淺析短波無線測向技術的發展和應用

沈利強

（國家廣播電視總局二〇一臺，新疆 昌吉 831100）

0 引言

隨著短波通信事業的不斷發展，需要不斷加強對短波頻譜資源合理規劃監測，減少短波干擾事件發生。為了整合和有效地使用有限的頻率資源以及保證短波通信的正常，通過測向查找發射干擾源尤顯重要。目前通過短波測向是分析和查找干擾信號的主要方式，本文通過探討不同測向技術方案在實際工作中的應用，分析了不同場景下測向技術的選取，并對測向誤差產生原因進行分析。

1 短波測向技術原理的分類

短波測向就是通過測量短波的特征參數，測量電波傳播的方向，進而確定其發射地所在方位。短波測向機理源于電磁波的性質，根據短波信號的結構特性以及短波信號的傳播方式，一般將短波信號測向方法分為以下幾大類：

第一類是在一個收測點，可以對短波信號的磁場分量和電場分量的場強方向進行測量，這一類型的短波測向的方法稱為場強測向法。由于此種測向方法操作過程耗費時間，并且在短波范圍存在極化誤差，所以目前幾乎很少使用。

第二類是找出波前的空間位置，即場強的等幅等相位面的位置，求其法線方向，由此推斷波的傳播方向。這種方法稱為波前法，或等幅等相位面法。由于此種測向方法的觀察點不再是一個點，而至少是兩個或者更多個觀察點。它或者是利用多幅天線，或者利用一副天線的多個要素，同時接受來波信號，并將其相加，利用信號合成的幅度來確定來波方向；或者利用多副位于不同等幅等相面的天線接收信號的相位差，或時間差，來確定來波方向；或者利用參考天線與運動天線在不同波前時，波的變化周期的變化來確定來波方向；或者利用多個位于不同波前的天線接收的信號的相位和幅度的處理，來確定來波方向等。

第三類是綜合分析法，它是利用短波電波信號，在某些區域內呈現的特征情況，來判斷來波方向的。具體地說它是利用空間的多陣元天線、多信道接收機、多路數據錄取和信號處理終端，將短波信號的幅度和相位綜合處理，求解空間電磁波頻譜能量在空間的分布狀態，由此確定來波方向。這種測向方法就是通常所說的空間譜測向法，或陣列處理測向法。

以上是按測向機理分類的三種最基本的確定電波傳播方向的方法。

目前使用干涉儀測向技術中的相關干涉儀測向其測向速度、抗干擾能力、示向度、信號靈敏度較好，具備設備性能的穩定、配置簡單等優點，是目前短波信號測向中主流之一。

2 常用短波測向技術

目前不同應用部門常有的幾種測量速度快且準確，信號反應靈敏、系統抗干擾能力強的短波測向技術方案，包括以下幾種：

2.1 沃特森—瓦特（Watson-Watt）測向法

測向原理：是通過幅度比較進行測向的。它采用特定的天線和特定的計算方法，不使用旋轉天線，就可以獲得來波示向度。

Watson-Watt 測向技術是歷史最久遠、最優秀的小基礎測向技術，與其先后問世的其它小基礎測向技術。Watson-Watt 測向技術近百年來在國內外一直得到了大量應用。由于采用了現代信號處理技術中的數字處理技術，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 測向。至今，Watson-Watt 測向技術在HF 移動測向中仍占有霸主地位。

Watson-Watt 測向技術主要特點和實用意義如下：

（1）是速度最快的測向技術體制，稱得上瞬時測向體制。

（2）可以實現寬帶測向。

（3）小基礎測向，天線尺寸小，在車載、移動測向中獲得廣泛應用。

2.2 空間譜估計測向法

測向原理：通過對多元天線陣接收的空中無線電信號進行放大、變頻、采樣模擬信號數字轉換后的數字信號進行數學處理來估計信號的來波方向。

空間譜估計測向技術特點：

（1）有多波分辨能力：能夠對相干波和非相干波測向。由于電離層的不均勻性和傾斜以及地形、地物、不同介質等造成的多徑傳播干擾（相干波）是引起測向誤差和示向游動的主要原因。

（2）對天線陣孔徑沒有限制：采用大孔徑天線陣進一步提高測向精度，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。

（3）優良的測向靈敏度：空間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果。

2.3 干涉儀測向法

測向原理：相位比較測向，即利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。

傳統的干涉儀測向過程中，因使用同一個基礎和基線，且基線長度D＜0.5λ，因此存在兩個問題：（1）天線陣的天線單元之間距離較近，單位之間存在相互耦合，造成測量相位結果差誤差偏離較大。（2）受到基礎基線自身的長度影響，測量信號工作的頻率范圍也受到受限。

為了處理測量中的上述問題，人們設計了各種天線陣型，在改進陣型設計的同時，一種改進后代的方案，使用相關干涉儀的測向法改進了傳統干涉儀中調整測向限制。相關干涉儀它不需要一組小于λ/2 的基線，陣元之間可以有較大的距離。通過使用有關技術處理后，可以有效降低不同天線單元間以及天線單元與傳輸的相互耦合，減少了耦合對測量值的影響。因此說相關干涉儀測向法是當前比較好的測向技術方案選擇。

3 測向技術方案的比較

為了便于比較，下面列出幾種測向速度在s 量級的測向系統的主要性能：沃特森—瓦特測向，精度中，靈敏度中，速度中等，具備2 個干擾信號可給出示向度，不能測仰角，價格較低；干涉儀測向，精度高，靈敏度中，速度快，能測仰角，價格中等；空間譜測向：干涉儀測向，精度最高，靈敏度中，速度中，抗干擾性能好，能測仰角，價格較高；精度分為中：誤差在3°～5°；較高：誤差在2°～4°；高：誤差約在1°～3°；最高：誤差約在1°。靈敏度分為中：5～10μV/m；高：1μV/m 左右。測向速度分為中：s 量級；高：ms 量級；最高：百μs 量級。

測向技術方案的選取，是不同業務應用部門，在不同的應用場景下的選擇，任何一種測向技術方案的工作模式、現場環境、任務要求都不完成相同，都直接影響到測向工作的各項性能指標，每種技術方案都存在不同程度的優點和缺陷，無法脫離工作實際，直接比較。因此，不同應用場景下選擇測向技術方案和測向相關系統設備時，做好項目需求分析很重要，要明確不同工作的需要和工作目標，根據需求目標范圍選取適當接收和測量系統。

4 短波測向特性

測向系統的誤差源，包括不同頻段的頻率，也包括發射源距離的遠近。從測向角度看，垂直極化地面波傳播影響最為廣泛。白天由于D 層吸收作用，天波極度衰減。夜間D 層吸收減小，天波顯著加大。天波和地面波互相干擾，結果發生衰落。天波和地面波干擾最厲害的距離是二者電場強度差不多大的地方。在短波（3～30MHz）頻段內，測向性能與距離有關，又依賴于所用的測向技術。

由于自然或人為物質和物體使地表電性能發生不連續的變化，會改變高頻地面波傳播的方向。接收到強且穩定的高頻地面波不等于示向度準確性就高。如果誤差確實存在，減小誤差的最佳方法就是從多個分散的測量點對高頻地面波目標信號獲取示向度。

5 短波測向的各種應用及方法

在實際短波工作中測向分為：固定站和移動站，通常短波測向是測定電波來波方向，工作目標是明確發射點的位置，找到并排除干擾，通常需要以幾個位置不同的測向點，形成多點組網，測向時各測向站的示向度（線）進行交匯。對應天波信號需測量來波信號的仰角，結合仰角反射電離層高度等參數計算來波大圓距離，同時使用測向示向度和大圓距離初步判斷方位，實際工作中要測量未知發射點的具體位置，往往需要完成由遠而近分步交匯，以逐步實現接近和確定發射點的輻射位置。

如果特殊情況出現需要單站定位時，通過資料查閱可能發射臺發射點位置，結合世界短波無線電相關資料和國際高頻協調組織給出的歷年來，世界各地區關于短波電臺發射地點短波頻率表資料查閱相關電臺方位角，初步明確測向目標范圍。同時采用提升測量單站的質量評估，來提高測量準確度。測向軟件測量結果的可信度是由質量記分來決定的，記分越高，該頻率的信號強度越強，則測量數值的可信度就越高。

6 短波測向中各種誤差分析

通過分析各種短波測向數據，發現有部分頻率所測示向度與參考示向度差距較大，其存在的原因總結如下：

（1）測量誤差：日常收測時，由于采用不同日期多次復測，弱信號通常會出現信號方位反復變化情況，由于每次讀取數據時不同測量者的人為選擇差異，導致測向結果的個體差異。此外再加上個人主觀因素，在讀數期間也會導致誤差的存在。通常需要大量數據進行反復支撐和校對。

（2）信噪比誤差：正常播出頻率信噪比達到一定的數值才能獲得較好的播出質量。在實際收測時，個別頻段的背景噪聲過大，信噪比較低，造成測量數據不準確，或者是同一頻率在不同方向上存在多個小信號，都會導致測量數據不準確。例如，同一頻率連續播音3 h，前2 h 收測結果差別不大，到下一個小時，由于在該頻率其他靠近所收信號的方向有多個小信號，這就造成測量值偏差過大。

（3）測向系統交會判斷誤差：當測向系統還處于單站使用時，對于所收測頻率，只能判斷出大致的發射方向，并結合資料進行預估。后續需將數據聯網后，同其他測向站一同交會應用，從而可以判斷出對象臺發射點的準確位置。

（4）測量時間緊造成誤差：由于個別信號出現時間短，當出現突發信號時，預留的方位測量時間短；測向人員同時擔負了場強和示向度的測量任務；加之有部分頻率信號質量比較差，必須不斷調整頻率接收設置。針對這種情況，只有加強信號跟蹤，力爭多次校對測量，以便獲得準確的數據。

7 結語

目前短波無線測向技術在不斷向速度快、靈敏度高、動態范圍大、可靠性強的方向進步，自動化、智能化、網絡化和小型化，多信道的信號監測和測向就成為發展的潮流，伴隨軟件無線電的發展，未來的測向將更加便捷。隨著短波無線通信事業的發展，無線電頻譜資源日趨緊張。為排除干擾，各種無線電測向技術的廣泛應用，將推動無線電通信的日益普及。測向技術將保護有序和可靠地利用有限的頻譜資源，確保無線電通信的暢通。