常见无线电测向体制概述
AB连线的垂线的夹角为θ,来波仰角为β,电波传播速度为v,则天线B较天线A感应信号延迟时间为τ,
于是有:
则来波方向θ可求,为:
(4)
在上式中,τ为实际测量时间差。短波的来波仰角β需要估计,而超短波来波仰角β为"零",即Cosβ=1。
测向原理方框图如图(12)所示。
图12、到达时间差测向原理框图
实际使用中,为了覆盖360度方向,至少需要架设三付分立的测向天线。测向天线的间距有长、短基线之分,长基线的测向精度明显好于短基线。到达时间差测向体制基于时间标准和对时间的精确测量,以现在的技术水平而言,时间间隔的测量可达到1ns的精确度,当间距为10米时,测向的准确度可以达到1度。
到达时间差测向体制的特点:测向准确度高,灵敏度高,测向速度快,极化误差不敏感,没有间距误差,测向场地环境要求低。但是抗干扰性能不好,载波必须有确定的调制,目前应用尚不普及。
七、空间谱估计测向体制
空间谱估计测向体制的测向原理:在已知座标的多元天线阵中,测量单元或多元电波场的来波参数,经过多信道接收机变频、放大,得到矢量信号,将其采样量化为数字信号阵列,送给空间谱估计器,运用确定的算法求出各个电波的来波方向、仰角、极化等参数。
空间谱估计测向原理方框图见图(13)。
图13、空间谱估计测向原理框图
以四元天线阵为例,空间谱估计测向的基本公式,如公式(5)所示,是一个协方差矩阵。空间谱估计测向是把每个天线的接收信号,与其他各个天线的信号都进行比较,这就是相关矩阵法,即协方差矩阵法,它完整地反映了空间电磁场的实际情况。具体地说就是构成如下的协方差矩阵:
在上式中:Xn为n号天线的输出,H为共轭转置符号。
空间谱估计四元天线阵的示意图如图(14)所示。
图14、空间谱估计四元阵示意图
由公式(5)可见,四元阵的协方差矩阵有16个元素,空间谱估计测向,充分利用了测向天线阵各个阵元从空间电磁场接收到的全部信息,而传统的测向方式仅仅利用了其中的一少部分信息(相位或者幅度),因此传统的测向方式不能在多波环境下发挥作用。空间谱估计测向,基于最新的阵列处理理论、算法与技术,具有超分辨测向能力。所谓超分辨测向,是指对同信道中,同时到达的、处于天线阵固有波束宽度以内的、两个以上的电波,能够同时测向。这在传统的测向方法中是无法实现的。构成协方差矩阵是空间谱估计测向的基本出发点,但是对协方差矩阵的处理,在不同的算法中是不相同的,其中典型的是多信号分类算法(MUSIC)。
空间谱估计测向体制的特点:空间谱估计测向技术可以实现对几个相干波同时测向;可以实现对同信道中、同时存在的多个信号,同时测向;可以实现超分辨测向;空间谱估计测向,仅需要很少的信号采样,就能精确测向,因而适用于对跳频信号测向;空间谱估计测向,可以实现高测向灵敏度和高测向准确度,其测向准确度要比传统测向体制高得多,即使信噪比下降至0db,仍然能够满意地工作(而传统测向体制,信噪比通常需要20db);测向场地环境要求不高,可以实现天线阵元方向特性选择及阵元位置选择的灵活性。以上空间谱估计测向的优点,正是传统测向方法长期以来存在的疑难问题。
空间谱估计同,尚在研究试验阶段。在这个系统中,要求具备宽带测向天线,要求各个天线阵元之间和多信道接收机之间,电性能具有一致性。此外还需要简捷高精度的计算方法和高性能的运算处理器,以便解决实用化问题。
测向体制的比较
测向体制的优劣通常是人们所共同关心的问题,但是无线电测向体制也象所有的事物一样,各自具有两重性。就使用者来说,每个用户的工作环境、工作方式、工作要求、工作对象等条件不尽相同,因此笼统地说优劣,有可能脱离实际。使用者在测向体制和测向体设备选用时,重要的是要透彻了解并仔细分析自身工作需求。测向体制与设备的优劣好坏,应当在满足工作需求的前提下,由使用者自已作出选择。应该说每一种测向体制都各具特点,站在用户的角度看,能够满足工作需求,价格又合适,就是好体制。在这里,我们着重讲讨论从哪些方面评价测向体制和测向设备,提出如下的技术指标,供读者参考:
1、频率覆盖范围。这一项指标规范了测向机规定的性能指标和正常工作的频率范围,它是选择测向体制和测向设备时的基本要求。
2、测向灵敏度。它表征了测向体制和测向设备对小(弱)信号的测向能力。测向灵敏度主要依赖于测向天线元形式、天线阵的孔径(基础)和工作方式。它以电场强度度量,单位是微伏/米(μv/m)。
3、测向准确度。它表征了测向体制和测