常见无线电测向体制概述

2017-08-12 20:42:24来源: eefocus 关键字:无线电测向  体制概述

摘要:本文首先介绍了无线电测向的一般知识,说明了无线电测向机的分类方法和应用;着重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;最后从实际出发,提出选用建议。供读者参考。

无线电测向的一般知识

随着无线电频谱资源的广泛应用和无线电通信的日益普及,为了有序和可靠地利用有限的频谱资源,以及确保无线电通信的畅通,无线电监测和无线电测向已经必不可少,其地位和作用还会与时俱进。

什么是无线电测向呢?无线电测向是依据电磁波传播特性,使用仪器设备测定无线电波来波方向的过程。测定无线电来波方向的专用仪器设备,称为无线电测向机。在测定过程中,根据天线系统从到达来波信号中获得信息以及对信息处理的方法,可以将测向系统分为两大类:标量测向系统和矢量测向系统。标量测向系统仅能获得和使用到达来波信号有关的标量信息数据;矢量测向系统可以获得和使用到达来波信号的矢量信息数据。标量测向系统仅能单独获得和使用电磁波的幅度或者相位信息,而矢量测向系统可以同时获得和使用电磁波的幅度和相位信息。

标量测向系统历史悠久,应用最为广泛。最简单的幅度比较式标量测向系统,是如图(1)所示的旋转环型测向机,该系统对垂直极化波的方向图成8字形。大多数幅度比较式的标量测向系统,其测向天线和方向图,都是采用了某种对称的形式,例如:阿德考克(Adcock)测向机和沃特森-瓦特(Watson-Watt)测向机,以及各种使用旋转角度计的圆形天线阵测向机;属于相位比较的标量测向系统,有如:干涉仪(Inteferometry)测向机和多普勒(Dopple)测向机等。在短波标量测向系统可以设计成只测量方位角,也可设计成测量方位角,同时测量来波的仰角。

图1、比幅式环形测向

矢量测向系统,具有从来波信号中获得和使用矢量信息数据的能力。例如:空间谱估计测向机。矢量系统的数据采集,前端需要使用多端口天线阵列和至少同时利用两部以上幅度、相位相同的接收机,后端根据相应的数学模型和算法,由计算机进行解算。矢量系统依据天线单元和接收机数量以及后续的处理能力,可以分辨两元以至多元波场和来波方向。矢量测向系统的提出还是近十几年的事,它的实现有赖于数字技术、微电子技术和数字处理技术的进步。目前尚未普及。

在上述的说明中,我们使用的是测定“来波方向”,而没有使用测定“辐射源方向”,这两者之间是有区别的。我们在这里侧重的是:测向机所在地实在的电磁环境,但是,无线电测向,通常的最终目的,还是要确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。

无线电测向从上个世纪初诞生至今,已经形成了系统的理论,这就是无线电测向学。无线电测向学,是研究电磁波特性及传播规律、无线电测向原理及实现方法、测向误差规律及减小和克服误差的方法。总之,无线电测向学,是研究无线电测向理论、技术与应用的科学。无线电测向学是与无线电工程学、无线电电子学、地球物理学、无线电通信技术、计算机技术、数字技术紧密相关的一门科学。

无线电测向系统的组成,如图(2)所示。通常包括测向天线、输入匹配单元、接收机和方位信息处理显示四个部分。测向天线是电磁场能量的探测器、传感器,又是能量转换器,它把空中传播的电磁波能量感应接收下来,连同幅度、相位、到达时间等信息转换为交流电信号,馈送给接收机;输入匹配单元实现天线至接收机的匹配传输和必要的变换;接收机的作用是选频、下变频、无失真放大和信号解调;检测、比较、计算、处理、显示(指示)方位信息,是第四部分的任务。

图2、无线电测向系统的组成

无线电测向以测向机所在地,以及过地理北极的子午线为参考零度方向。两点之间方位度数按下述方法确定:假设地球表面A、B两点,A点为测向机所在地,基准方向与方位角如图(3)所示。量判B点相对于A点的方位角,是从过A点的子午线(零度)顺时针旋转到A至B的大圆路连线的度数。B点相对于A点的方位角度数具有唯一性

图3、基准方向与方位角

测向机在测向过程中显示(指示)的测向读数称为示向度。由于电波传播以及测向仪器的误差等原因,测向时,示向度通常不是一个十分精确的单值。示向度与方位角之差,称为测向误差。如果在测向中,示向度与方位角重合,则测向误差为零。实际上,在测向过程中导致产生误差的原因是多方面的,但是基本上可以归纳为主观误差和客观误差两大方面。影响和产生客观误差的因素很多,以后我们还将另文专述。

在测向中,为了获得比较准确的示向度,通常有四个必须具备的条件:优良的测向台址环境、匹配的测向体制、高精度的测向机、经验丰富的操作人员。优良的测向台址环境为电波的正常传播提供条件;正确选择测向体制,以满足使用中的不同要求;精良的测向机是设备基础;在测向的过程中,常常需要处理预想不到的情况,人的知识经验十分宝贵,经验丰富的操作人员,有着非常重要的作用。这是四个必须同时具备的条件。

测向设备、通信系统和附属设备,可以组成测向站(台)。测向站是专门执行测向任务的机构,它有固定站和移动站之分。

无线电测向测定电波来波方向,通常是为了确定辐射源的位置,这时往往需要以几个位置不同的测向站(台)组网测向,用各测向站的示向度(线)进行交汇。如图(4)所示。条件允许时,也可以用移动测向站,在不同位置依次分时交测。

图4、各测向站的示向交汇

短波的单台定位,是在测向的同时测定来波的仰角,以仰角、电离层高度计算距离,用示向度和距离粗判台位。单台定位如图(5)所示。

图5、短波单台(站)定位

实际操作上要确定未知辐射源的具体位置,往往需要完成由远而近分步交测,以逐步实现接近和确定辐射源的具体位置。

无线电测向的应用

无线电测向系统的应用在三个方面:一、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。二、测定已知辐射源方向,用以确定自身位置的测向系统。这时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。三、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。

无线电测向机的分类方法

经过了近百年的研究、实践与发展,无线电测向机已经拥有了一个庞大的家族。基于着眼点的不同,测向机有着下列各种不同的分类方法(分类中的交叉不可避免):1.依照工作频段分类有:超长波、长波、中波、短波、超短波和微波测向机;2.依照工作方式分类有:固定测向机、移动测向机。移动测向机又因为运载工具的不同,可以进一步分为车载、船载、机载(飞机)测向机以及手持和佩带式测向机;3.依照测向机的作用距离分类(主要指短波)有:近距离测向机、中距离测向机、远(程)距离测向机;4.依照测向天线间隔(基础、孔径)尺寸的大小分类有:大基础测向机、中基础测向机、小基础测向机;5.依照测向天线是否具有放大器分类有:有源天线测向机、无源天线测向机;6.依照测向机所使用的测向天线种类分类有:环(框)形天线测向机、交叉环(框)形天线测向机、间隔双环(框)形天线测向机、单极子(加载)天线测向机、对称阵子(垂直、水平)天线测向机、对数天线测向机、行波环天线测向机、磁性天线测向机、微波透镜天线测向机等;7.依照测向机示向度读出方式分类有:听觉测向机、视觉测向机、数字测向机;8.依照测向机使用接收机的信道分类有:单、双信道测向机、多信道测向机。像上面的分类方法,可能还有一些,这里不再赘述。 测向原理及测向体制概述

在测向机家庭中,依据不同的测向原理,可以把现有的测向机归纳为不同的测向体制、体系和样式。以下将分别介绍它们的工作原理和特点。

一、幅度比较式测向体制

幅度比较式测向体制的工作原理是:依据电波在行进中,利用测向天线阵或测向天线的方向特性,对不同方向来波接收信号幅度的不同,测定来波方向。

例如:间隔设置的四单元U形天线阵、小基础测向(阿德考克)机,如图(6)所示。

图6、四单元阿德考克天线阵

其表达公式如公式(1)所示。

Uns=kU13sinθcosε
Uew=kU24cosθcosε
(1)

上面的公式中:Uns、Uew分别为北-南、东-西天线感应电压,θ为来波方位角,ε为来波仰角,k为相位常数( k=2bπ/λ),其中:b为天线间距,λ为工作波长。

对于360度(θ)不同方向的来波,北-南天

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编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2017081219528.html
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