ADS-B的相关干涉测向技术研究∗

袁瑞敏 冯 涛 杨志强

（1.四川九洲电器集团有限责任公司 绵阳 621000）（2.四川九洲空管科技有限责任公司 绵阳 621000）

1 引言

随着ADS-B技术在国内外军民航领域的推广应用，ADS-B易受干扰和欺骗对航空安全带来的风险容易增加。国内外针对ADS-B技术体制进行了分析，开展了分析和研究。因此，针对ADS-B的各种欺骗手段，对机载ADS-B主动测向尤为重要。

干涉仪测向的实质是利用无线电波在测向基线上形成的相位差来确定来波方向。干涉仪测向技术自出现以来，因其测向精度高、灵敏度高、结构简单、原理清晰、观测频带宽等优点在电磁环境监测、电子对抗、雷达、声纳、导航等领域得到了广泛应用。

2 相关干涉仪测向原理

相关干涉仪基本原理是将实测信号的相位差矢量与之前建立的样本库的相位差矢量依次做相关，以得到最大相关系数的相位差矢量对应的方位角和俯仰角作实测来波信号的方位角和俯仰角。

图1 均匀圆阵几何结构

如图2所示为M个天线阵元的均匀圆阵列的几何结构，R为圆形阵列的半径。频率为fc的远场窄带信号到达天线阵列的俯仰角、方位角分别为θ和φ。以原点作为参考点，阵元m接收到的来波信号的时间滞后于信号到达参考点的时间，则阵元的接收信号可表示为

其中nm(t)为阵元m接收到的高斯白噪声，且E(nm(t))=0，D(nm(t))=σ2。阵元m的时延可以表示为

相应的相移为

则第m阵元和第n阵元的相位差φmn为

由和差化积公式上式化为

以上为相位差矢量与入射角度的关系，在建立样本库时，将方位角和俯仰角按上式依次递增，得到样本相位差矢量库。而来波信号方位角俯仰角未知，得到其相位差矢量主要有用时域相关法。

3 ADS-B相关干涉仪测向仿真分析

3.1 天线孔径对测向的影响

表1 实验条件

增大天线孔径可得到更高测向精度其优势在于以下两点：相关算法的样本中已经将样本中公差和安装平台的失真包含在内；天线孔径可以做得很大，两个天线元之间的电压测量误差相对测量读数变小。大孔径天线还可提高测向灵敏度。

本次仿真条件见表1，仿真主要针对天线孔径大小对测向精度的影响。

在表1的条件下，仿真出了不同天线孔径和测向均方误差的关系，实验的结果如图3所示（天线阵元数量为7）。

图2 7元阵不同半径下的测向均方误差（R=0.4m～0.6m）

通过图3分析，7元阵列的最佳半径为R=0.495m（此时测向精度为0.6°）。

3.2 天线数量对测向的影响

比较在不同信噪比下，测向均方误差与天线阵元数量的关系。分别选择5元阵列，7元阵列和9元阵列，比较在不同信噪比下，测向均方误差。本次仿真条件见表2，仿真主要针对天线阵元数量对测向精度的影响。

表2 实验条件

图3 不同信噪比下的测向均方误差（阵元为5）

图4 不同信噪比下的测向均方误差（阵元为7）

图5 不同信噪比下的测向均方误差（阵元为9）

在固定频率和天线直径的情况下，即天线孔径不变的情况下，增加天线阵元数量，在天线阵元为5增到7时，测向精度有由改善。在天线阵元为7增到9时，测向精度改善不大，因此本次设计采用7元阵列。

图6 7元天线阵元数和天线孔径的关系

4 ADS-B相关干涉仪测向方案

根据仿真分析，可以得出天线最佳阵元数为7，最佳阵元半径为0.495，因此设计天线阵列如图6所示。

差矢量与存在ROM中的样本库依次进行相关运算，得出信号的方位角和俯仰角。

5 结语

通过相关干涉仪测向系统的原理及特点，从工程实际出发，根据仿真结果，提出了一种基于7元阵列的圆阵测向天线阵设计，并仿真了圆阵的最佳半径以达到最佳的测向精度，并仿真了在最佳半径的情况下的信噪比对测向精度的影响，能较好地解决机载ADS-B测向在实际环境中的高精度测向问题。