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VHF_UHF无线电监测测向移动车的集成与提高测向定位精度研究.pdf

VHF_UHF无线电监测测向移动车的集成与提高测向定位精度研究…

xl46512 2012-05-08 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《VHF_UHF无线电监测测向移动车的集成与提高测向定位精度研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含浙江工业大学硕士学位论文VHFUHF无线电监测测向移动车的集成与提高测向定位精度研究姓名:陈华东申请学位级别:硕士专业:电子与通信工程指导教师:徐志符等。

浙江工业大学硕士学位论文VHFUHF无线电监测测向移动车的集成与提高测向定位精度研究姓名:陈华东申请学位级别:硕士专业:电子与通信工程指导教师:徐志江浙江工业大学硕士学位论文VHF/UHF无线电监测测向移动车的集成与提高测向定位精度研究摘要随着通信业务的高速发展无线电通信也由军用逐渐深入到各种民事用途。无线电管理的核心目标是以合理、公平、有效和经济的方式使用有限的无线电资源使得各种无线电业务不受干扰地正常工作。无线电管理工作者必须采用行政、法规、经济和技术手段无线电监测测向移动车是无线电干扰查处的主要技术手段。本文通过无线电监测测向车改装的实际案例分析其工程特点从需求分析到设备的选型、车辆选择、馈线布局、电磁兼容EMC直到整个系统的安装集成、测试验收全过程。本文首先讨论了无线电管理的要点分析了当前无线电监测测向车的基本概况。对当前国际上超短波无线电测向技术和算法做了讨论尤其是对相关干涉仪算法做了深入研究接着对无线电监测车的工程实施进行了探讨。最后结合多辆车的改装经验和实际的测试数据分析了测向误差的来源、机理和误差修正的适用条件提出了用误差测校正表来消除车体对测向影响提高了车载无线电测向系统的精度和用GOOGLEEARTH来提高定位精度的方法。并且根据外场测试的数据进行了分析绘制误差曲线。关键词:无线电测向、相关干涉仪、测向精度、误差校正浙江工业大学硕士学位论文RADIoDIRECTIoN.FINDINGINTEGRATEDMoBILEVEHICLERESEARCHoNACCURACYABSTRACTRadiocommunicationisusedbyvarietyofcivilianfrommilitary、Ⅳitlltherapiddevelopmentofcommunication.Thecoreobjectiveofradiomanagementisreasonablefair,efficientandeconomicalwaytousethelimitedradioresourcesmakingallkindsofradioservicesuninterruptedworkradiomanagementworkersmustuseadministrativeregulatory,economicandtechnicalmeRlstheDFmobilevehiclesarethemaintechnicalmeansofinvestigation.ThisthesisanalyzingitsengineeringcharacteristicssuchasrequirementsselectionoftheequipmentEMCandtheintegrationfromDFmobilevehiclesintotheactualcase.FirstofallthepaperintroducesthemainpointsofradiomanagementanalysisofthecurrentDFmotorvehicles.Temainmethodsinthefieldofdirectionmeasurementareresearchedinthispaper,suchaSphasecompareWatsonWattTDOAmethodandSOon.ThecorrelativeinterferometeralgorithmandtheerrorproducedindirectionmeasurementisanalyzedEspeciallyinmobileDFapplicationsDFaccuracyisoftendegradedduetovehiclereflections.Experimenthasbeenmade.TheexperimentdatahasbeenanalyzedtogetthetablecontainingthecorrectDFvalueforeachmeasuredDFvalue.Byusingthisapproachmanyerrorsfromvehiclereflectionsarerectified.Theerrorcurveisplottedaccordingtoit.AtthesametimethemethodtoimprovethepositioningaccuracyisgivenwitllusingtheGOOGLEEarth.KeyWords:DirectionFindingcorrelativeinterferometerDFaccuracyerroradjustment浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名:砥专、日期。一年IL月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l、保密口在年解密后适用本授权书。、不保密讯(请在以上相应方框内打“”)作者签名:导师签名:际焉\铷V日期:p年lL月门日醐彳P月夕日浙江工业大学硕士学位论文.无线电管理的核心目标第一章绪论无线电管理的核心目标是无线电通信和其他无线电业务领域内以合理、公平、有效和经济的方式使用有限的无线电频谱/卫星轨道资源使得各种无线电业务能够经济、有效地在各种无线电环境下不受干扰地正常工作为国家的经济建设、国防建设服务建设和谐社会保障人民的生命和财产安全提高人们的物质和精神生活水平推动国家经济社会发展和科学技术的进步。我国无线电管理的指导思想是为中央首脑机关服务为国防建设和经济建设服务中心是为经济建设服务指导方针是:“加强管理保护资源保障安全健康发展"指导原则是:“统一领导统一规划分工管理分级负责’’。】.无线电管理的主要内容无线电管理主要采用行政、法规、经济和技术手段实现对无线电频谱/卫星轨道资源的管理对无线电台站的管理对无线电监测和监督检查对无线电发射设备的管理。即管频率、管台站维护空中电波次序。..无线电频谱资源几千年来从烽火报信、快马传书、驿站梨花到发明电报、电话、互联网人们追求完全时空通信自由的努力从未停止过。人们梦想有朝一日拥有在任何时间、任何地点与任何人的无束缚通信自由。要获得这种自由利用无线电波进行通信必不可少。无线电通信又属于电信中的一种。根据ITU《无线电规则》电信定义为利用有线电、无线电、光或其他电磁系统对于符号、信号、文字、图像、声音或任何性质的信息的传输、发射或接收。无线电通信则为使用无线电波的电信。无线电波定义【】为频率在GHz以下不用浙江工业大学硕士学位论文人工波导而在空间传播的电磁波。无线电频谱(radiospectrum)一般指KHzGHz频率范围内发射无线电波的无线电频率的总称。无线电业务分为地面无线电业务和空间无线电业务一共有种具体参见《中华人民共和国无线电频率划分规定》中第章。目前使用最广的是公众移动通信业务主要是中国移动GSM和TDSCDMA、中国联通运营的GSM网和WCDMA、中国电信CDMA和CDMA通信业务。无线电业务都离不开无线电频率无线电频率是自然界存在的一种电磁波是一种物质是一种各国可均等获得的看不见、摸不着的自然资源它具有以下六种特性:】第一它是有限的。无线电业务不能无限地使用较高频段的无线电频率目前人类对于GHz以上的频率还无法开发和利用尽管使用无线电频谱可以根据时间、空间、频率和编码四种方式进行频率的复用但就某一频段和频率来讲在一定的区域、一定的时间和一定的条件下使用频率是有限的。第二它是排他性的。无线电频谱资源与其他资源具有共同的属性即排他性在一定的时间、地区和频域内一旦被使用其他设备是不能再用的。第三它具备复用性。虽然无线电频谱具有排他性但在一定的时间、地区、频域和编码条件下无线电频率是可以重复使用和利用的即不同无线电业务和设备可以频率复用和共用。第四它是非耗竭性的。无线电频谱资源又不同于矿产、石油等资源它是可以被人类利用但不会被消耗掉不使用它是一种浪费使用不当更是一种浪费甚至由于使用不当产生干扰反而造成危害。第五它具有固有的传播特性。无线电波是按照一定规律传播是不受行政地域的限制是无国界的。第六它具有易污染性。如果无线电频率使用不当就会受到其他无线电台、自然噪声和人为噪声的干扰而无法正常工作或者干扰其他无线电台站使其不能正常工作。.无线电监测无线电监测为无线电频谱管理提供技术上的支撑和支持。无线电监测包括日常的电波监听、测量、测向和定位、电台识别和干扰查找其主要任务是通过识别发射信号的相关技术参数和操作特性查找和验证未授权的无线电发射机或无线电台站确保符合或遵守浙江工业大学硕士学位论文国家无线电管理有关规定调查、记录有关干扰源、背景噪声等电磁环境情况判明并解决干扰问题保护合法无线电台站用户的权益查处非法无线电台站的干扰论证无线电信道和频道的可用性验证频谱工程中的有关技术分析是否符合实际情况为频率指配提供依据验证正常的无线电台站的技术参数和操作特性确定是否遵守执照核定的项目监测有关频谱的占用情况进行有关频率、发射功率、天线增益、调制类型、占用带宽、信道载荷和占用度、场强等的测量进行有关的信号与系统分析其相关频谱数据将用作频谱规划、划分和分配的依据。【】现场查处又以无线电监测测向移动车为主无线电监测采用先进的测试仪表和设备对无线电台站发射的基本参数如频率、场强、带宽、调制等指标系统地进行测量对声音信号进行监听对发射标识识别确定对频率利用率和频道占用度进行统计分析信号使用情况以便合理、有效地使用频率。通过对干扰源测向定位排除干扰查处非法电台和非核准电台保证无线电业务的安全。本文所讨论的无线电测向(radiodirectionfinding)是利用接收无线电波来确定电台或目标的方向的无线电测定。无线电测定是利用无线电波的传播特性测定目标的位置、速度和/或其他特性或获得与这些参数有关的信息。从大量的无线电管理实践经验来看无线电监测测向移动车是在无线电干扰查处当中起主要作用的。首先我们在主要城区都不可能去实行无线电监测的无缝覆盖不可能去布置数量众多的超短波固定无线电监测测向站因为投资太大而且也没有必要在广大的农村地区更加不可能去建站一个VHF/UHF固定站的覆盖半径也就公里左右。其次也是最重要的一般在收到的无线电干扰报告中被干扰单位都有实际被干扰无线电频率的大致范围和区域而且只要我们车载设备的灵敏度高移动监测车就能发现信号然后根据示向线逼近无线电发射源最后用手持设备找到干扰源。这也是日常查处无线电干扰的最常用方法。现有设备存在的问题以及改进的方向目前无线电监测测向移动车不论在国内还是国外普遍现象是设备体积大、系统质量重、可靠性低、可维护性差、系统寿命低车型以中型车居多军用的还以卡车为主。大多数机动性、通过性好的越野车改装的监测测向车在测向灵敏度、测向精度、抗干扰性、测向时效性、抗波前失真性能一般尤其是在城市的街道和楼群中多径反射环境下性能浙江工业大学硕士学位论文不是很理想。如何提高无线电监测测向车的各项性能使其能够在无线电管理中发挥更大的作用这一迫切问题就摆我们面前。移动车的系统灵敏度、测向灵敏度、测向精度是我们关注的主要指标但是要考虑到不同的车体对测向系统的影响是不一样的一般车头和车尾测向误差小一些。车载测向天线一般为有源天线它的动态范围是个关键指标也是车载测向的一大问题在靠近大功率发射易产生假信号。在城市的街道和楼群中的多径反射是影响测向精度的最大难点。在实际工作中往往要将测向示向度与现场环境及信号场强相结合来判断信号的真实方位。一方面通过工程学来提高移动车系统本身的性能与精度另一方面要如何利用一定测试数据来修正和提高精度这就是本文要解决的问题。.本文的主要工作本文简要介绍了无线电管理的基本情况重点研究了相干干涉仪算法深入探讨了超段波无线电监测测向移动车的改装与测向、定位精度的提高。最后结合多辆车的改装经验和实际的测试数据分析了测向误差的来源、机理和误差修正的适用条件提出了用误差测校正表来消除车体对测向影响提高了车载无线电测向系统的精度和用GOOGLEEARTH来提高定位精度的方法。第一章绪论首先论述了无线电管理的目标、核心无线电频率资源和其特性然后简要介绍了无线电监测的主要内容并介绍了作者的主要工作。第二章介绍了无线电测向的原理和目前应用的典型体制对主流的无线电测向体制从原理和特点进行了分析对比主要是对相关干涉仪测向算法做了详细的探讨同时对TDOA、空间谱算法作了介绍。第三章对当前国际上主流的无线电监测测向设备进行了分析比较从其测向原理体制一直到在国内市场的占有率一一作了讨论。第四章对移动车改装、系统集成整个工程实施进行了描述从需求分析到设备、车辆选型系统供电、天线安装、馈线布线等作了探讨以电子罗盘干扰为例深入讨论了监测车的电磁兼容分析。第五章首先对测向误差的来源作了分析给出了提高测向精度的主要途径和方法。提浙江工业大学硕士学位论文出了测向误差的测量方法和通过比较数据表来进行误差修正的方法同时根据实际的测量数据给出校正表。另外也给出了如何实现电子地图与卫星影像数据(如GOOGLE地球)匹配和修正的具体方法。第六章对整篇论文作了总结回顾论文所做的工作同时指出工作中的不足之处以及对以后工作的展望。浙江工业大学碗学位论文引言第二章无线电测向及相关算法什么是无线电渡(radiowavesorhertzianwaves)频率规定在GHz以下不用人造波导而在空中传播的电磁波。嘲无线电波是电磁谱的一部分它像水池中的波纹一样像个各方向传播电场和磁场瞬间变化以光速进行传播。电磁谱的组成如图.所示。.一一电磁谱、、\I鬟冀翼I|鏖!囊萋iiII可见光x射线射线宇宙射线KKKMMMGGG图无线电频谱示意图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。使用天线方向性的测向浙江工业大学硕士学位论文使用这种方法时天线系统可以在空间分布的各个点上接收空中的电波然后汇集到一点上形成合信号而合信号的最大值就发生在各部分电波差别最小的天线方位角上。一般来说信号方向总是和来波信号的等相位面正交(最大信号测向)。对于最小信号测向来说系统会将各部分电波汇集到一起以便使来波方向上的相位差别最大并且接收信号有一个很明显的最小值。孔径采样测向当使用这种方法时系统会对来波电场方向上的各点采样然后将这些采样值输入到串行或者并行的评估电路中将采样值进行大量的数学计算以确定出来波方位角。.传统的DF模式..利用方向性天线利用机械旋转的方向性天线接收电压计算来波方向是最简单的测向途径该方法也称为比幅测向。这种方法可以根据接收电压输出大小是天线旋转角度函数这一特性得到方位角接收电压会随着天线的方向图变化。相对于天线旋转角度的方向图位置就是测量到的方位角。由于这种接收天线的方向性由重叠的各部分天线方向图(它的相位差由来波方向的角度确定)来取得所以该类型的测向在本质上属于相位测向。最简单的实现方案是:天线的旋转和方位角的确定都由人手操作例如德国R/S公司的EB便携式接收机和HE天线组成的经典手持式测向系统。接收天线不断旋转直到接收电压达到最大值(或者用小音点找到信号最小值的方位)。如果用马达带动方向性天线(具有最大和最小方向性)旋转并且接收电压可以根据旋转的角度以图形显示出来我们就可以得到一部电动旋转测向机(见图.)利用适当的自动计算仪器如峰值检测器就可以得到了一部全自动的测向机。浙江工业大学硕士学位论文口心.舶’N町\I/由嘲qindicator、y俞叫叶\图旋转方向性天线的测向机框图这种测向方法具有下面的优点:由于天线的高方向性增益而具有高的测向灵敏度系统简单投资不大便携测向系统一般采用比幅可能能解决多波前的问题(前提条件:要求来波方向不同有高增益的方向性天线系统)同一付天线可用于测向和监测。这种测向方法的缺点主要受可视区和天线旋转速度限制。由于天线的方向性可视区问题就不可避免地被限制了接受范围由于天线的机械旋转就带来了天线的旋转速度问题。现代改进型的比幅测向一般用高速电子开关来取代天线的机械旋转。截获率和方向性是互相影响的万一出现瞬时信号测向就会失败。比如信号驻留时间小于天线移动的周期。尽管这种利用机械旋转方向性天线的方法存在上面的缺点但由于其它方法获得的优点是建立在庞大的费用支出上的所以这种方法今天仍在使用。尤其在微波频段这种机械测向方法是一种可在增益、低噪声和费用之间折衷的好方法。如果一个具有最小值的方向图和具有最大值的方向图同时被用于入射波的测向中甚至假定来波到达并进入天线的主接收方向内要用一个低速旋转天线或一个固定天线来提供方位那么在这里就得到了一个单脉冲测向机。图.给出了使用了/合、差连接混合器的两付对数周期天线组阵的例子。图.中右半部分是典型的实现情况图.左半部分给出了‘合’信号和‘差’信号的方向特浙江工业大学硕士学位论文性。吣差信号与合信号的比值是与时间无关的无量纲函数测向函数为:加)=踹协。得到两个测试电压的商后从测向函数中可以马上得到来波的方位角口。..沃森瓦特原理沃特森.瓦特测向体制的工作原理:沃特森.瓦特测向机实际上也是属于幅度比较的测向体制但是它在测向时不是采用直接或间接旋转天线方向图而是采用计算求解或显示反正切值。如果经放大和滤波的接收信号作用于阴极射线管的偏转屏x和Y上并且该信号是正弦和余弦特征的方向矢量那么在理想的情况下我们就可以看到李萨育图形(Lissajous)。该图形对应于入射波角度但是示向度有的相位模糊。所指示的角度可从两个信号的比值得到【】:rr&=arctanux一(.)Uy在图.中如果将方向性天线改为全向接收天线并具有明确的相位关系载波信号作用于测向天线天线阵旋转时也可以得到明确的示向度指示。这一方法首先由沃森瓦特在年实现。如果两个电压以和阢给出了因周围存在干扰(例如反射)而出现的相移那么显示的图形是一个椭圆。根据电压公式由椭圆主轴位置可以确定出信号的方位角。浙江工业大学硕学位论文国使用正交环的沃森瓦特测向机&!。ctaIl!j坠!堡唑!()I【。rl址r这种方法的主要优点就是无延时的方位角显示并且具备全方位上的单脉冲测向能力。具有合适的正弦和余弦特性方向图的天线如下:环天线(或者铁氧体天线)Adoek天线(单脉冲或耦极子阵列)。使用瓦森瓦特原理的正交环天线因其结构紧凑故适用于移动应用中。它的主要优缺点:优点:屉小的信号驻留时间已足够测向速度快实现简单需要空间小缺点:属小孔径系统(D/^<o)。在多径传播中。容易引起测向误差对于高角度的天波来说有较大的测向误差。Adock天线(图)具有比正交环天线更好的测向性能:改善了天波测向时的误差容限度:可以使用较宽的孔径来改善接收多径引起的测向误差(例如对于单元的Adock天线D^<)。新江工业大学硬士学位论文晴『图使用沃森瓦特原理的Adock天线现代的测向机不再将天线接收信号的中频电压用阴极射线管显示而是在相对宽的中频频段内同时进行相关数字信号处理见图。DFMDmn『图击根据沃森瓦特原理工作的测向机的配置数字滤波器决定着系统的选择性。通过对数字信号进行计算得到示向度例如运算上面的最后一个公式将测向结果以图形方式显示在计算机友好的用户界面上(工作站PC)。通过这种数字处理方式.可以避免模拟测向机的很多缺点:在滤皱器边缘也会保证信道同步对天线网络、电缆等的校正时方法简单在数字部分没有温度漂移一般接收机在lppm左右获得的数字形式示向度便于进一步计算和交汇尤其可以很方便地将其传输到远浙江I业大学碗士学位论文方的计算机工作站。图给出了使用数字信号处理的测向机该数字信号处理部分可以根据沃森瓦特原理来计算Adock测向天线阵的信号。囤.数字测向机(上面)和Adock测向天线阵(下面)干涉仪测向体制干涉仪测向体制的测向原理足:依据电波在行进中从不同方向来的电波到达测向天线阵时在空间上各测向天线单元接收的相位不同因而相互间的相位差也不同通过测定来波相位和相位差即可确定来波方向。基本公式如公式()所示丸=A一=ksinOcoss屯=A一=ksinScose“m鲁娌。’上式中:丸、丸分别为北一南、东一西天线之间来波的相位差k为相移常数口为欲求来渡方向角。在干涉仅测向方式中是直接测量测向天线感应电压的相位而后求解相位差由公式()可见与幅度比较式测向的公式十分相似。为了能够单值地确定电磁波来波的方向干涉仪测向在工作时至少需要在空间架设付分立的测向天线。干涉仪测向是在度范围内单值地测量相位当天线间距比较小时相位差的分辨能力受到限制天线间距大于.个波长时会引起相位模糊。通常解浙江工业大学硕士学位论文决上述矛盾的方法是沿着每个主基线插入一个或多个附加阵元这些附加阵元提供附加相位测量数据由这些附加相位数据解决主基线相位测量中的模糊问题。这种变基线的技术已经为当代干涉仪测向机所广泛采用。干涉仪测向机的测向原理方框图如图()所示。中溉AAn.按收机()蠼Ct=arctg中t/q)相’位计巾图干涉仪测向原理框图干涉测向机是通过直接测量由阵列阵元接收到的不同点上的波前信号并比较它们的相位差别从而得到来波信号的角度。详见图。当阵元间距D不大于半个波长入(D/入<)以避免相位模糊只需要个阵元天线就能明确地得到来波方向的方位角和仰角。从天线阵元得到的信号相位分别为西J、西扣咖时那么方位角计算就为:口:arctan垒二鱼(.)口=二L』()珐一九证£图阵元干涉测向机通过增加天线阵元的数目可以改善阵元阵列的测量结果。增加天线阵元优化了阵元间距使其满足相应工作频率范围的需要并且还能满足间距大于半波长的要求这样就可以改善小口径测向系统的测量精度。测向处理器浙江工业大学硕士学位论文由于存在度的不确定性如前面提到的阵元阵列的间距不能大于半个波长。对于多阵元干涉仪测向机有如下的可能性:使用小间距(fdled)天线组合相邻阵元的相位差总是小于度可避免相位模糊的问题。使用大间距(thinned)天线组合至少有一组相邻阵元的相位差大于度。一般由如下方法来解决相位模糊问题:使用小基础天线系统(间距小于半个波长)来粗略测向使用圆形天线阵时至少有一组阵元相位差小于度。当使用大间距(thinned)天线组合时一个减小相位模糊的有效办法是相关法。传统干涉仪是建立在天线阵元获取入射波电场相位分布基础上的当入射电波是平面波时天线阵元相对位置就决定了相位分布。而实际上由于种种原因如天线阵元间互耦、天线支架或天线阵载体等影响使波阵面发生了畸变使入射波相位和幅度分布发生了失真从而导致测向误差此时要降低测向误差就要消除或降低这些畸变和失真实际上很难完全做到。比如为了降低天线阵元互耦应该使阵元间距设计大一些但从上面讨论中可知传统干涉仪有一组小于入/:的基线从而在一定程度上限制了间隔的扩大。此外对干某些机动应用场合特别在需要行进中使用而限制天线阵升高的情况下金属载体对天线阵影响更难以避免也就说在移动测向车受到的影响更大。.相关干涉仪测向体制相关干涉仪测向是干涉仪测向的一种。而所谓“相关’’其含义是“比较’’即通过比较获取的入射波相位分布与事先已存的各方位、各频率来波相位分布的相似性来得到入射波方向的。它的测向原理是:在测向天线阵列工作频率范围内和度方向上各按一定规律设点同时在频率间隔和方位间隔上建立样本群在测向时将所测得的数据与样本群进行相关运算和插值处理以获得来波信号方向。相关干涉仪测向机的实际实现具体来说是通过计算两列数据的平方误差或者相关系数来实现的。在测向中从不同方位角的数据列中以相关性最大的数据中得到示向度。以阵元阵列天线为例进行说明:每列数据矩阵和信号角度a对应形成一个比较矢量。比较矢量里的元素代表着所希望的来波方向上天线阵元的相位差。数据矩阵含有浙江I业大学硕士学位论文当前测量到的相位差值(测量矢量)圉.相关计算原理吲为了确定未知来波信号的方向每列参考矩阵通过将元素“加”和“乘”的方法和测量矢量进行相关计算结果就是相关函数K(a)。该函数可以在理想矢量和测量矢量相比较的过程中取得最大值。最大值对应的角度就是对来波测到的示向度这种方法是一种特殊的波束形成算法。波束形成算法例如当信号进入到天线阵列后其输出的阵元信号五被复合的加权因子砒相乘然后相加求和(见圈)根据得到的合信号方向特性结果即可确定来波方向。An伯mementNutmt图对天线阵列加权的波束形成输出Ⅲ譬幽酗雕翠浙江工业大学硕士学位论文随加权因子W改变的输出信号响应L不能用在传统的旋转天线和角度计的测向机上他们已经是旋转方向图系统其测向速度受旋转周期的影响。不同的是数字波束测向的速度仅仅受计算速度的限制。对于常规的波束形成算法选择加权因子的相位以便使待加权阵元信号加入到既定的相位中。这样在来自信号方向诉的方向上就可以得到最大的合信号。测量、存储阵元信号一所有方向的信号与加权因子相乘并求合一计算输出功率一测向搜索最大功率输出方向一最大功率方向即为示向度。图.给出了测向处理的上述过程图.利用常规波束形成算法的测向过程图.给出了阵元数目为、阵元间隔为.个波长的线性阵响应曲线横轴为方位角度纵轴为方位特性其中在度处有一个入射波。【】浙江工业大学硕士学位论文Ff{lf\厂、J、lV\、.吖、夕。||||||||i||||I||a暑墼霉廿坦鳟鼻ui岩。一l。鐾j浙江工业大学硕士学位论文干这些失真已经存入“样本"之中通过相关处理就在实际效果上弱化了“它们"对测向精度的影响。..单信道相关干涉仪测向相关干涉仪获取相位分布一般采用直接获取的方式。比如采用双/多通道接收机一条测向基线的两个天线阵元同时分别接入对应的接收信道就可以地获取该基线两个天线元问的相位差交替地接入测向天线阵的所有基线天线阵元就可以获取入射波在该天线阵的全部相位分布然后再进行鉴相。该方法获取相位分布的方式需要采用多通道接收机对接收机的一致性要求高系统成本很高。单通道相关干涉仪采用单通道接收机来完成相关干涉仪测向。由于只需一个接收通道系统更加简化成本较低。尽管其测向时效没有多通道相关干涉仪高但仍深受广大用户喜爱其价格合理且性能能够满足日常需要性价比高。下面将对单通道相关干涉仪的主要设计特点进行分析。与多通道相关干涉仪相比在“相关’’这一点上单通道相关干涉仪与之并无差别其差别只是在获取入射波相位分布方式上。即:单通道相关干涉仪是采用射频和差网络利用两个电压矢量的和差幅度值来获取相位差。在工程实现上是将天线间的相位关系转换成幅度关系然后通过接收机的选频放大、下变频成中频信号计算机解算出中频信号的幅度关系再反算出天线间的相位关系最后由该相位关系求得信号的入射方位。以单元天线均匀布放的圆阵列如图所示。O号天线元作为参考天线其他,,号天线元所接收的信号进行移相后与号天线元所接收的信号合成实现相干获得一个相位差。按时序将每个组合的输出与接收机的输入端接通经接收机混频、放大、检波处理之后叉按原来的时序分别输出至不同的存储单元并进行相关运算由此实现单信道测向。浙江工业大学硕士学位论文守圈单信遭相关干涉仪原理图设号参考天线所接收的信号以X表示号天线元所接收的信号以】(缈)表示其中缈表示两天线对来波信号所形成的相位差。】(缈)与A的合成分个时隙进行。在第个时隙】(矽)直接(即移相度)与X合成在第个时隙】()移相。与A合成在第个时隙多(妒)移相。与曼合成在第个时隙多(伊)移相。与A合成每个时隙合成的信号都送往接收机。接收机依次将这个合成的信号中频输出到测向机得到的个时隙的中频信号经检波后输出将其值平方。得到的结果分别以E、E、E、E表示则可列出下面的方程组:置=X】XYcosq移相‘易=X】XYsinq移相。毛=X】XYeos伊移相。E=X】XYsimp移相。解方程组:.TDOA到达时间差测向体制缈甜c。‘百E,酉G()到达时间差测向体制的测向原理:依据电波在行进中通过测量电波到达测向天线阵各个测向天线单元时间上的差别确定电波到来的方向。它类似于比相式测向但是这里浙江工业大学硕士学位论文测量的参数是时间差而不是相位差。该测向体制要求被测信号具有确定的调制方式。到达时间差测向原理基本公式如公式()所示。设:垂直架设的测向天线单元A、B间距为b来波方向与AB连线的垂线的夹角为乡来波仰角为电波传播速度为v则天线B较天线A感应信号延迟时间为f:则来波方向可求为:f=丝。sincosf=CV秒=arcsin(去cos)()、。()在上式中f为实际测量时间差。短波的来波仰角需要估计而超短波来波仰角为“零"即Cos=l。测向原理方框图如图所示。实际使用中为了覆盖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lns的精确度当间距为米时测向的准确度可以达到度。图到达时间差测向原理框图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。但是要求高精度时钟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。浙江工业大学硕士学位论文.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。以四元天线阵为例空间谱估计测向的基本公式如公式()所示。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:XXⅨ:XⅨx译:Rw:X芝TXx芝TX芝Tx芝T()蚤恼一XⅨ:XXⅨxⅨ’xvXxvXXXx}Xi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所示。图空间谱估计四元阵示意图由公式()可见四元阵的协方差矩阵有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(删SIC)J。MUSIC算法(多信号分类法)就是利用信号垂直于噪声子空间来工作的。如果现在把方向矢量投影到噪声子空间上那么就在信号与噪声电平无关的地方出现零值。我们通常把倒数值看作是测向函数这样明显的峰值就会发生在信号方向上(见图.)。浙江工业大学硕士学位论文薯、曹上屯呈苦‘冒E皂呈毛MUSIC图利用MUSIC的测向函数算法(信噪比为dB)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dB仍然能够满意地工作(而传统测向体制信噪比通常需要dB)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TDOA一样尚在研究试验阶段。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。浙江工业大学硕士学位论文表.各种测向方法性能的比较表【】测天测系统难度岭弋频测向测向抗干测向抗极仰角向线量窒灵敏准确扰能化误阵机动与造范时效测定距参围度度力差孔性价离数径环形天线M.H.V.U低低低低低无近小A很好低旋转对环阵子H.V.U中低低低高无近小A中低天线间隔双环M.H低低低低高无中近小A中低对数周期H.V.U很高中中低高无近小A差中U形天线H中中由中中无远小A差中H形天线H.V中中中中中无远小A中中幅度础天交叉环比较L.M.H低中低中低无近小A中低线阵天线单信道M.H.V中中低中中无远小A中中时间分割沃特森一瓦特M.H.V.U中由中高中无远近小A中高大基乌兰M.H.V.U特高特高高中中有远中近大A差特高础韦伯尔多普勒H.V.U高由低中中有远中近大中P中高相位相关干涉仪M.H.V.U高高中高高有远中近大中小P中高比较超分辨M.H.V.U高高高高高有远中近大中小P中很高干涉仪时间到达H.V.U高高低中中无远中大中小T差高差时间差幅度相位空间谱估计H.V.U很高很高很高高高有远中大中小AP差特高.本章小结比幅测向因其系统简单可靠价格便宜一般被应用于手持式系统。沃特森一瓦特测向体制优异的测向时效一最小反应时间ms这个值现代数字干涉仪测向机也很难达到同时多信道沃特森一瓦特测向机还可以分辨同信道干扰该体制测向天线属于小基础测向灵敏度和抗波前失真受到限制在一些移动应用中不乏成功的先例。单信道相关干涉仪测向体制基于相位干涉仪的测向原理利用移相合成和相位相关技浙江工业大学硕士学位论文术采用了多阵元天线、单信道接收机、数据库相关等设备技术从而实现了宽频段、全方位、高精度的单信道测向。同时系统造价相比多通道相关干涉仪有很大优势适合固定、移动测向城市高楼等多径环境下也有不俗的表现。TDOA、空间谱测向(超分辨率测向SRDF)代表了新技术的发展但是还是一些固有缺陷有待解决。综合考虑各种因素单信道相关干涉仪测向体制作为一种成熟、可靠、实用的技术是大多数vHF/UHF测向系统的首选。浙江工业大学硕士学位论文第三章国际主流测向系统分析及移动测向车设备选型.引言上一章介绍了当今国际流行的几种测向体制及原理算法并重点描述了相关干涉仪算法。实际上各家厂商在实现其基本算法的同时又各自依靠自己的专利对系统进行了改进提高了系统的性能。本章对当今国际上主要的无线电测向系统进行分析比较例如:德国R/S公司的DDFl//、DDFM/E美国TCI公司的/美国CUBIC的VXI法国汤姆逊/THALES的EMERALDA。最后综合各种因素给出移动监测测向车的设备选型方案。.国际主流测向系统分析..德国R/S公司的DDFl//、DDFM/E系列作为一家有年历史的专业厂家R/S公司产品以其优越的射频性能稳定可靠的产品质量而闻名于业界但同样其价格也不菲。在测向领域R/S公司是相关干涉仪技术的忠实维护者DDFM/E为其高端的三通道相关干涉仪测向机其中E还支持高分辨率测向(空间谱)其余为单信道相关干涉仪测向。单通道干涉仪测向体制:DDFl//、DDF相关干涉测向法是基于对测向天线的不同天线单元之间的相差进行测量而实现的。RS采用其专利技术能够实现单个接收机对两个天线单元的接收信号相位角进行测量。通过这种方法一个信号通过四步移相送入积分器然后在每种情况下将得到的信号结果与另一个信号进行合成(见图)。在每次移相之后接收机对合成的信号幅度进行测量。将新江工业大学颈士学位论文"幅度值(A/A/A/A)的结果代入公式一l中即可得到两个信号间的相角嘲。天线的所有单元都会进行上述的计算。圈单遁道相关干涉仪体制一嘶c鞘一t*一ma(一)多单元测向天线:阵元在实际环境中测向机的精度和灵敏度随着测向天线直径的增大而提高。在存在反射和弱信号的实际操作环境中这种做法的好处会更加明显。而在产品样本中由于采用的设备和系统精度都是在理想、无反射的测向天线环境下并且使用的是大信号以便进行比较所以多单元测向天线的优势并没有充分体现出来。下图显示的是R/SDDF使用单元WF/UHF天线和相关干涉仪测向体制提供最大的测向天线以及更高的测向精确度和灵敏度。在高达%的环境反射下相对于明确测向结果的波长最大可允许的测向天线直径浙江工业大学硕士学位论文在%反射条件下使用相同天线半径时测向精度的比较:表不同天线阵元测向精度比较频率R/SDDF单元阵测向误差单元阵测向误差()MHz。‘MHz。。EIz。。MHz。。.GHZ。。.GHZ。。..法国汤姆逊/THALES的ESMERALDA作为法国著名的军工企业THALES集团源于法国汤姆逊(THOMSON)集团是设计、开发和生产航空、防御及信息技术服务产品的专业电子高科技公司。公司总部设在法国研发设在美国硅谷和法国巴黎及俄罗斯。泰雷兹公司是欧洲第一大战斗系统(包括侦察系统、火控系统和操纵系统)生产集团是一家超大型跨国企业专长领域为战斗系统的制造、整合、维修与升级其产品中有近%出口国外目前世界上有超过个国家的海军使用该公司生产的装备。EsmeradlaXE为双通道相关干涉仪测向系统主要应用于可搬移监测测向。其特点是体积小巧接收机可直接安装在天线附近通过LAN连接到计算机从而减少了馈线的衰减损耗系统复杂度较低。其测向天线采用阵元设计底层接口的不开放和售后服务是其最大硬伤。ITU针对民用无线电监测程序发布了多个建议总成于“频谱监测手册(ITU.RS瑚)”至少在技术上提供了通用的质量标准THALES设备符合ITU.RSM建议。折江I业大学颐学位论文E习L萨湖美国CUBIc和TCl公司园矗匿蔓己圈}LALFS设备系统框图No美国公司和欧洲的公司相比在无线电测向领域有很大的区别。美国公司多数使用改进型的场强测量技术来辅助测向在采用相关干涉仪测向技术的同时用“fieldproven”技术简单地说用高速电子开关和天线阵来实现比幅测向。盘~v。祈EI业大学顿学位论文酉鞠蛰‘。。一L。一“}e匆fl曼j赫n晨垦y“口图.TCIl系统框图圄TCI移动监测测向车(陆地越野车)TCI监测测向系统具有以下特点:.符合美国军标质量可靠兰露爝浙江工业大学硕士学位论文.完全集成满足ITU标准使用一体化天线覆盖整个频段且可同时完成监测和测向标准频率覆盖范围为:MHz.GHz。.MHzFFT实时带宽可对MHz带宽内的所有信号同时进行监测测向。.系统具有多用户、多任务并行处理能力目前国内尚没有类似产品。.天线系统具有自校验功能不需要专门对天线系统进行校准。.系统提供了能够同时满足监测和测向需要的一体化无源天线水平垂直双极化。.提供了三种测向体制:相关干涉仪、WatsonWatt(HF)和比幅体制。.行业应用分析、设备选型浙江省在国内无线电管理行业较早使用了法国汤姆逊的TRC(年)和美国CUBICVⅪ(年)监测测向系统两者都为无线电管理事业发挥了其应有的作用但是也带来了不少问题。法国汤姆逊一方面一直不愿意提供其底层接口协议国内配套软件的二次开发无法很好的进行这个问题直到现在THALES接手该业务也没有能够解决这个问题。另一方面汤姆逊公司也没有很好地拓展国内该业务的市场中间甚至还暂停了几年售后服务和维修问题比较特出。现在的THALES公司也存在这样的问题其办事机构在香港在大陆的市场占有率也较低主要市场集中在华南。美国CUBIC其接口也没有完全开放因其VX/总线结构当时在部队有一定的应用但国内市场占有率也不高。TCI公司进入国内市场相对较晚其市场主要是在英美国家国内也仅一家系统集成商在做。在国内市场做得最好的应该是德国R/S公司一方面进入国内市场比较早产品线比较全面接口完全开放产品稳定可靠另一方面不像美国公司一样受禁运条例那样严格对中国限制。大家熟悉美国安捷伦公司的ES(黑鸟)无线电监测系统就是在王伟南海撞机后才向中国解禁的。就移动监测测向而言从技术上分析TCI系统有其自己的特色:监测/测向一体化无源双极化天线、多任务、高速比幅测向。有竞争就有发展德国R/S公司也推出了新产品:双浙江工业大学硕士学位论文极化测向天线、MHz..OGHz一体化测向天线、双任务、测向天线有源/无源开关切换、Mhz中频的宽带测向等。从性价比、市场占有率、国际关系、实际的需求分析等因素综合靠量本次案例选用了德国R/S公司的DDFM、DDFl、DDFl共计套移动监测测向系统。.本章小结因ITU.RSMH建议在超短波测向时首先应考虑采用相关干涉仪、SR.DF超分辨率体制同时相关干涉仪技术又比较成熟国际上的知名厂商不乏此类产品。但是很多又在具体实现时增加了不同的内容有的也有自己很多专利在里面。R/S公司采用波束形成算法

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