中短波广播信号实用测向技术及实践

王瑞芳

国家新闻出版广电总局203台　内蒙古　呼和浩特市　010070



中短波广播信号实用测向技术及实践

王瑞芳

国家新闻出版广电总局203台内蒙古呼和浩特市010070

【摘要】本文通过分析中短波广播信号的技术特点以及从测向原理的角度说明了不同测向体制的特点和主要技术指标，并研究了干扰环境下的测向技术和实践问题。

【关键词】中短波信号测向相关干扰

1　中短波广播信号特点

1.1中短波的传播特性

无线电波（简称电波）是电磁能量的一种形式，由发射天线发射电波的远处可看作为一平面波，它的电场向量和磁场向量互相垂直，两者又都垂直于传播方向，如图1所示。图中P为沿X轴方向传播的电波，EZ为沿Z轴的电场向量，Hy为沿Y轴的磁场向量。

图1　空间传播的平面波

短波传播是远程的、非视距的，短波传播因太阳活动周期、季节和昼夜条件而变化，短波传播主要依赖电离层反射，存在传播“寂静区”，由于传播的变化和随机性衰落，影响信号的稳定性。固定分配的信道集中在短波频率范围的少部分，所用的频率是各种广播和远距离、固定的永久性基地通信或长距离的移动服务，如海事和航空移动服务。但大部分信道未分配，且短波通信源远流长，因此短波信道十分拥挤；使用频率服从频率预测或因避开干扰而调整，可能对固定分配的信道产生干扰，经常发生多个发射源在一个信道或在相同的频率上，对天电干扰和工业辐射噪音敏感。

中波电波有沿地面传播的，亦有靠电离层反射传播的，但中波天波传播只能在晚间建立。夜间的中波天波场强如与地波场强比较接近，这些地区的接收场强为天波与地波场强的矢量和。由于天波信号的不稳定性，即天波场强的大小和相位为随机变化，因而天波和地波的合成场强不稳定，呈现为时大时小的衰落现象，接收信号亦是不稳定的，很难以保证收听。

1.2中、短波广播信号特点

为了广播的覆盖面，中、短波广播信号往往同频多址发射，信道频率间隔受限，发射带宽窄、发射时间长、发射功率大，调制方式多是AM不同的电台经常相互重叠，导致同信道干扰，现代短波接收、测向技术趋向于高分辨率处理技术，如采用FFT、MUSIC。

2　短波测向技术

2.1概述

测向（Direction Finding）是测量出无线电波辐射源的方位。利用无线电测向可以确定辐射源的位置，称为定位。通过测向和定位可以帮助我们辅助收测，判断停播。无线电频谱收测，可以确定对象台方位发射地点和变化情况等。

测向的结果用方位角（或简称方位）表示，方位角范围为0°～360°，从正北开始顺时针方向计算。测向地点测出的方位以该测量地点与地球北极之间的连线作为参考线。在一个地点上测向，通常只能测量出电波辐射源的方位，如需要测量出电波辐射源的位置，需在两个或两个以上地点同时进行测量，通过对两地测量结果进行计算，可确定所测辐射源位置。通过两地测向确定辐射源位置示意，如图2所示。设A、B两地所测方位角分别为θ1、θ2，把该两方位线画在一张合适的地图上，其交点位置（P），即为所测辐射源的位置。由此可见，如两个测向台位置与辐射源位置在一条直线上，则两个测向台测量结果将找不出一个交点。因此，在测量辐射源位置时应适当选择测量地点的位置。

图2　两地测向确定辐射源位置

2.2测向基本原理

测向基本原理是基于假设电波的辐射源至测量点的传播途径，是沿着直线或沿着大圆弧进行，且电波的波前平面垂直于电波传播方向。波前平面是一个假想的平面，在同一波前平面上的各点，电波的相位均相同。测向方法主要有两种，即定向天线法与相位调制法。定向天线法系利用定向天线具有接收某个方向电波特别强（或特别弱）的特性。从原则上讲各种定向天线都可用作测向，但从实用上考虑则多采用专用的测向天线。测向天线按照利用接收信号最弱或最强的不同，可分为最弱方向法与最强方向法两种。利用最弱方向来定向的称为最低灵敏度测向，环形天线与爱迪柯克（Adcock）天线属于这一类，这类天线的方向性在最弱方向上比在最强方向上更为尖锐。利用最强方向来定向的称为最大灵敏度测向，八木天线与对数周期天线属于这一类。

2.3短波测向技术体制比较

2.3.1多普勒测向体制特点

多普勒测向体制的测向原理：依据电波在传播中，遇到与它相对运动的测向天线时，被接收的电波信号产生多普勒效应，测定多普勒效应产生的频移，可以确定来波的方向。

多普勒测向体制的特点：可以采用中、大基础天线阵，测向灵敏度和准确度高，没有间距误差，极化误差小，可测仰角，有一定的抗波前失真能力。多普勒测向体制的缺点是抗干扰性能较差，如：遇到同信道干扰、调频调制干扰时，会产生测向误差。该体制尚在发展之中，改进会使系统变得复杂，造价会随之升高。利用多普勒效应进行测向具有许多优点，近年来得到较为广泛的应用。

2.3.2沃森-瓦特测向特点（Watson-Watt）

Watson-Watt是历史最久远、最优秀的小基础测向技术，它能提供瞬时到达角信息，其发明的目的是为了实现快速测向。近年来，由于采用了现代信号处理技术中的数字处理技术，与过去的Watson-Watt测向相比在性能上也有了较大提高，比如采用FFT的宽带瞬时测向速度是无可争议的。至今，Watson-Watt测向技术在HF移动测向仍居统治地位。

Watson-Watt测向技术主要特点和实用意义如下：（1）是速度最快的测向技术体制，能对脉冲和扩谱信号进行测向，称得上瞬时测向体制；（2）可实现宽带测向；（3）小基础测向，天线尺寸小，在车载、移动测向广泛应用；（4）在频率低端，其灵敏度更高。

2.3.3空间谱估计测向技术特点

空间谱估计测向技术是一种不同于传统的振幅测向法和相位测向法的全新测向方法，它是近三十年在经典谱估计理论基础上发展起来的，是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理技术为基础的新型测向技术。空间谱估计测向就是将空间谱估计技术用于无线电测向，其原理是根据天线阵中不同位置的阵元所接收到的空间来波信号的样本数据、天线位置参数和阵元的特性参数，应用现代谱估计理论和统计学理论及相应的数学模型，对来波的空间谱进行估计，分析其能量的分布状态，以确定空间来波的方向。由于它具有传统测向方法所无法具备的多波分辨能力因而备受推崇，尤其是在目前频段日益拥挤、电磁环境不断恶劣的条件下，更显示出其特有的优势和广阔的应用前景。

空间谱估计测向技术主要特点和实用意义如下：

（1）有多波分辨能力，能够对相干波和非相干波测向，可以有效克服由于电离层分布不均匀，电离层倾斜以及地形、地物、不同介质等造成的多径传播干扰。这种干扰是引起测向误差和示向游动的主要原因。空间谱估计算法可对2～3个多径波束同时测向，把主波分离出来，从而提高测向精度和减小示向游动。同理，同频多址发射信号属于非相干波，对于这类信号空间谱估计测向可以同时测出各个发射台的来波方位。（2）对天线阵孔径没有限制，可以采用大孔径天线阵进一步提高测向精度。测向理论和实践证明大孔径天线阵可以改善电波多径传播带来的测向误差和示向游动，与小孔径天线阵相比，至少改善两倍以上。（3）具有优良的测向灵敏度。空间谱估计算法本身具有较高的处理增益，因此，在信噪比较低时仍能取得满意的测向结果。（4）支持单站定位。空间谱估计测向能够同时测出来波方位角和仰角，只需结合电离层参数就可实现单站定位。（5）对硬件要求高。空间谱估计测向要求在同一时刻对所有天线阵元进行采样，因此，必需使用同频多信道接收机（信道数与天线阵元数相同），要求天线阵、电缆和接收机具备良好的幅度相位一致性。这是空间谱估计测向的主要不足。但是，信道数与天线阵元数相同，为波束形成提供了必要条件，在信号十分密集的短波频段，波束形成为是监听的关键性要求。

2.3.4相关干涉仪测向技术特点

相关干涉仪测向技术是在传统干涉仪测向技术基础上发展来而的，广泛应用于天文、雷达、声纳等领域。由于采用了现代信号处理技术中的相关处理技术，与过去的干涉仪测向相比在性能上有了较大提高，近几年来在国内外得到了大量应用。

相关干涉仪测向技术主要特点和实用意义如下：（1）突破了原来的天线阵孔径限制，可以采用大孔径天线阵有效降低测向误差，提高测向准确度；在短波频段，纯粹的干涉仪体制要求最小的孔径约5m，相关干涉仪体制要求最小的孔径约16m。（2）优良的测向灵敏度和抗干扰能力。相关处理算法本身具有处理增益，对信噪比要求不高，只要信号略高于干扰就能取得满意的测向结果。采用FFT技术后，灵敏度提高至少10dB；空间谱估计算法因为算法复杂，目前采用FFT是困难的。（3）降低了对硬件的幅度相位一致性要求。相关算法的实质是把实际测得的天线阵响应值与事先采集的样本值进行比较，如果将天线阵、电缆和接收机的不一致包含在样本值中，就能够在进行相关计算时基本消除这类误差。当天线阵的个别阵元损坏和多波道接收机的个别信道出现故障时也不会对测向结果产生大的影响。（4）可用正交环形天线元组成测向阵，有利于抗干扰、分辨同信道多信号测向（2个），并且有利于天波接收和测向。（5）干涉仪测向体制比谱估计测向体制的测向速度快，可以实现宽带测向，短波雷达信号是脉冲调制（宽带调制）的HF信号，ESMERALDA成功的测向定位；毫秒级的测向速度，利用来波信号的时间差异可以分辨不同来波的方向。意味着无线电测向领域，谱估计测向不能独霸HF测向的天下。

2.3.5乌兰韦伯尔测向体制特点

乌兰韦伯尔测向体制的测向原理：采用大基础测向天线阵，在圆周上架设多付测向天线，来波信号经过可旋转的角度计、移相电路、合差电路，形成合差方向图，而后将信号馈送给接收机。通过旋转角度计，旋转合差方向图，测找来波方向。

乌兰韦伯尔测向体制的特点：由于采用大基础天线阵，测向灵敏度、准确度和分辨率高，抗波前失真、抗干扰性能好，可以提供监测综合利用。由于乌兰韦伯尔测向机要求数十根天线、馈线电特性完全一致，加之角度计设计、工艺要求高，以及需要大面积平坦开阔的天线架设场地，无疑增加了造价和工程建设的难度。带来的问题是造价高，测向场地要求高。

3　无线电测向的应用

无线电测向系统的应用在三个方面：（1）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。（2）测定已知辐射源方向，用以确定自身位置的测向系统，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。（3）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。

4　在干扰环境中的测向实践

测向已有近百年历史，在短波移动测向中Wat-son-watt占据统治地位。在短波固定站测向体制中，大孔径天线阵是首要的选择。当测向天线阵形成许多尖锐的接收波束时，具有同波（相干或非相干干扰）分辨能力，如乌兰韦伯大基础测向系统、TCI M-410监听测向系统；MUSIC谱估计测向、FFT相关干涉仪测向都具有相干或非相干干扰分辨能力。

4.1相干干扰误差及测向实践

无线电波在传播路程上遇到反射体或二次辐射体，特别测向天线附近的反射体或二次辐射体，都产生相干的反射波。反射波场与直射波场相干，造成直射波的原有等相位和等幅度线失真，进而导致测向误差。该误差数值和符号与对反射波相对直射波的方位、相位，以及发射频率变化特别敏感。增大天线孔径和矢量测向体制是克服相干干扰的有效技术。

4.2非相干干扰误差及测向实践

在测向通带内如出现非相干的干扰信号，也会造成测向误差，误差值与干扰信号的频域、时域差异、相对强度和方位有关。应用FFT相关干涉仪测向系统克服频域、时域和能量非相关信号的干扰是很有效的。

4.3调制干扰误差及测向实践

调制干扰具有非相干干扰的属性，是一种特殊的非相干干扰。一般讲，调制对分时取样的测向体制都会带来不利影响，产生测向误差。对使用单通道接收机的幅度测向体制，方向性图易受幅度调制影响，使用单通道接收机的多卜勒测向体制易受频率调制的影响。调制影响可通过天线阵的设计（如形成锐波束）、积分和增加参考通道补偿等方法减小。采用同频多信道接收机的测向方法和体制，并行取样调制影响一般很小，可以忽略。

4.4极化干扰误差及测向实践

极化干扰具有相干干扰的属性，是一种特殊的相干干扰。大部分测向机（系统）都是按接收某特定的极化方式设计的（绝大多数为接收垂直极化波），但由于发射不良，特别是经过传播途中的介质，如电离层反射或地形地物的影响，使电波极化变得复杂，一般变成线极化或椭圆极化波。如果这时不能抑制对不需要的极化分量的接收，一般都会导致测向误差，这种误差惯称极化误差。在同样极化分量的情况下，测向体制不同，极化误差也不一，除测向体制选择外，一般采用只对一种极化接收的天线，并在设计制造中采取抑制寄生接收的措施，如谱估计测向系统采用垂直极化接收的直立天线，谱估计算法决定着渗漏接收的水平极化分量不构成误差。

结束语

综上所述，相关干涉仪是近20年发展起来的采用复数电压测量和应用相关技术的新型数字式设备，它是大孔径测向天线，可以在宽频段内实现高灵敏度、高准确度和高速度的测向性能。相关干涉仪也有着较好的抗干扰分辨能力，当被测信号强度比干扰信号高出3-5dB，几乎不产生误差；应用FFT技术、测向速度、带宽和频率分辨力得以最佳匹配。单就中短波广播信号的测向而言，ESMERALDA是合格的选择，与谱估计测向系统相比，最大的弱点是不具备多波束监听能力。多波束监听、测向综合性要求而论“谱估计测向+波束形成”系统是一种选择；“乌兰韦伯测向+波束形成”系统是另一种更强势的选择。

审稿人：严志刚内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台正高级工程师

责任编辑：王学敏

【中图分类号】TN931.2

【文献标识码】A

【文章编号】2096-0751（2016）05-0027-05

作者简介：王瑞芳国家新闻出版广电总局203台工程师