浅析短波无线测向技术的发展和应用

沈利强

（国家广播电视总局二〇一台，新疆 昌吉 831100）

0 引言

随着短波通信事业的不断发展，需要不断加强对短波频谱资源合理规划监测，减少短波干扰事件发生。为了整合和有效地使用有限的频率资源以及保证短波通信的正常，通过测向查找发射干扰源尤显重要。目前通过短波测向是分析和查找干扰信号的主要方式，本文通过探讨不同测向技术方案在实际工作中的应用，分析了不同场景下测向技术的选取，并对测向误差产生原因进行分析。

1 短波测向技术原理的分类

短波测向就是通过测量短波的特征参数，测量电波传播的方向，进而确定其发射地所在方位。短波测向机理源于电磁波的性质，根据短波信号的结构特性以及短波信号的传播方式，一般将短波信号测向方法分为以下几大类：

第一类是在一个收测点，可以对短波信号的磁场分量和电场分量的场强方向进行测量，这一类型的短波测向的方法称为场强测向法。由于此种测向方法操作过程耗费时间，并且在短波范围存在极化误差，所以目前几乎很少使用。

第二类是找出波前的空间位置，即场强的等幅等相位面的位置，求其法线方向，由此推断波的传播方向。这种方法称为波前法，或等幅等相位面法。由于此种测向方法的观察点不再是一个点，而至少是两个或者更多个观察点。它或者是利用多幅天线，或者利用一副天线的多个要素，同时接受来波信号，并将其相加，利用信号合成的幅度来确定来波方向；或者利用多副位于不同等幅等相面的天线接收信号的相位差，或时间差，来确定来波方向；或者利用参考天线与运动天线在不同波前时，波的变化周期的变化来确定来波方向；或者利用多个位于不同波前的天线接收的信号的相位和幅度的处理，来确定来波方向等。

第三类是综合分析法，它是利用短波电波信号，在某些区域内呈现的特征情况，来判断来波方向的。具体地说它是利用空间的多阵元天线、多信道接收机、多路数据录取和信号处理终端，将短波信号的幅度和相位综合处理，求解空间电磁波频谱能量在空间的分布状态，由此确定来波方向。这种测向方法就是通常所说的空间谱测向法，或阵列处理测向法。

以上是按测向机理分类的三种最基本的确定电波传播方向的方法。

目前使用干涉仪测向技术中的相关干涉仪测向其测向速度、抗干扰能力、示向度、信号灵敏度较好，具备设备性能的稳定、配置简单等优点，是目前短波信号测向中主流之一。

2 常用短波测向技术

目前不同应用部门常有的几种测量速度快且准确，信号反应灵敏、系统抗干扰能力强的短波测向技术方案，包括以下几种：

2.1 沃特森—瓦特（Watson-Watt）测向法

测向原理：是通过幅度比较进行测向的。它采用特定的天线和特定的计算方法，不使用旋转天线，就可以获得来波示向度。

Watson-Watt 测向技术是历史最久远、最优秀的小基础测向技术，与其先后问世的其它小基础测向技术。Watson-Watt 测向技术近百年来在国内外一直得到了大量应用。由于采用了现代信号处理技术中的数字处理技术，与过去的Watson-Watt 测向相比，在性能上也有了较大提高，比如采用FFT 测向。至今，Watson-Watt 测向技术在HF 移动测向中仍占有霸主地位。

Watson-Watt 测向技术主要特点和实用意义如下：

（1）是速度最快的测向技术体制，称得上瞬时测向体制。

（2）可以实现宽带测向。

（3）小基础测向，天线尺寸小，在车载、移动测向中获得广泛应用。

2.2 空间谱估计测向法

测向原理：通过对多元天线阵接收的空中无线电信号进行放大、变频、采样模拟信号数字转换后的数字信号进行数学处理来估计信号的来波方向。

空间谱估计测向技术特点：

（1）有多波分辨能力：能够对相干波和非相干波测向。由于电离层的不均匀性和倾斜以及地形、地物、不同介质等造成的多径传播干扰（相干波）是引起测向误差和示向游动的主要原因。

（2）对天线阵孔径没有限制：采用大孔径天线阵进一步提高测向精度，测向理论和实践证明大孔径天线阵可以改善电波多径传播带来的测向误差和示向游动。

（3）优良的测向灵敏度：空间谱估计算法本身具有较高的处理增益，因此在信噪比较低时仍能取得满意的测向结果。

2.3 干涉仪测向法

测向原理：相位比较测向，即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。

传统的干涉仪测向过程中，因使用同一个基础和基线，且基线长度D＜0.5λ，因此存在两个问题：（1）天线阵的天线单元之间距离较近，单位之间存在相互耦合，造成测量相位结果差误差偏离较大。（2）受到基础基线自身的长度影响，测量信号工作的频率范围也受到受限。

为了处理测量中的上述问题，人们设计了各种天线阵型，在改进阵型设计的同时，一种改进后代的方案，使用相关干涉仪的测向法改进了传统干涉仪中调整测向限制。相关干涉仪它不需要一组小于λ/2 的基线，阵元之间可以有较大的距离。通过使用有关技术处理后，可以有效降低不同天线单元间以及天线单元与传输的相互耦合，减少了耦合对测量值的影响。因此说相关干涉仪测向法是当前比较好的测向技术方案选择。

3 测向技术方案的比较

为了便于比较，下面列出几种测向速度在s 量级的测向系统的主要性能：沃特森—瓦特测向，精度中，灵敏度中，速度中等，具备2 个干扰信号可给出示向度，不能测仰角，价格较低；干涉仪测向，精度高，灵敏度中，速度快，能测仰角，价格中等；空间谱测向：干涉仪测向，精度最高，灵敏度中，速度中，抗干扰性能好，能测仰角，价格较高；精度分为中：误差在3°～5°；较高：误差在2°～4°；高：误差约在1°～3°；最高：误差约在1°。灵敏度分为中：5～10μV/m；高：1μV/m 左右。测向速度分为中：s 量级；高：ms 量级；最高：百μs 量级。

测向技术方案的选取，是不同业务应用部门，在不同的应用场景下的选择，任何一种测向技术方案的工作模式、现场环境、任务要求都不完成相同，都直接影响到测向工作的各项性能指标，每种技术方案都存在不同程度的优点和缺陷，无法脱离工作实际，直接比较。因此，不同应用场景下选择测向技术方案和测向相关系统设备时，做好项目需求分析很重要，要明确不同工作的需要和工作目标，根据需求目标范围选取适当接收和测量系统。

4 短波测向特性

测向系统的误差源，包括不同频段的频率，也包括发射源距离的远近。从测向角度看，垂直极化地面波传播影响最为广泛。白天由于D 层吸收作用，天波极度衰减。夜间D 层吸收减小，天波显著加大。天波和地面波互相干扰，结果发生衰落。天波和地面波干扰最厉害的距离是二者电场强度差不多大的地方。在短波（3～30MHz）频段内，测向性能与距离有关，又依赖于所用的测向技术。

由于自然或人为物质和物体使地表电性能发生不连续的变化，会改变高频地面波传播的方向。接收到强且稳定的高频地面波不等于示向度准确性就高。如果误差确实存在，减小误差的最佳方法就是从多个分散的测量点对高频地面波目标信号获取示向度。

5 短波测向的各种应用及方法

在实际短波工作中测向分为：固定站和移动站，通常短波测向是测定电波来波方向，工作目标是明确发射点的位置，找到并排除干扰，通常需要以几个位置不同的测向点，形成多点组网，测向时各测向站的示向度（线）进行交汇。对应天波信号需测量来波信号的仰角，结合仰角反射电离层高度等参数计算来波大圆距离，同时使用测向示向度和大圆距离初步判断方位，实际工作中要测量未知发射点的具体位置，往往需要完成由远而近分步交汇，以逐步实现接近和确定发射点的辐射位置。

如果特殊情况出现需要单站定位时，通过资料查阅可能发射台发射点位置，结合世界短波无线电相关资料和国际高频协调组织给出的历年来，世界各地区关于短波电台发射地点短波频率表资料查阅相关电台方位角，初步明确测向目标范围。同时采用提升测量单站的质量评估，来提高测量准确度。测向软件测量结果的可信度是由质量记分来决定的，记分越高，该频率的信号强度越强，则测量数值的可信度就越高。

6 短波测向中各种误差分析

通过分析各种短波测向数据，发现有部分频率所测示向度与参考示向度差距较大，其存在的原因总结如下：

（1）测量误差：日常收测时，由于采用不同日期多次复测，弱信号通常会出现信号方位反复变化情况，由于每次读取数据时不同测量者的人为选择差异，导致测向结果的个体差异。此外再加上个人主观因素，在读数期间也会导致误差的存在。通常需要大量数据进行反复支撑和校对。

（2）信噪比误差：正常播出频率信噪比达到一定的数值才能获得较好的播出质量。在实际收测时，个别频段的背景噪声过大，信噪比较低，造成测量数据不准确，或者是同一频率在不同方向上存在多个小信号，都会导致测量数据不准确。例如，同一频率连续播音3 h，前2 h 收测结果差别不大，到下一个小时，由于在该频率其他靠近所收信号的方向有多个小信号，这就造成测量值偏差过大。

（3）测向系统交会判断误差：当测向系统还处于单站使用时，对于所收测频率，只能判断出大致的发射方向，并结合资料进行预估。后续需将数据联网后，同其他测向站一同交会应用，从而可以判断出对象台发射点的准确位置。

（4）测量时间紧造成误差：由于个别信号出现时间短，当出现突发信号时，预留的方位测量时间短；测向人员同时担负了场强和示向度的测量任务；加之有部分频率信号质量比较差，必须不断调整频率接收设置。针对这种情况，只有加强信号跟踪，力争多次校对测量，以便获得准确的数据。

7 结语

目前短波无线测向技术在不断向速度快、灵敏度高、动态范围大、可靠性强的方向进步，自动化、智能化、网络化和小型化，多信道的信号监测和测向就成为发展的潮流，伴随软件无线电的发展，未来的测向将更加便捷。随着短波无线通信事业的发展，无线电频谱资源日趋紧张。为排除干扰，各种无线电测向技术的广泛应用，将推动无线电通信的日益普及。测向技术将保护有序和可靠地利用有限的频谱资源，确保无线电通信的畅通。