无线电监测测向系统测向精度试验数据的分析方法

陈嘉庆，李新利，郭 双

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 引言

在无线电监测测向系统的电性能指标测试中，为了对测向系统测向精度的性能指标进行测试和评估，在行业、国家和国际层面都推出了专门的测试要求和方法。在具体的实践中，大多数标准只是规定了整个系统指标的测试方法，但在实际试验中获取的试验数据包含有丰富的信息值得进一步分析和挖掘。本文将以国标为基准，结合部分实例对测向精度的试验数据进行多维度的数据处理，期待发掘出数据的更丰富价值，更全面反映被测系统的性能特点和潜在问题，进而推动相关技术的不断进步。

2 测向精度测试数据的基本处理方法

根据GB/T34089-2017《VHFUHF无线电监测测向系统开场测试参数和测试方法》中的规定，测向精度是指测向系统所测得的示向度与被测辐射源的真实方位之间的角度差。在实际测试中，整个测试的测试布局如图1所示，被测系统置于一个可旋转平台上，通过对放置于远端的发射系统发射的标准信号进行测向，获取标准要求的所有测试方位（测向系统零度方位轴线按顺时针方向到达转台中心点与发射天线相位中心点连线的夹角α）和测试频率相对应的测向试验数据。

图1 测向系统测向精度场地布局

在获取所有测试数据后，根据式（1）计算在相应测试方位αj（j=1，2，…，m，m为所有测试方位角的个数，后文相同）和测试频率fi（i=1，2，…，n，n为所有测试频率的个数，后文相同）的实测示向度αij与理论示向度（方位角αj）之差的绝对值，即为被测系统在方位角αj、频率fi上的测向误差，记为Δθij。（1）

根据式（2），计算所有方位角和所有频率测向误差的均方根值，记为被测系统的测向精度。系统测向精度是对被测系统测向功能一项重要的总体评估指标。（2）

3 被测系统的频率测向稳定度

单频点测向稳定度是指被测系统对某个频率的标准信号（强度优于测向灵敏度20dB）测向时一组示向度读数偏离均值的离散程度。对所有测试方位和频率的单频点测向稳定度进行统计，计算均方根值，记为被测系统的频率测向稳定度。

在开阔场进行测向精度测试时，为保证结果的准确性，试验通常对每个特定方位和特定频率进行多次测向从而获取多个示向度读数作为一组数据，取该组数据的算术平均值作为该方位该频点的实测示向度，记作αij。计算每一组数据与相应αij的均方差值，即可作为该频点的测向稳定度。由于通常采样点较少，采用的计算方法见式（3）。式中，p为一组数据的总个数；αk为该组数据中的一个示向度读数值。（3）

通过对所有方位和频率的测向稳定度进行统计，参考式（2）计算所有单频点测向稳定度的均方根，记为被测系统的频率测向稳定度。被测系统单频点测向稳定度指标是与被测系统测向积分时间相关的。通常情况下，被测系统的测向积分时间应不大于2s，建议设置积分时间可为2s、1s、0.5s或不设置（实时值）。在稳定度相同的情况下，积分时间越短，被测系统性能越优。通常情况下，在标准开阔场对标准信号进行测向，系统的频率测向稳定度应不大于0.5°，单频点的测向稳定度最大应不超过1.5°，否则相应频点应作为异常频点特别记录并单独处理。对于被测系统结果采用自动优化为整数的情况，有可能统计的频率测向稳定度为零，在这种情况下，被测系统的频率测向稳定度指标可默认为0.5°。对于单个频率没有进行多个示向度数据采集的测试，该项性能则无需进行统计。

4 被测系统的频域示向度偏差

测向示向度偏差是指某个实测示向度偏离理论示向度的差值。通过对特定频率在所有方位的测向示向度偏差统计算术平均值，见式（4），记为被测系统在该频率的示向度偏差。（4）通过这种方法对所有试验频率进行单独统计后可以得到被测系统在工作频段的测向示向度偏差，从而获得被测系统在相应频域的测向偏差特性。该数据对于判断被测系统测向天线在各工作频段的性能特性具有实际的参考价值，可以帮助厂商更有针对性地提高天线性能指标。以图2为例，经过统计分析可知某被测系统的测向天线以1300MHz为界，在高低两个工作频段具有明显不同的测向偏差。对于这种被测系统，可以肯定的是至少有一个频段的测向系统需要进行校准操作，相应的后续数据分析都应据此分段进行，除非所有测试数据在校准后重新测试获取。

图2 测向系统频域的示向度偏差实例图

5 被测系统的方位示向度偏差

通过对某个方位所有频率的测向示向度偏差进行算术平均值的统计，可以获得被测系统在相应方位的示向度偏差，具体计算见式（5）。（5）通过对所有测试方位进行单独统计后可以得到被测系统在不同方向上的测向示向度偏差特性。该偏差既有可能由被测系统的缺陷引起，也有可能由测试系统的误差引入，因此需要根据计算结果进行具体的分析和处理。在通常情况下，如果各方位的测向误差小于0.5°则可以忽略测试引入的误差的因素，因为根据式（2）统计的被测系统的测向精度值不受影响（测试方位为24个，测向精度精确到0.1°），因此可以忽略不计。如果测向误差大于0.5°则需要确认测试系统是否存在偏差，包括转台控制与传感系统准确度、被测系统的布置准确度（通常包括被测系统测向天线的相对零度与测试系统方位零度是否重合、测向天线中心投影点偏离转台中心点引起的偏心角误差）和发射系统布置引入偏差等。如果能够确认为测试系统引入的误差，则需要对式（1）中的理论示向度αj进行修正，重新计算被测系统的测向误差。以图3为例，这是一个典型的因测向天线中心点偏离转台中心点引起的偏心角误差，应对各方位角给予相应的补偿。

图3 测向系统测向方位的示向度偏差实例图

图中实测偏差值是通过对实测数据进行统计得到的各方位测向示向度偏差值Δαj_avg，偏心角计算偏差值是通过对实际测试环境偏心距离的实测数据通过理论计算公式获得的方位偏差值Δβj，通过对理论示向度αj进行偏心角修正补偿，可以更准确地体现被测系统的测向精度特性。

6 被测系统的系统示向度偏差

对于被测系统各方位示向度因具有共性的原因引入且具有相同量级的测量偏差记为系统示向度偏差。通过式（5）计算的各方位示向度偏差实际上既包含有可能存在的各方位量级相异的偏心角偏差（记作Δβj）和转台转动随机偏差（记作Δαj）之外还包含有可能存在的系统示向度偏差（记作Δαavg），该偏差可能为被测天线单元物理安装不准确而引入的偏差、被测系统电子罗盘校准错误引入的偏差或是被测系统初始校准错误而引入的其他可能偏差，且该偏差可通过统一的校准调整进行消除。通过式（6）计算，可以得到一个被测系统的系统示向度偏差。

从图3的案例可以发现，实测偏差与经实测数据计算获得的理论偏差值之间还存在一个均值偏差。通过式（6）计算系统示向度偏差可得，图3案例的实测方位示向度偏差中还包含有一个量级为-0.8°的系统示向度偏差。经过对测试环境的实测，确认该误差属于测试系统初始零度与转台零度对准精度不足而引入的误差，因此需要结合偏心角误差共同对参考方位角进行补偿。对于所有由于测试系统引入的偏差，应在确认后对测向理论示向度进行修正补偿，相应的式（1）则可采用修正式（7），修正后的测向误差记为Δθij'。（7）由于各方位示向度偏差包含有大部分的测向偏差因素，因而通过利用各方位示向度偏差直接对理论示向度进行补偿的方法是比较简单和方便的，见式（8）。但这种方法是通过统计数据获得，不但包含有需要补偿消除的测试系统引入偏差，而且还可能包含有不应被消除的被测系统本身引入偏差，因此在国标测试体系中只有在Δαavg较小时可以考虑等同采用。（8）

7 被测系统各方位的测向精度

经过对理论示向度进行补偿计算后，通过单独对每个方位的所有频率测向误差进行统计，可以获得被测系统对于每个方位的测向精度性能，具体计算见式（9）。该数据可以在空间维度上反映出被测系统相应方位的各测向单元的准确程度或是测向样本质量。（9）

一般来说，如果测试数据中个别方位的测向精度相较其他方位测向精度数据相差较大而其他大部分方位的数据正常，应倾向于判断被测系统相应方位的测向单元出现问题，包括接收性能或是测向样本等。通过对相应方位的重复测试进行确认，如果重复再现相同的测试结果则判定为被测系统问题，记录相关方位和频率数据为异常点，留待厂商进一步核查。

8 被测系统频域的测向精度

经过对理论示向度进行补偿计算后，通过单独对所有方位的某个频率测向误差进行统计，可以获得被测系统在工作频段的测向精度性能，具体计算见式（10）。该数据可以在频域维度上反映出被测系统测向性能的精准程度或是测向样本质量。

9 被测系统的修正测向精度

经过以上分析，如果测试系统引入了较大的测试方位偏差，在该偏差被修正后，被测系统的测向精度指标可根据式（11）进行修正计算。（11）此外，在国际标准ITU-R SM.2060-0建议书中也引入了修正测向精度的概念，并采用式（12）对测向精度进行了修正，但在实际的演算中，该公式的修正结果是值得商榷的。（12）综合分析，本文认为在一般情况下，通过式（1）和式（2）计算的测向精度值反映了被测系统的测向精度性能；在特殊情况下由于测试系统引入测向偏差时，通过式（6）、式（7）和式（11）计算修正的测向精度值可以更准确地反映被测系统测向精度性能；在被测系统引入较大系统测向偏差的情况下，通过式（6）、式（8）和式（11）计算测向精度值，并采用“Δαavg±Δθrms'”的方式表示被测系统测向精度将更为全面和准确，更方便于后续的校正与应用。

10 结束语

本文对UHF/VHF监测测向系统在标准开阔场中进行的测向精度试验数据进行了多维度分析，并对分析结果的使用提出了相关的建议。本文仅从实践的角度对测试数据的潜在价值提供了一些思路和方法，以便于更好地利用测试数据为被测系统和用户服务，便于测试数据的使用者更清晰地了解测试结果的判读方法。当然，偏颇或不足难免，敬待行业内的专家和同行加以指正，谨希望本文能够引起更多对无线电监测测向系统检测试验数据的重视和进一步发掘，达到推动无线电监测测向系统技术进步的最终目的。