無線電監測測向系統測向精度試驗數據的分析方法

陳嘉慶，李新利，郭 雙

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

1 引言

在無線電監測測向系統的電性能指標測試中，為了對測向系統測向精度的性能指標進行測試和評估，在行業、國家和國際層面都推出了專門的測試要求和方法。在具體的實踐中，大多數標準只是規定了整個系統指標的測試方法，但在實際試驗中獲取的試驗數據包含有豐富的信息值得進一步分析和挖掘。本文將以國標為基準，結合部分實例對測向精度的試驗數據進行多維度的數據處理，期待發掘出數據的更豐富價值，更全面反映被測系統的性能特點和潛在問題，進而推動相關技術的不斷進步。

2 測向精度測試數據的基本處理方法

根據GB/T34089-2017《VHFUHF無線電監測測向系統開場測試參數和測試方法》中的規定，測向精度是指測向系統所測得的示向度與被測輻射源的真實方位之間的角度差。在實際測試中，整個測試的測試布局如圖1所示，被測系統置于一個可旋轉平臺上，通過對放置于遠端的發射系統發射的標準信號進行測向，獲取標準要求的所有測試方位（測向系統零度方位軸線按順時針方向到達轉臺中心點與發射天線相位中心點連線的夾角α）和測試頻率相對應的測向試驗數據。

圖1 測向系統測向精度場地布局

在獲取所有測試數據后，根據式（1）計算在相應測試方位αj（j=1，2，…，m，m為所有測試方位角的個數，后文相同）和測試頻率fi（i=1，2，…，n，n為所有測試頻率的個數，后文相同）的實測示向度αij與理論示向度（方位角αj）之差的絕對值，即為被測系統在方位角αj、頻率fi上的測向誤差，記為Δθij。（1）

根據式（2），計算所有方位角和所有頻率測向誤差的均方根值，記為被測系統的測向精度。系統測向精度是對被測系統測向功能一項重要的總體評估指標。（2）

3 被測系統的頻率測向穩定度

單頻點測向穩定度是指被測系統對某個頻率的標準信號（強度優于測向靈敏度20dB）測向時一組示向度讀數偏離均值的離散程度。對所有測試方位和頻率的單頻點測向穩定度進行統計，計算均方根值，記為被測系統的頻率測向穩定度。

在開闊場進行測向精度測試時，為保證結果的準確性，試驗通常對每個特定方位和特定頻率進行多次測向從而獲取多個示向度讀數作為一組數據，取該組數據的算術平均值作為該方位該頻點的實測示向度，記作αij。計算每一組數據與相應αij的均方差值，即可作為該頻點的測向穩定度。由于通常采樣點較少，采用的計算方法見式（3）。式中，p為一組數據的總個數；αk為該組數據中的一個示向度讀數值。（3）

通過對所有方位和頻率的測向穩定度進行統計，參考式（2）計算所有單頻點測向穩定度的均方根，記為被測系統的頻率測向穩定度。被測系統單頻點測向穩定度指標是與被測系統測向積分時間相關的。通常情況下，被測系統的測向積分時間應不大于2s，建議設置積分時間可為2s、1s、0.5s或不設置（實時值）。在穩定度相同的情況下，積分時間越短，被測系統性能越優。通常情況下，在標準開闊場對標準信號進行測向，系統的頻率測向穩定度應不大于0.5°，單頻點的測向穩定度最大應不超過1.5°，否則相應頻點應作為異常頻點特別記錄并單獨處理。對于被測系統結果采用自動優化為整數的情況，有可能統計的頻率測向穩定度為零，在這種情況下，被測系統的頻率測向穩定度指標可默認為0.5°。對于單個頻率沒有進行多個示向度數據采集的測試，該項性能則無需進行統計。

4 被測系統的頻域示向度偏差

測向示向度偏差是指某個實測示向度偏離理論示向度的差值。通過對特定頻率在所有方位的測向示向度偏差統計算術平均值，見式（4），記為被測系統在該頻率的示向度偏差。（4）通過這種方法對所有試驗頻率進行單獨統計后可以得到被測系統在工作頻段的測向示向度偏差，從而獲得被測系統在相應頻域的測向偏差特性。該數據對于判斷被測系統測向天線在各工作頻段的性能特性具有實際的參考價值，可以幫助廠商更有針對性地提高天線性能指標。以圖2為例，經過統計分析可知某被測系統的測向天線以1300MHz為界，在高低兩個工作頻段具有明顯不同的測向偏差。對于這種被測系統，可以肯定的是至少有一個頻段的測向系統需要進行校準操作，相應的后續數據分析都應據此分段進行，除非所有測試數據在校準后重新測試獲取。

圖2 測向系統頻域的示向度偏差實例圖

5 被測系統的方位示向度偏差

通過對某個方位所有頻率的測向示向度偏差進行算術平均值的統計，可以獲得被測系統在相應方位的示向度偏差，具體計算見式（5）。（5）通過對所有測試方位進行單獨統計后可以得到被測系統在不同方向上的測向示向度偏差特性。該偏差既有可能由被測系統的缺陷引起，也有可能由測試系統的誤差引入，因此需要根據計算結果進行具體的分析和處理。在通常情況下，如果各方位的測向誤差小于0.5°則可以忽略測試引入的誤差的因素，因為根據式（2）統計的被測系統的測向精度值不受影響（測試方位為24個，測向精度精確到0.1°），因此可以忽略不計。如果測向誤差大于0.5°則需要確認測試系統是否存在偏差，包括轉臺控制與傳感系統準確度、被測系統的布置準確度（通常包括被測系統測向天線的相對零度與測試系統方位零度是否重合、測向天線中心投影點偏離轉臺中心點引起的偏心角誤差）和發射系統布置引入偏差等。如果能夠確認為測試系統引入的誤差，則需要對式（1）中的理論示向度αj進行修正，重新計算被測系統的測向誤差。以圖3為例，這是一個典型的因測向天線中心點偏離轉臺中心點引起的偏心角誤差，應對各方位角給予相應的補償。

圖3 測向系統測向方位的示向度偏差實例圖

圖中實測偏差值是通過對實測數據進行統計得到的各方位測向示向度偏差值Δαj_avg，偏心角計算偏差值是通過對實際測試環境偏心距離的實測數據通過理論計算公式獲得的方位偏差值Δβj，通過對理論示向度αj進行偏心角修正補償，可以更準確地體現被測系統的測向精度特性。

6 被測系統的系統示向度偏差

對于被測系統各方位示向度因具有共性的原因引入且具有相同量級的測量偏差記為系統示向度偏差。通過式（5）計算的各方位示向度偏差實際上既包含有可能存在的各方位量級相異的偏心角偏差（記作Δβj）和轉臺轉動隨機偏差（記作Δαj）之外還包含有可能存在的系統示向度偏差（記作Δαavg），該偏差可能為被測天線單元物理安裝不準確而引入的偏差、被測系統電子羅盤校準錯誤引入的偏差或是被測系統初始校準錯誤而引入的其他可能偏差，且該偏差可通過統一的校準調整進行消除。通過式（6）計算，可以得到一個被測系統的系統示向度偏差。

從圖3的案例可以發現，實測偏差與經實測數據計算獲得的理論偏差值之間還存在一個均值偏差。通過式（6）計算系統示向度偏差可得，圖3案例的實測方位示向度偏差中還包含有一個量級為-0.8°的系統示向度偏差。經過對測試環境的實測，確認該誤差屬于測試系統初始零度與轉臺零度對準精度不足而引入的誤差，因此需要結合偏心角誤差共同對參考方位角進行補償。對于所有由于測試系統引入的偏差，應在確認后對測向理論示向度進行修正補償，相應的式（1）則可采用修正式（7），修正后的測向誤差記為Δθij'。（7）由于各方位示向度偏差包含有大部分的測向偏差因素，因而通過利用各方位示向度偏差直接對理論示向度進行補償的方法是比較簡單和方便的，見式（8）。但這種方法是通過統計數據獲得，不但包含有需要補償消除的測試系統引入偏差，而且還可能包含有不應被消除的被測系統本身引入偏差，因此在國標測試體系中只有在Δαavg較小時可以考慮等同采用。（8）

7 被測系統各方位的測向精度

經過對理論示向度進行補償計算后，通過單獨對每個方位的所有頻率測向誤差進行統計，可以獲得被測系統對于每個方位的測向精度性能，具體計算見式（9）。該數據可以在空間維度上反映出被測系統相應方位的各測向單元的準確程度或是測向樣本質量。（9）

一般來說，如果測試數據中個別方位的測向精度相較其他方位測向精度數據相差較大而其他大部分方位的數據正常，應傾向于判斷被測系統相應方位的測向單元出現問題，包括接收性能或是測向樣本等。通過對相應方位的重復測試進行確認，如果重復再現相同的測試結果則判定為被測系統問題，記錄相關方位和頻率數據為異常點，留待廠商進一步核查。

8 被測系統頻域的測向精度

經過對理論示向度進行補償計算后，通過單獨對所有方位的某個頻率測向誤差進行統計，可以獲得被測系統在工作頻段的測向精度性能，具體計算見式（10）。該數據可以在頻域維度上反映出被測系統測向性能的精準程度或是測向樣本質量。

9 被測系統的修正測向精度

經過以上分析，如果測試系統引入了較大的測試方位偏差，在該偏差被修正后，被測系統的測向精度指標可根據式（11）進行修正計算。（11）此外，在國際標準ITU-R SM.2060-0建議書中也引入了修正測向精度的概念，并采用式（12）對測向精度進行了修正，但在實際的演算中，該公式的修正結果是值得商榷的。（12）綜合分析，本文認為在一般情況下，通過式（1）和式（2）計算的測向精度值反映了被測系統的測向精度性能；在特殊情況下由于測試系統引入測向偏差時，通過式（6）、式（7）和式（11）計算修正的測向精度值可以更準確地反映被測系統測向精度性能；在被測系統引入較大系統測向偏差的情況下，通過式（6）、式（8）和式（11）計算測向精度值，并采用“Δαavg±Δθrms'”的方式表示被測系統測向精度將更為全面和準確，更方便于后續的校正與應用。

10 結束語

本文對UHF/VHF監測測向系統在標準開闊場中進行的測向精度試驗數據進行了多維度分析，并對分析結果的使用提出了相關的建議。本文僅從實踐的角度對測試數據的潛在價值提供了一些思路和方法，以便于更好地利用測試數據為被測系統和用戶服務，便于測試數據的使用者更清晰地了解測試結果的判讀方法。當然，偏頗或不足難免，敬待行業內的專家和同行加以指正，謹希望本文能夠引起更多對無線電監測測向系統檢測試驗數據的重視和進一步發掘，達到推動無線電監測測向系統技術進步的最終目的。