中短波廣播信號(hào)實(shí)用測(cè)向技術(shù)及實(shí)踐

王瑞芳

國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái)　內(nèi)蒙古　呼和浩特市　010070

?

中短波廣播信號(hào)實(shí)用測(cè)向技術(shù)及實(shí)踐

王瑞芳

國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái)內(nèi)蒙古呼和浩特市010070

【摘要】本文通過(guò)分析中短波廣播信號(hào)的技術(shù)特點(diǎn)以及從測(cè)向原理的角度說(shuō)明了不同測(cè)向體制的特點(diǎn)和主要技術(shù)指標(biāo)，并研究了干擾環(huán)境下的測(cè)向技術(shù)和實(shí)踐問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】中短波信號(hào)測(cè)向相關(guān)干擾

1　中短波廣播信號(hào)特點(diǎn)

1.1中短波的傳播特性

無(wú)線電波（簡(jiǎn)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(chǎng)向量和磁場(chǎng)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(chǎng)向量，Hy為沿Y軸的磁場(chǎng)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(yáng)活動(dòng)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(hào)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(zhǎng)距離的移動(dòng)服務(wù)，如海事和航空移動(dòng)服務(wù)。但大部分信道未分配，且短波通信源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，因此短波信道十分擁擠；使用頻率服從頻率預(yù)測(cè)或因避開(kāi)干擾而調(diào)整，可能對(duì)固定分配的信道產(chǎn)生干擾，經(jīng)常發(fā)生多個(gè)發(fā)射源在一個(gè)信道或在相同的頻率上，對(duì)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(chǎng)強(qiáng)如與地波場(chǎng)強(qiáng)比較接近，這些地區(qū)的接收?qǐng)鰪?qiáng)為天波與地波場(chǎng)強(qiáng)的矢量和。由于天波信號(hào)的不穩(wěn)定性，即天波場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)不穩(wěn)定，呈現(xiàn)為時(shí)大時(shí)小的衰落現(xiàn)象，接收信號(hào)亦是不穩(wěn)定的，很難以保證收聽(tīng)。

1.2中、短波廣播信號(hào)特點(diǎn)

為了廣播的覆蓋面，中、短波廣播信號(hào)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(shí)間長(zhǎng)、發(fā)射功率大，調(diào)制方式多是AM不同的電臺(tái)經(jīng)常相互重疊，導(dǎo)致同信道干擾，現(xiàn)代短波接收、測(cè)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(cè)向技術(shù)

2.1概述

測(cè)向（Direction Finding）是測(cè)量出無(wú)線電波輻射源的方位。利用無(wú)線電測(cè)向可以確定輻射源的位置，稱為定位。通過(guò)測(cè)向和定位可以幫助我們輔助收測(cè)，判斷停播。無(wú)線電頻譜收測(cè)，可以確定對(duì)象臺(tái)方位發(fā)射地點(diǎn)和變化情況等。

測(cè)向的結(jié)果用方位角（或簡(jiǎn)稱方位）表示，方位角范圍為0°～360°，從正北開(kāi)始順時(shí)針?lè)较蛴?jì)算。測(cè)向地點(diǎn)測(cè)出的方位以該測(cè)量地點(diǎn)與地球北極之間的連線作為參考線。在一個(gè)地點(diǎn)上測(cè)向，通常只能測(cè)量出電波輻射源的方位，如需要測(cè)量出電波輻射源的位置，需在兩個(gè)或兩個(gè)以上地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)兩地測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，可確定所測(cè)輻射源位置。通過(guò)兩地測(cè)向確定輻射源位置示意，如圖2所示。設(shè)A、B兩地所測(cè)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(diǎn)位置（P），即為所測(cè)輻射源的位置。由此可見(jiàn)，如兩個(gè)測(cè)向臺(tái)位置與輻射源位置在一條直線上，則兩個(gè)測(cè)向臺(tái)測(cè)量結(jié)果將找不出一個(gè)交點(diǎn)。因此，在測(cè)量輻射源位置時(shí)應(yīng)適當(dāng)選擇測(cè)量地點(diǎn)的位置。

圖2　兩地測(cè)向確定輻射源位置

2.2測(cè)向基本原理

測(cè)向基本原理是基于假設(shè)電波的輻射源至測(cè)量點(diǎn)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(gè)假想的平面，在同一波前平面上的各點(diǎn)，電波的相位均相同。測(cè)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(gè)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(cè)向，但從實(shí)用上考慮則多采用專用的測(cè)向天線。測(cè)向天線按照利用接收信號(hào)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(lái)定向的稱為最低靈敏度測(cè)向，環(huán)形天線與愛(ài)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(lái)定向的稱為最大靈敏度測(cè)向，八木天線與對(duì)數(shù)周期天線屬于這一類。

2.3短波測(cè)向技術(shù)體制比較

2.3.1多普勒測(cè)向體制特點(diǎn)

多普勒測(cè)向體制的測(cè)向原理：依據(jù)電波在傳播中，遇到與它相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)向天線時(shí)，被接收的電波信號(hào)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，測(cè)定多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移，可以確定來(lái)波的方向。

多普勒測(cè)向體制的特點(diǎn)：可以采用中、大基礎(chǔ)天線陣，測(cè)向靈敏度和準(zhǔn)確度高，沒(méi)有間距誤差，極化誤差小，可測(cè)仰角，有一定的抗波前失真能力。多普勒測(cè)向體制的缺點(diǎn)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生測(cè)向誤差。該體制尚在發(fā)展之中，改進(jìn)會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，造價(jià)會(huì)隨之升高。利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)向具有許多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到較為廣泛的應(yīng)用。

2.3.2沃森-瓦特測(cè)向特點(diǎn)（Watson-Watt）

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

Watson-Watt測(cè)向技術(shù)主要特點(diǎn)和實(shí)用意義如下：（1）是速度最快的測(cè)向技術(shù)體制，能對(duì)脈沖和擴(kuò)譜信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，稱得上瞬時(shí)測(cè)向體制；（2）可實(shí)現(xiàn)寬帶測(cè)向；（3）小基礎(chǔ)測(cè)向，天線尺寸小，在車載、移動(dòng)測(cè)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(jì)測(cè)向技術(shù)特點(diǎn)

空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)的振幅測(cè)向法和相位測(cè)向法的全新測(cè)向方法，它是近三十年在經(jīng)典譜估計(jì)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種以多元天線陣結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)的新型測(cè)向技術(shù)?？臻g譜估計(jì)測(cè)向就是將空間譜估計(jì)技術(shù)用于無(wú)線電測(cè)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(lái)波信號(hào)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(jì)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)來(lái)波的空間譜進(jìn)行估計(jì)，分析其能量的分布狀態(tài)，以確定空間來(lái)波的方向。由于它具有傳統(tǒng)測(cè)向方法所無(wú)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(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)主要特點(diǎn)和實(shí)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(cè)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(cè)向誤差和示向游動(dòng)的主要原因?？臻g譜估計(jì)算法可對(duì)2～3個(gè)多徑波束同時(shí)測(cè)向，把主波分離出來(lái)，從而提高測(cè)向精度和減小示向游動(dòng)。同理，同頻多址發(fā)射信號(hào)屬于非相干波，對(duì)于這類信號(hào)空間譜估計(jì)測(cè)向可以同時(shí)測(cè)出各個(gè)發(fā)射臺(tái)的來(lái)波方位。（2）對(duì)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(cè)向精度。測(cè)向理論和實(shí)踐證明大孔徑天線陣可以改善電波多徑傳播帶來(lái)的測(cè)向誤差和示向游動(dòng)，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(cè)向靈敏度。空間譜估計(jì)算法本身具有較高的處理增益，因此，在信噪比較低時(shí)仍能取得滿意的測(cè)向結(jié)果。（4）支持單站定位?？臻g譜估計(jì)測(cè)向能夠同時(shí)測(cè)出來(lái)波方位角和仰角，只需結(jié)合電離層參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)單站定位。（5）對(duì)硬件要求高。空間譜估計(jì)測(cè)向要求在同一時(shí)刻對(duì)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(jì)測(cè)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(hào)十分密集的短波頻段，波束形成為是監(jiān)聽(tīng)的關(guān)鍵性要求。

2.3.4相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)特點(diǎn)

相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)是在傳統(tǒng)干涉儀測(cè)向技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)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(hào)處理技術(shù)中的相關(guān)處理技術(shù)，與過(guò)去的干涉儀測(cè)向相比在性能上有了較大提高，近幾年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了大量應(yīng)用。

相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)主要特點(diǎn)和實(shí)用意義如下：（1）突破了原來(lái)的天線陣孔徑限制，可以采用大孔徑天線陣有效降低測(cè)向誤差，提高測(cè)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(cè)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(duì)信噪比要求不高，只要信號(hào)略高于干擾就能取得滿意的測(cè)向結(jié)果。采用FFT技術(shù)后，靈敏度提高至少10dB；空間譜估計(jì)算法因?yàn)樗惴◤?fù)雜，目前采用FFT是困難的。（3）降低了對(duì)硬件的幅度相位一致性要求。相關(guān)算法的實(shí)質(zhì)是把實(shí)際測(cè)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(jì)算時(shí)基本消除這類誤差。當(dāng)天線陣的個(gè)別陣元損壞和多波道接收機(jī)的個(gè)別信道出現(xiàn)故障時(shí)也不會(huì)對(duì)測(cè)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(cè)向陣，有利于抗干擾、分辨同信道多信號(hào)測(cè)向（2個(gè)），并且有利于天波接收和測(cè)向。（5）干涉儀測(cè)向體制比譜估計(jì)測(cè)向體制的測(cè)向速度快，可以實(shí)現(xiàn)寬帶測(cè)向，短波雷達(dá)信號(hào)是脈沖調(diào)制（寬帶調(diào)制）的HF信號(hào)，ESMERALDA成功的測(cè)向定位；毫秒級(jí)的測(cè)向速度，利用來(lái)波信號(hào)的時(shí)間差異可以分辨不同來(lái)波的方向。意味著無(wú)線電測(cè)向領(lǐng)域，譜估計(jì)測(cè)向不能獨(dú)霸HF測(cè)向的天下。

2.3.5烏蘭韋伯爾測(cè)向體制特點(diǎn)

烏蘭韋伯爾測(cè)向體制的測(cè)向原理：采用大基礎(chǔ)測(cè)向天線陣，在圓周上架設(shè)多付測(cè)向天線，來(lái)波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)饋送給接收機(jī)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)，旋轉(zhuǎn)合差方向圖，測(cè)找來(lái)波方向。

烏蘭韋伯爾測(cè)向體制的特點(diǎn)：由于采用大基礎(chǔ)天線陣，測(cè)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(cè)綜合利用。由于烏蘭韋伯爾測(cè)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(kāi)闊的天線架設(shè)場(chǎng)地，無(wú)疑增加了造價(jià)和工程建設(shè)的難度。帶來(lái)的問(wèn)題是造價(jià)高，測(cè)向場(chǎng)地要求高。

3　無(wú)線電測(cè)向的應(yīng)用

無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)的應(yīng)用在三個(gè)方面：（1）測(cè)定未知輻射源方向和位置的測(cè)向系統(tǒng)。測(cè)向站（臺(tái)）可以是固定的，也可能是移動(dòng)的。例如，在無(wú)線電頻譜管理中，對(duì)未知干擾源的測(cè)向與定位。（2）測(cè)定已知輻射源方向，用以確定自身位置的測(cè)向系統(tǒng)，測(cè)向機(jī)通常安裝在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)載體到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的測(cè)向系統(tǒng)，測(cè)向站（臺(tái)）可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。

無(wú)線電測(cè)向的應(yīng)用領(lǐng)域包括民用和軍用兩大方面。無(wú)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(dòng)等屬于前者；通信與非通信信號(hào)偵察、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)電子對(duì)抗與反對(duì)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(cè)向?qū)嵺`

測(cè)向已有近百年歷史，在短波移動(dòng)測(cè)向中Wat-son-watt占據(jù)統(tǒng)治地位。在短波固定站測(cè)向體制中，大孔徑天線陣是首要的選擇。當(dāng)測(cè)向天線陣形成許多尖銳的接收波束時(shí)，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(cè)向系統(tǒng)、TCI M-410監(jiān)聽(tīng)測(cè)向系統(tǒng)；MUSIC譜估計(jì)測(cè)向、FFT相關(guān)干涉儀測(cè)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(cè)向?qū)嵺`

無(wú)線電波在傳播路程上遇到反射體或二次輻射體，特別測(cè)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(chǎng)與直射波場(chǎng)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(cè)向誤差。該誤差數(shù)值和符號(hào)與對(duì)反射波相對(duì)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(cè)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(cè)向?qū)嵺`

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

4.3調(diào)制干擾誤差及測(cè)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(duì)分時(shí)取樣的測(cè)向體制都會(huì)帶來(lái)不利影響，產(chǎn)生測(cè)向誤差。對(duì)使用單通道接收機(jī)的幅度測(cè)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(cè)向體制易受頻率調(diào)制的影響。調(diào)制影響可通過(guò)天線陣的設(shè)計(jì)（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(cè)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(cè)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(cè)向機(jī)（系統(tǒng)）都是按接收某特定的極化方式設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)不能抑制對(duì)不需要的極化分量的接收，一般都會(huì)導(dǎo)致測(cè)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(cè)向體制不同，極化誤差也不一，除測(cè)向體制選擇外，一般采用只對(duì)一種極化接收的天線，并在設(shè)計(jì)制造中采取抑制寄生接收的措施，如譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)采用垂直極化接收的直立天線，譜估計(jì)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(yǔ)

綜上所述，相關(guān)干涉儀是近20年發(fā)展起來(lái)的采用復(fù)數(shù)電壓測(cè)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(cè)向天線，可以在寬頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高準(zhǔn)確度和高速度的測(cè)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(cè)信號(hào)強(qiáng)度比干擾信號(hào)高出3-5dB，幾乎不產(chǎn)生誤差；應(yīng)用FFT技術(shù)、測(cè)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(hào)的測(cè)向而言，ESMERALDA是合格的選擇，與譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)相比，最大的弱點(diǎn)是不具備多波束監(jiān)聽(tīng)能力。多波束監(jiān)聽(tīng)、測(cè)向綜合性要求而論“譜估計(jì)測(cè)向+波束形成”系統(tǒng)是一種選擇；“烏蘭韋伯測(cè)向+波束形成”系統(tǒng)是另一種更強(qiáng)勢(shì)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(tái)正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

【中圖分類號(hào)】TN931.2

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2096-0751（2016）05-0027-05

作者簡(jiǎn)介：王瑞芳國(guó)家新聞出版廣電總局203臺(tái)工程師