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[摘 要]本文介绍了无线电定向技术体制，分析了各种无线电定向系统的性能特点及指标，从测量方法、设备性能和使用环境条件等三个方面分析了形成定向误差的原因要素；从用户需求和技术发展的角度提出了定向系统的选型建议。
[关键词]无线电定向技术 系统 体制 指標分析
中图分类号：TM139 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）21-0143-01
利用无线电定向技术实现的导航引导设备通称为无线电定向系统，广泛应用于飞行器和船舶等的导航引导。随着无线电技术的迅猛发展，无线电定向系统逐步完善并得到发展，成为航空、航海和陆路交通可以完全依赖技术手段。
1.无线电定向体制
目前常用的有比幅度式、比相位式、干涉仪、多普勒和空间谱估计等五种无线电定向体制。
（1）比幅度式定向体制
比幅度式定向体制是根据波在行进中，利用定向天线的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同，测定来波方向。其特点是定向原理直观明了，设备相对简单，存在极化误差。定向灵敏度和准确度适中、定向时间比较长、抗干扰能力差。中波罗盘，机械式超短波定向机等都是利用比幅度式定向体制。
（2）比相位式定向体制
比相位式定向体制是根据波在行进中，利用地面导航台发射迅速旋转的方向图，对不同方向来波接收信号相位的不同，测定来波方向。其特点是定向原理直观明了，设备相对简单，但存在极化误差；定向灵敏度和准确度适中、定向时间较长、有一定抗干扰能力。如伏尔导航系统、电子式超短波定向机均属于比相位式定向方法。
（3）干涉仪定向体制
干涉仪定向体制是根据电波在行进中，从不同方向来的电波到达天线阵时，各天线接收电波的相位不同，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。在干涉仪定向方式中，是直接测量定向天线感应电压的相位，按照天线单元的多少选择相应的数学模型对应的公式计算出方位角。其特点是采用变基线技术，采用多信道接收机、扩频、数字处理和询问应答等技术。这种定向方法的定向灵敏度高、准确度高、速度快，有一定的抗干扰能力。干涉仪定向是当代比较好的定向体制，技术较复杂、难度较大，因此造价较高。干涉仪定向对接收信号的幅度不敏感，定向天线在空间的分布和天线的架设间距，比幅度比较式定向灵活，但又必须遵循一定的规则。可以是二天线、三天线、四天线等。比如美国的ARS-6机载救生电台是二天线定向体制、以色列的ARS-700机载救生电台是三天线定向体制。
（4）多普勒定向体制
多普勒定向体制是根据电波在传播中，遇到与它相对运动的定向天线时，被接收的电波信号产生多普勒效应，测定多普勒效应产生的频移，可以确定来波的方向。为了得到多普勒效应产生的频移，必须使定向天线与被测电波之间做相对运动，以足够高的速度运动来实现的，当定向天线完全朝着来波方向运动时，多普勒效应频移大。其特点是定向灵敏度高，准确度高，但抗干扰性能较差，如遇到同信道干扰、调频调制干扰时，会产生定向误差。比如德国贝克公司的SAR-ADF517定向机就是多普勒定向体制。
（5）空间谱估计定向体制
空间谱估计定向体制是在已知坐标的多元天线阵中，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。其特点是空间谱估计定向技术可以实现对几个相干波同时定向；可以实现对同信道中、同时存在的多个信号同时定向；仅需要很少的信号采样，就能精确定向，因而适用于对跳频信号定向，定向灵敏度和定向准确度都比较高；定向场地环境要求不高，可以灵活选择天线阵元方向特性及阵元位置。以上空间谱估计定向的优点，正是解决了传统定向方法长期以来存在的难题。
2.无线电定向系统主要指标
无论采用何种无线电定向体制的定向系统均有定向灵敏度、准确度、定向时间和抗扰度等主要指标。
（1）定向准确度
定向系统实测得的定向角度与该方位的真值之间的符合程度，称为定向准确度。定向系统的准确度分为绝对准确度和相对准确度两种。
①绝对准确度：定向系统实测的方位角度与真实方位角度之间的误差即为绝对准确度。一般用Δθ表示，单位是度。数学公式为：
Δθ=θ实测—θ实际
②相对准确度：同一系统在3600范围不同间隔角度测得的方位的均方根值即为相对准确度，一般用ɑ表示。数学公式为：
式中Xi为每个方位实测值，X为n个方位测试值的平均值，n为实测方位的个数，ɑ为n个方位的均方根值。
（2）定向灵敏度
定向灵敏度是对定向系统有效作用范围大小或对弱信号定向处理能力进行度量的指标。定向灵敏度用定向方位的均方根值不超过某个规定值时所要求的信号场强来表述。定向灵敏度与所采用的定向体制和设计制造水平有关，其中包括采用的天线形式、接收机及定向算法等。
（3）抗扰度
无线电定向的理论基础是电磁波传输时有一个理想的场分布，常称无失真的谐波场，天线阵列范围内场的幅度是均匀，等相位线（面）与传输垂直方向，且符合时延关系。但实际上这种理想的场是不存在的，其原因是电场常受到反射干扰、信息调制干扰以及同道波的干扰等，而使定向产生误差。这种实际定向环境中干扰误差的大小与采用的定向体制和定向算法紧密相关，抗扰度就是表述各定向体制抗多种干扰能力的指标。
（4）定向时间
定向时间就是定向系统收到定向信号到经过处理得到定向角度信息的时间，它与采用的算法和定向体制有关。采用旋转天线的比幅测量法和多普勒定向所需的时间较长，不利于对猝发信号的定向，相关干涉定向法的定向处理时间最短。
3.影响定向准确度的因素
定向系统的定向误差是定向准确度的量度，表示偏离真值的量。造成定向误差可能的因素有以下三点：
①在选用定向系统的数理模型和计算方法时其固有的近似算法引起的固有误差；还有在测试时选用的测试方法引起的误差，这些可以通过数理统计的方法加以补偿修正。
②设备性能不完善引起的误差；在定向设备的定向天线、收发信机设计制造时制造工艺不完善而引起的误差，如发射信号的不稳定、接收设备的指标差等。
③环境条件（定向天线安装环境、大气噪声干扰、温度、地形和电磁波传播条件的变化等）引起接收、发射设备参数发射变化引起的误差。在规定定向系统的准确度时，通常不把操作中的人为误差包括在内。
综上所述，采用比幅式定向系统定向灵敏度、定向准确度和抗干扰能力均适中，定向时效较差。
建议在研制定向系统时根据用户的需求合理综合选用定向体制、实现的数理模型和技术方式，达到高的性价比。对于测量连续波（信标音），建议采用多普勒频移定向体制。对测量猝发信号（小于1S），抗干扰能力要求较高的场合，建议采用相关干涉仪定向体制。在定向系统的使用时，要注意定向天线的安装，防止周围物体的反射干扰影响天线的方向图而引起定向误差，使定向设备不能完成正常功能。
参考文献
1.张虹主编 《电子测量技术》 北京航空航天大学出版社 2009，7
2.黄智刚 主编《无线电导航原理与系统》 北京航空航天大学出版社， 2007，6
3.吴德伟 主编 《无线电导航系统》 电子工业出版社，2015，5
4.无线电导航 超星 2016，11
[关键词]无线电定向技术 系统 体制 指標分析
中图分类号：TM139 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）21-0143-01
利用无线电定向技术实现的导航引导设备通称为无线电定向系统，广泛应用于飞行器和船舶等的导航引导。随着无线电技术的迅猛发展，无线电定向系统逐步完善并得到发展，成为航空、航海和陆路交通可以完全依赖技术手段。
1.无线电定向体制
目前常用的有比幅度式、比相位式、干涉仪、多普勒和空间谱估计等五种无线电定向体制。
（1）比幅度式定向体制
比幅度式定向体制是根据波在行进中，利用定向天线的方向特性，对不同方向来波接收信号幅度的不同，测定来波方向。其特点是定向原理直观明了，设备相对简单，存在极化误差。定向灵敏度和准确度适中、定向时间比较长、抗干扰能力差。中波罗盘，机械式超短波定向机等都是利用比幅度式定向体制。
（2）比相位式定向体制
比相位式定向体制是根据波在行进中，利用地面导航台发射迅速旋转的方向图，对不同方向来波接收信号相位的不同，测定来波方向。其特点是定向原理直观明了，设备相对简单，但存在极化误差；定向灵敏度和准确度适中、定向时间较长、有一定抗干扰能力。如伏尔导航系统、电子式超短波定向机均属于比相位式定向方法。
（3）干涉仪定向体制
干涉仪定向体制是根据电波在行进中，从不同方向来的电波到达天线阵时，各天线接收电波的相位不同，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。在干涉仪定向方式中，是直接测量定向天线感应电压的相位，按照天线单元的多少选择相应的数学模型对应的公式计算出方位角。其特点是采用变基线技术，采用多信道接收机、扩频、数字处理和询问应答等技术。这种定向方法的定向灵敏度高、准确度高、速度快，有一定的抗干扰能力。干涉仪定向是当代比较好的定向体制，技术较复杂、难度较大，因此造价较高。干涉仪定向对接收信号的幅度不敏感，定向天线在空间的分布和天线的架设间距，比幅度比较式定向灵活，但又必须遵循一定的规则。可以是二天线、三天线、四天线等。比如美国的ARS-6机载救生电台是二天线定向体制、以色列的ARS-700机载救生电台是三天线定向体制。
（4）多普勒定向体制
多普勒定向体制是根据电波在传播中，遇到与它相对运动的定向天线时，被接收的电波信号产生多普勒效应，测定多普勒效应产生的频移，可以确定来波的方向。为了得到多普勒效应产生的频移，必须使定向天线与被测电波之间做相对运动，以足够高的速度运动来实现的，当定向天线完全朝着来波方向运动时，多普勒效应频移大。其特点是定向灵敏度高，准确度高，但抗干扰性能较差，如遇到同信道干扰、调频调制干扰时，会产生定向误差。比如德国贝克公司的SAR-ADF517定向机就是多普勒定向体制。
（5）空间谱估计定向体制
空间谱估计定向体制是在已知坐标的多元天线阵中，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。其特点是空间谱估计定向技术可以实现对几个相干波同时定向；可以实现对同信道中、同时存在的多个信号同时定向；仅需要很少的信号采样，就能精确定向，因而适用于对跳频信号定向，定向灵敏度和定向准确度都比较高；定向场地环境要求不高，可以灵活选择天线阵元方向特性及阵元位置。以上空间谱估计定向的优点，正是解决了传统定向方法长期以来存在的难题。
2.无线电定向系统主要指标
无论采用何种无线电定向体制的定向系统均有定向灵敏度、准确度、定向时间和抗扰度等主要指标。
（1）定向准确度
定向系统实测得的定向角度与该方位的真值之间的符合程度，称为定向准确度。定向系统的准确度分为绝对准确度和相对准确度两种。
①绝对准确度：定向系统实测的方位角度与真实方位角度之间的误差即为绝对准确度。一般用Δθ表示，单位是度。数学公式为：
Δθ=θ实测—θ实际
②相对准确度：同一系统在3600范围不同间隔角度测得的方位的均方根值即为相对准确度，一般用ɑ表示。数学公式为：
式中Xi为每个方位实测值，X为n个方位测试值的平均值，n为实测方位的个数，ɑ为n个方位的均方根值。
（2）定向灵敏度
定向灵敏度是对定向系统有效作用范围大小或对弱信号定向处理能力进行度量的指标。定向灵敏度用定向方位的均方根值不超过某个规定值时所要求的信号场强来表述。定向灵敏度与所采用的定向体制和设计制造水平有关，其中包括采用的天线形式、接收机及定向算法等。
（3）抗扰度
无线电定向的理论基础是电磁波传输时有一个理想的场分布，常称无失真的谐波场，天线阵列范围内场的幅度是均匀，等相位线（面）与传输垂直方向，且符合时延关系。但实际上这种理想的场是不存在的，其原因是电场常受到反射干扰、信息调制干扰以及同道波的干扰等，而使定向产生误差。这种实际定向环境中干扰误差的大小与采用的定向体制和定向算法紧密相关，抗扰度就是表述各定向体制抗多种干扰能力的指标。
（4）定向时间
定向时间就是定向系统收到定向信号到经过处理得到定向角度信息的时间，它与采用的算法和定向体制有关。采用旋转天线的比幅测量法和多普勒定向所需的时间较长，不利于对猝发信号的定向，相关干涉定向法的定向处理时间最短。
3.影响定向准确度的因素
定向系统的定向误差是定向准确度的量度，表示偏离真值的量。造成定向误差可能的因素有以下三点：
①在选用定向系统的数理模型和计算方法时其固有的近似算法引起的固有误差；还有在测试时选用的测试方法引起的误差，这些可以通过数理统计的方法加以补偿修正。
②设备性能不完善引起的误差；在定向设备的定向天线、收发信机设计制造时制造工艺不完善而引起的误差，如发射信号的不稳定、接收设备的指标差等。
③环境条件（定向天线安装环境、大气噪声干扰、温度、地形和电磁波传播条件的变化等）引起接收、发射设备参数发射变化引起的误差。在规定定向系统的准确度时，通常不把操作中的人为误差包括在内。
综上所述，采用比幅式定向系统定向灵敏度、定向准确度和抗干扰能力均适中，定向时效较差。
建议在研制定向系统时根据用户的需求合理综合选用定向体制、实现的数理模型和技术方式，达到高的性价比。对于测量连续波（信标音），建议采用多普勒频移定向体制。对测量猝发信号（小于1S），抗干扰能力要求较高的场合，建议采用相关干涉仪定向体制。在定向系统的使用时，要注意定向天线的安装，防止周围物体的反射干扰影响天线的方向图而引起定向误差，使定向设备不能完成正常功能。
参考文献
1.张虹主编 《电子测量技术》 北京航空航天大学出版社 2009，7
2.黄智刚 主编《无线电导航原理与系统》 北京航空航天大学出版社， 2007，6
3.吴德伟 主编 《无线电导航系统》 电子工业出版社，2015，5
4.无线电导航 超星 2016，11