《無線電監(jiān)測與測向定位》課件第5章

第5章無線電測向概述5.1無線電測向的基本概念

5.2測向設(shè)備的主要性能指標

5.1無線電測向的基本概念

5.1.1無線電測向的含義

無線電測向是利用無線電測向設(shè)備確定正在工作的無線電發(fā)射臺(輻射源)方位的過程。利用無線電測向可以確定輻射源的位置，簡稱定位。無線電測向與定位是無線電監(jiān)測的重要內(nèi)容，是對無線電信號進行分選、識別的重要依據(jù)。

無線電測向的物理基礎(chǔ)是無線電波在均勻媒質(zhì)中傳播的勻速線性及定向天線接收電波的方向性。無線電測向?qū)嵸|(zhì)上是測量電磁波波陣面的法線方向相對于某一參考方向(通常規(guī)定為通過測量點的地球子午線正北方向)之間的夾角。能完成這一測量任務(wù)的無線電設(shè)備稱為無線電測向機或無線電測向設(shè)備。無線電測向過程不輻射電磁波，就輻射源方面來說，它對測向活動既無法檢測，也無法阻止。被測輻射源的方向通常用方位角表示，它是通過觀測點(測向站所在位置)的子午線正北方向與被測輻射源到觀測點連線按順時針所形成的夾角，方位角的角度范圍為0°～360°。

通常以測向天線所在位置作為觀測參考點，在水平面0°～360°范圍內(nèi)考察目標輻射源來波信號的方向，稱為來波信號的水平方位角，通常用符號q來表示。方位角描述的是目標輻射源準確的來波方向，是沒有考慮誤差的精確描述。值得注意的是，測向天線相對來波信號的方位與目標電臺的真實方位從嚴格意義上來說有差別，主要表現(xiàn)在方位角的定義中沒有考慮電波傳播過程中的非理想狀態(tài)，它將引起來波信號方向后延伸線與目標輻射源到測向機天線之間連線的差別。但我們在實際工作中所說的方位角通常是指目標輻射源到測向天線之間的連線與地理正北方向(地球子午線正北方向)按順時針所形成的夾角。

測向設(shè)備對某一目標電臺的來波信號進行測向，所得到的實際測量值(或所得到的目標方位讀數(shù))稱為示向度，有時也稱方位線，通常用符號f來表示。若電波在理想的均勻媒質(zhì)中傳輸以及測向設(shè)備不存在測量誤差，則示向度與方位角相同，即f=q。實際測向過程中，電波在非理想均勻的媒質(zhì)中傳輸將引起波陣面畸變，使得波陣面的法線方向偏離目標電臺到測向天線之間的連線方向；測向設(shè)備的測量誤差總是不可避免地或大或小存在。因此測向設(shè)備所測得的示向度值f與目標輻射源真實方位值q之間的差別將客觀存在，或者說測向誤差總是客觀存在的。

測向誤差通常用Df來表征，即Df=q－f，用它衡量目標輻射源真實方位值q與測向設(shè)備對該目標電臺來波信號進行測向所得到的示向度值f之間的偏差。

q

、f、Df三者的定義和彼此之間的關(guān)系如圖5-1所示。圖5-1

q、f、Df三者的定義和彼此關(guān)系5.1.2測向設(shè)備的組成與分類

1.測向設(shè)備的組成

現(xiàn)代無線電測向技術(shù)的物理實現(xiàn)應(yīng)該包含定向天線對目標來波信號的接收、測向信道對定向天線接收信號的變換處理以及測向終端對來波方位信息的提取與顯示這三個環(huán)節(jié)，因此現(xiàn)代無線電測向設(shè)備由測向天線、測向信道接收機和測向終端處理機三大部分組成，如圖5-2所示。圖5-2測向設(shè)備的基本組成框圖

1)測向天線

測向天線通常包括定向天線單元和天線信號前置預(yù)處理單元兩個部分。

定向天線單元可以是單元定向天線，也可以是多元陣列全向或定向天線。天線接收來波信號，并使得信號的幅度或相鄰天線元接收信號的相位差中含有來波的方位信息。

天線信號前置預(yù)處理單元對定向天線單元中各天線元輸出的射頻信號進行預(yù)處理，預(yù)處理方式視測向方法的不同而不同，但歸結(jié)到一點，都是保證定向天線單元輸出的電壓與來波方位或空間角度之間有穩(wěn)定且確定的幅度或相位關(guān)系。一般來說，定向天線單元是通過天線信號前置預(yù)處理單元實現(xiàn)各天線元所接收電勢的矢量相加或比相，由此形成其幅度或相位特性。

在現(xiàn)代測向設(shè)備中，天線信號前置預(yù)處理單元除實現(xiàn)上述功能外，還包含了一些新的內(nèi)容，如天線控制、自動匹配、寬帶低噪聲放大等。

2)測向信道接收機

測向信道接收機用于對測向天線輸出信號進行選擇、放大、變換等，使之適應(yīng)后面測向終端處理機對信號的接口要求。根據(jù)測向方法的不同和特殊的需要，測向信道接收機可選擇單信道、雙信道或多信道接收機。通常雙信道和多信道接收機采用共用本振的方式，以確保多信道之間相位特性的一致性。

3)測向終端處理機

早期的測向終端處理只是采用人工輔助的方式完成方位數(shù)據(jù)的獲取，它是由“監(jiān)聽耳機”與“方位讀盤”或“模擬顯示器”來完成的。測向信道接收機輸出的信號送到監(jiān)聽耳機或陰極射線管的偏轉(zhuǎn)板，再由人耳聽辨或觀察熒光屏的顯示亮線來確定來波方位。

現(xiàn)代測向終端處理機包括方位信息處理與顯示單元及監(jiān)控單元兩個部分，它通常包含A/D轉(zhuǎn)換、高速DSP及采用LCD或EL或CRT顯示的一臺工業(yè)(或軍用)計算機。

方位信息處理與顯示單元將測向信道接收機輸出信號中所包含的來波方位信息提取出來，并進行分析處理，最后按指定的格式和方式顯示出來。一般來說，測向信道接收機輸出的模擬信號首先由A/D變換成數(shù)字信號，隨后高速DSP根據(jù)采用的測向方法對A/D采樣數(shù)據(jù)進行變換處理，提取其來波方位信息。這一過程在目標信號的持續(xù)時間內(nèi)快速重復(fù)進行，主處理機的CPU根據(jù)信號質(zhì)量和場地環(huán)境等具體情況，對高速DSP各次測得的來波方位數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、誤差校正、信號質(zhì)量評估等綜合處理，處理結(jié)果采用數(shù)字極坐標或統(tǒng)計直方圖或數(shù)字示向度等形式顯示輸出。

監(jiān)控單元對測向天線、測向信道接收機、方位信息處理與顯示單元等各部分的工作狀態(tài)進行監(jiān)視與控制。

2.測向設(shè)備的分類

測向設(shè)備的分類方法主要有如下幾種。

1)根據(jù)測向原理進行分類

原則上說，目標信號的來波方位信息不是寄載在定向天線接收信號的振幅上就是寄載在其相位上，從這個意義上來分，測向設(shè)備可以分為振幅法測向和相位法測向兩大類。振幅法測向是從定向天線接收信號的振幅上提取來波方位信息的測向方法，而相位法測向一般來說是從相鄰天線元接收信號的相位差中提取來波方位信息的測向方法。

如果再進一步細分，振幅法測向還可以分為最小信號法測向、最大信號法測向、振幅比較法測向(Watson-Watt法測向)；相位法測向還可以分為干涉儀法測向、多普勒法測向、

時差法測向等。

2)根據(jù)工作波段進行分類

測向設(shè)備通常是工作在某一確定的波段范圍，從這個意義上進行分類，早期大多是單波段測向設(shè)備，如中長波測向設(shè)備、短波測向設(shè)備、超短波測向設(shè)備、微波測向設(shè)備等?，F(xiàn)代測向設(shè)備通常是覆蓋幾個波段，常見的是同時覆蓋中長波和短波波段或覆蓋超短波和微波波段，目前還有將短波和超短波同時覆蓋的測向設(shè)備。

目前在無線電監(jiān)測領(lǐng)域常用的主要有短波測向設(shè)備和超短波測向設(shè)備。短波測向設(shè)備的工作波段要求向下往中長波波段擴展，典型的工作頻率范圍是100kHz(或10kHz)～30MHz，超短波測向設(shè)備的工作波段要求向下與短波波段有一段重合區(qū)域(20～30MHz)，向上盡可能往微波的高波段擴展,典型的工作頻率范圍是20～500(或1000～1300)MHz和1300～3000MHz。

3)根據(jù)運載方式的不同進行分類

根據(jù)測向設(shè)備的運載方式不同，通?？梢苑譃榈孛婀潭ㄊ胶鸵苿邮絻纱箢?。移動式測向設(shè)備又有便攜式(背負式)、車載式、機載式、艦載式、衛(wèi)星搭載式等多個種類。地面固定式測向設(shè)備通常工作在短波以下波段，用于對遠距離電臺的測向定位。其測向天線有較多的陣元和較大的孔徑，固定架設(shè)在一個視野比較寬闊、地面平整的陣地上。這種測向設(shè)備常稱為大基礎(chǔ)測向設(shè)備(天線陣尺寸比工作波長大得多)，它具有測向靈敏度高、測向精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，有的還可以對多個方位同時到達的同頻或近頻來波信號進行測向。移動式測向設(shè)備中的便攜式、車載式、機載式等通常是小基礎(chǔ)測向設(shè)備，其天線體系尺寸小，比較輕便靈活，便于移動，但它的測向精度和靈敏度等指標一般來說不如大基礎(chǔ)測向設(shè)備。

機載移動式測向設(shè)備可以對固定位置的目標電臺實現(xiàn)單站定位，如圖5-3所示。監(jiān)測飛機繞戰(zhàn)區(qū)前沿上空航行，若在t1時刻飛機處于航線的A點，此時對目標電臺T測向得到的示向度為f1；在t2時刻處于航線的B點，此時測得的示向度為f2；在t3時刻處于航線的C點，此時測得的示向度為f3；

……；依此類推，在整個航程中可以在很多個航跡點對目標T進行測向。在不存在測向誤差的理想情況下，各次測量所得示向度線將相交于目標電臺所處的坐標位置，考慮到

圖5-3機載測向設(shè)備的單站測向定位示意圖實際測向誤差的影響，各次測量所對應(yīng)的示向度線無法交于一點，而是兩兩相交于某一個區(qū)域范圍，若采用合適的數(shù)學(xué)模型進行處理，仍然可以比較精確地確定目標電臺所處的坐標位置。

機載無線電測向設(shè)備的測向精度不受地理環(huán)境等因素的影響，且具有反應(yīng)速度快、機動靈活等優(yōu)點，加上飛機的升空增益，因此與地面工作的同類測向設(shè)備相比，具有更加優(yōu)越的性能。5.1.3無線電測向的主要用途

1.輻射源尋的

測向設(shè)備利用目標輻射源的到達方向信息，使所在的平臺朝輻射源所在的平臺位置移動，這就是利用無線電測向的輻射源尋的。其中目標輻射源的位置可以是已知的，也可以是未知的。

如果測向數(shù)據(jù)無誤差，則可以引導(dǎo)測向設(shè)備所在平臺沿最短的路徑對輻射源尋的，但實際測向設(shè)備總是不可避免地存在系統(tǒng)誤差和隨機誤差，因此尋的路徑會根據(jù)誤差的特性有所不同。隨機誤差的存在會使得尋的路徑不穩(wěn)定，但最終總會到達目標輻射源；系統(tǒng)誤差的存在使得尋的沿著一條對數(shù)螺旋路徑趨近輻射源，其中在測量點沿路徑的切線與直接到目標輻射源的連線之間的夾角就是測向機的系統(tǒng)誤差值，如圖5-4所示。圖5-4存在測向誤差情況下的對數(shù)螺旋線

2.導(dǎo)航

無線電導(dǎo)航是根據(jù)移動測向設(shè)備對已知位置目標輻射源的測向數(shù)據(jù)，引導(dǎo)測向設(shè)備所在的平臺沿所要求的路徑航進。其過程是一個簡單的測向和方位數(shù)據(jù)比較過程，通過對已知位置的輻射源測向，來估計自身位置是否位于某一指定的航線上，或根據(jù)其測向數(shù)據(jù)來修正當前航向與規(guī)定航線的偏離量。這里輻射源的位置不是測向設(shè)備所在平臺的航程終點，而只是為其航程提供參考方向。

3.交會定位

交會定位包括后方三角交會定位、平面三角交會定位和垂直三角交會定位。

后方三角交會定位是根據(jù)測向設(shè)備對已知位置的多個輻射源所測得的方位數(shù)據(jù)反過來進行定位，確定測向設(shè)備所在平臺自身的坐標位置。這種方式早期常用于車、船及其他機動臺站的自身定位，近期已逐步被GPS定位技術(shù)所替代。

平面三角交會定位是根據(jù)分散在多個已知位置的固定測向設(shè)備對目標輻射源的靜態(tài)方位測量數(shù)據(jù)進行交會定位，或根據(jù)能實時測定自身位置的單個移動測向設(shè)備對目標輻射源的動態(tài)方位測量數(shù)據(jù)進行交會定位，確定該輻射源的地理位置。垂直三角交會定位的應(yīng)用之一是在測得天波信號的到達水平方位角和仰角，并已知天波折射點電離層高度的情況下，確定輻射源的位置。這種定位方式也稱為單站定位，只適用于天波信號，要求測向系統(tǒng)同時能夠測量來波的水平方位角和仰角，并需要提供天波折射點電離層高度的精確值。垂直三角交會定位的應(yīng)用之二是根據(jù)機載測向設(shè)備對地面輻射源測得的水平方位角和俯角及測向設(shè)備所在平臺(飛機)的高度進行定位，確定目標輻射源的地理位置，這種定位方式又稱為AZ/EL測向定位法。

在無線電監(jiān)測中，無線電測向的直接目的就是測定干擾發(fā)射臺的方位并利用交會定位確定其地理位置。

5.2測向設(shè)備的主要性能指標

1.測向準確度

測向準確度是指測向設(shè)備所測得的來波示向度與被測輻射源的真實方位之間的角度差，一般用均方根值表示。要求測向準確度越高越好，或者說要求測向誤差越小越好。在實際考察測向設(shè)備的測向準確度指標時，有一個因素需要引起足夠的注意，這就是對測向場地的要求。通常在給出測向準確度指標時都注明為標準場地測量條件，而測向設(shè)備在實際使用中，其天線周圍的場地環(huán)境很難達到指標中所要求的標準場地條件，因此實際測向準確度比指標中給出的往往會低一些。指標中給出的測向準確度通常用符號Dq表示。就現(xiàn)階段無線電測向技術(shù)的發(fā)展水平而言，普通的最小信號法測向體制所能達到的測向準確度通常為Dq=3°～5°，比幅法測向體制所能達到的測向準確度通常為Dq=2°～3°，而采用多普勒法或干涉儀法等較新體制的測向設(shè)備，其測向準確度可以達到Dq=0.5°～1.5°。相對來說，工作在超短波波段的測向設(shè)備較之工作在短波波段的測向設(shè)備更容易達到較高的測向準確度。

2.測向靈敏度

測向靈敏度有時也稱為測向接收靈敏度，它是指在規(guī)定的測向誤差范圍內(nèi)，測向設(shè)備或系統(tǒng)能測定輻射源方向的最小信號的場強或功率。

測向靈敏度是一個與信噪比有關(guān)的指標，在給出測向靈敏度指標時要同時注明對信噪比的要求。一般來說，測向天線在接收來波信號的過程中也不可避免地附加接收了噪聲，引起信噪比的降低。測向信道接收機的內(nèi)部噪聲也會進一步引起信噪比的降低。如果信道接收機輸出信噪比低到一定的程度，使得送到方位信息處理單元信號中的來波信號部分甚至全部淹沒在噪聲中，則方位信息處理單元將無法得到正確的來波方位數(shù)據(jù)，引起超出測向準確度指標要求的測向誤差。

3.工作頻率范圍

工作頻率范圍是指測向設(shè)備在正常工作條件下從最低工作頻率到最高工作頻率的整個覆蓋頻率范圍，亦稱測向設(shè)備的頻段覆蓋范圍。目前對測向設(shè)備工作頻率范圍的要求是能夠覆蓋某完整的波段，并對相鄰波段有一定的擴展。如短波測向設(shè)備要求能夠覆蓋10kHz～30MHz的整個中長波到短波的頻率范圍，并與超短波的低波段在工作頻率上有重疊。對超短波測向設(shè)備要求能夠覆蓋20～1000MHz(或1300MHz)的整個VHF和UHF波段。對微波測向設(shè)備則要求能夠覆蓋1～18GHz(或26.5GHz)的微波高波段。測向設(shè)備的工作頻率范圍主要取決于測向天線的頻率響應(yīng)特性和信道接收機的工作頻率范圍。有時信道接收機能夠覆蓋某一寬闊的頻率范圍或整個波段，而單副測向天線在對應(yīng)頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)特性達不到指標要求，這時就需要采用多副測向天線來分別覆蓋各個對應(yīng)的子波段，最終實現(xiàn)對全波段的頻率范圍覆蓋。這種方式在超短波以上波段的測向設(shè)備中使用得非常普遍，例如在20～1000MHz(或1300MHz)的整個VHF和UHF波段通常需要三副測向天線來覆蓋。例如，R&S公司的DDF195測向機，HF頻段測向天線ADD119的工作頻率范圍為0.5～30MHz，VHF/UHF頻段測向天線ADD195的工作頻率范圍為20～1300MHz，UHF頻段測向天線ADD071的工作頻率范圍為1300～3000MHz。

4.處理帶寬和頻率分辨力

不同體制和調(diào)制樣式的無線電通信信號，通常占據(jù)不同的信號帶寬，這就要求測向信道接收機能夠選擇不同的處理帶寬與之相適應(yīng)。另外，測向設(shè)備在搜索狀態(tài)下工作時，通常希望有較寬的處理帶寬，以提高截獲概率，而在測向狀態(tài)下又希望有與目標信號相適應(yīng)的盡量窄的帶寬，便于濾除帶外干擾，達到最佳的測向效果。

測向設(shè)備的處理帶寬主要取決于信道接收機的中頻選擇性，也就是中頻濾波器的帶寬。目前短波波段信道接收機的中頻選擇帶寬有18kHz(10kHz)、6kHz、3kHz、±2.8kHz(對應(yīng)于上、下邊帶信號的測向)、1kHz、300Hz等多個檔次可供選擇。而超短波波段信道接收機的中頻選擇帶寬有150kHz、50kHz、25kHz、12.5kHz、6kHz等多個檔次可供選擇。頻率分辨力是衡量測向設(shè)備從頻率上選擇區(qū)分兩個相鄰近信號的能力。對于早期的人工聽覺測向設(shè)備來說，它是靠測向操作員的人耳聽辨來對目標信號進行測向的，對于同時進入信道接收機的兩個信號，如果彼此有幾十赫茲的頻率間隔，則通過聽辨可以有效地區(qū)分開來，當然其頻率分辨力與測向員的聽辨能力有關(guān)；對于近期的視覺顯示測向設(shè)備來說，其頻率分辨力主要取決于測向設(shè)備的最小處理帶寬或信道接收機中頻選擇帶寬的最小值及其中頻濾波器的矩形系數(shù)。實際工作時可以在調(diào)整信道接收機工作頻率的過程中，利用選擇中頻濾波器的帶寬來區(qū)分兩個在頻率上相鄰近的信號，在這種情況下，測向設(shè)備的頻率分辨力就主要取決于中頻濾波器的矩形系數(shù)。對于現(xiàn)代采用FFT技術(shù)的測向設(shè)備，其頻率分辨力主要取決于FFT譜線間隔與選用的FFT窗函數(shù)。一般來說，無線電測向設(shè)備很少采用空域上具有尖銳方向特性的天線，主要靠頻率上的選擇性來區(qū)分密集復(fù)雜電磁信號環(huán)境中的不同來波信號，因此測向設(shè)備的通帶選擇性和頻率分辨力是其重要的性能指標之一。

5.可測信號的種類

可測信號的種類在測向設(shè)備的指標中簡稱可測信號，它說明測向設(shè)備可以對哪些種類的信號進行正常測向，除此之外的信號則無法正常測向。測向設(shè)備可測信號的種類主要受測向信道接收機體制和解調(diào)能力的制約，在某些情況下也與測向天線及測向設(shè)備的體制有關(guān)。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展，信號的調(diào)制方式越來越多，也越來越復(fù)雜，特別是在軍用無線電通信中，作為通信的一方為了防止信息傳輸過程被敵方偵察截獲和干擾，采取了許多技術(shù)措施，形成了各種具有很強抗偵察截獲、抗干擾能力的通信體制和信號樣式，如猝發(fā)通信、擴頻通信、跳頻通信等。無線電測向技術(shù)要適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展，首先要適應(yīng)各種信號樣式的變化，也就是要求測向設(shè)備對各種體制不同樣式的無線電信號都能自動或手動地選擇相應(yīng)的解調(diào)方式和其他技術(shù)措施，達到正常測向之目的。根據(jù)測向設(shè)備可測信號的種類來劃分，目前有對常規(guī)無線電信號進行測向的常規(guī)體制測向設(shè)備和對擴頻、跳頻等特殊體制無線電信號進行測向的特種體制測向設(shè)備。但實際上

常規(guī)體制測向設(shè)備并不是對所有的常規(guī)無線電信號都能進行測向，通常只能對其中的某一部分信號進行測向。特種體制的測向設(shè)備，例如對付跳頻通信的測向設(shè)備也不是對所

有的跳頻通信信號都能夠正常測向，而只是對某一速率范圍內(nèi)的信號可以進行正常測向。例如，美國Zeta公司生產(chǎn)的Z7000測向設(shè)備屬于常規(guī)體制的無線電測向設(shè)備，它能對CW、AM、FM、PSK、FSK等常規(guī)無線電信號進行測向，選配適當?shù)慕庹{(diào)器后才可以對SSB、ICW(連續(xù)等幅波)信號和脈沖信號進行測向。測向設(shè)備可測信號的種類從某種意義上說是衡量其技術(shù)先進性的重要指標，如果可測信號的種類覆蓋了當前各種最新體制的無線電信號樣式，并且在關(guān)鍵指標上能達到當前最高標準，例如對付跳頻通信的測向設(shè)備能夠適應(yīng)當前跳頻電臺的最高跳速，則這種測向設(shè)備就具有無可爭辯的先進性。

6.抗干擾性

測向設(shè)備的抗干擾性指標包括兩個方面的內(nèi)涵，其一是衡量測向設(shè)備在有干擾噪聲的背景下進行正常測向的能力，通常用測向設(shè)備在正常測向條件下所允許的最小信噪比來衡量；其二是衡量測向設(shè)備在干擾環(huán)境中選擇信號、抑制干擾的能力，它用信號與干擾同時進入測向信道接收