系統(tǒng)、TCI M-410監(jiān)聽測向系統(tǒng)；MUSIC譜估計測向、FFT相關(guān)干涉儀測向都具有相干或非相干干擾分辨能力。

4.1相干干擾誤差及測向?qū)嵺`

無線電波在傳播路程上遇到反射體或二次輻射體，特別測向天線附近的反射體或二次輻射體，都產(chǎn)生相干的反射波。反射波場與直射波場相干，造成直射波的原有等相位和等幅度線失真，進(jìn)而導(dǎo)致測向誤差。該誤差數(shù)值和符號與對反射波相對直射波的方位、相位，以及發(fā)射頻率變化特別敏感。增大天線孔徑和矢量測向體制是克服相干干擾的有效技術(shù)。

4.2非相干干擾誤差及測向?qū)嵺`

在測向通帶內(nèi)如出現(xiàn)非相干的干擾信號，也會造成測向誤差，誤差值與干擾信號的頻域、時域差異、相對強(qiáng)度和方位有關(guān)。應(yīng)用FFT相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)克服頻域、時域和能量非相關(guān)信號的干擾是很有效的。

4.3調(diào)制干擾誤差及測向?qū)嵺`

調(diào)制干擾具有非相干干擾的屬性，是一種特殊的非相干干擾。一般講，調(diào)制對分時取樣的測向體制都會帶來不利影響，產(chǎn)生測向誤差。對使用單通道接收機(jī)的幅度測向體制，方向性圖易受幅度調(diào)制影響，使用單通道接收機(jī)的多卜勒測向體制易受頻率調(diào)制的影響。調(diào)制影響可通過天線陣的設(shè)計（如形成銳波束）、積分和增加參考通道補(bǔ)償?shù)确椒p小。采用同頻多信道接收機(jī)的測向方法和體制，并行取樣調(diào)制影響一般很小，可以忽略。

4.4極化干擾誤差及測向?qū)嵺`

極化干擾具有相干干擾的屬性，是一種特殊的相干干擾。大部分測向機(jī)（系統(tǒng)）都是按接收某特定的極化方式設(shè)計的（絕大多數(shù)為接收垂直極化波），但由于發(fā)射不良，特別是經(jīng)過傳播途中的介質(zhì)，如電離層反射或地形地物的影響，使電波極化變得復(fù)雜，一般變成線極化或橢圓極化波。如果這時不能抑制對不需要的極化分量的接收，一般都會導(dǎo)致測向誤差，這種誤差慣稱極化誤差。在同樣極化分量的情況下，測向體制不同，極化誤差也不一，除測向體制選擇外，一般采用只對一種極化接收的天線，并在設(shè)計制造中采取抑制寄生接收的措施，如譜估計測向系統(tǒng)采用垂直極化接收的直立天線，譜估計算法決定著滲漏接收的水平極化分量不構(gòu)成誤差。

結(jié)束語

綜上所述，相關(guān)干涉儀是近20年發(fā)展起來的采用復(fù)數(shù)電壓測量和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的新型數(shù)字式設(shè)備，它是大孔徑測向天線，可以在寬頻段內(nèi)實現(xiàn)高靈敏度、高準(zhǔn)確度和高速度的測向性能。相關(guān)干涉儀也有著較好的抗干擾分辨能力，當(dāng)被測信號強(qiáng)度比干擾信號高出3-5dB，幾乎不產(chǎn)生誤差；應(yīng)用FFT技術(shù)、測向速度、帶寬和頻率分辨力得以最佳匹配。單就中短波廣播信號的測向而言，ESMERALDA是合格的選擇，與譜估計測向系統(tǒng)相比，最大的弱點是不具備多波束監(jiān)聽能力。多波束監(jiān)聽、測向綜合性要求而論“譜估計測向+波束形成”系統(tǒng)是一種選擇；“烏蘭韋伯測向+波束形成”系統(tǒng)是另一種更強(qiáng)勢的選擇。

審稿人：嚴(yán)志剛內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺正高級工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

【中圖分類號】TN931.2

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2096-0751（2016）05-0027-05

作者簡介：王瑞芳國家新聞出版廣電總局203臺工程師