无线电测向基础原理.docx

1 无线电测向基础1.1 示向度为了确定某个目标的方位，必须确定连接该目标至已知坐标的点的直线同某个起始方向（起始线）之间的夹角。例如，在点X上有一个须要确定方位的目标，而点A的地理坐标已知，那么，点X和点A的连线同地理正北方向之间的夹角称为示向度（图1-1）。这就是说，示向度是以已知地理坐标的观测点A的地球子午线的指北方向沿顺针方向旋转至点A与被测目标连线所转过的角度。其取值范围：0示向度360。无线电测向是用无线电技术手段确定来波的示向度。请注意，无线电测向设备所测定的是来波的示向度（到达角），由于电波传播中可能出现的不正常现象会导致其等相位面畸变，因而来波的到达角未必是其辐射源所在的方位。NXNAB图1-1 测向与定位1.2 交会定位只在一个已知地理坐标的点测向，只能得到一条方位线，而不能得到一个定位点。为了实现定位，必须产生两条或两条以上相互独立的方位线。例如，点X有一个须要确定位置的目标，而点A与点B的地理坐标已知，那么，由点A和点B测得示向度和与相应的方位线和，方位线与的交点，就认为是目标位置（图1-1）。如果用条方位线交会定位，那么，由于测向误差的影响，在目标真实位置W周围将得出最多可达个交会点。 由下式得出： （1-1）式中，用于交会定位的方位线的条数。目标真实位置w仅以一定的概率位于这些交点所构成的多边形内。这个概率 （1-2）式中，用于交会定位的方位线的条数。随着用于交会定位的方位线的条数的增多而增大。表1-1是根据式（1-2）制得的。表1-1 目标位于方位线交点多边形内的概率与方位线条数的关系用于交会定位的方位线的条数34567目标真实位置w位于方位线交点所构成的多边形内的概率0.250.500.690.810.891.3 电磁波电磁场是相互联系着的电场与磁场的总和。由发射天线辐射出来的无线电波的电磁场是行波场：电磁场的相位随着电波传播的路程成比例地变化，而幅度变化比较小。所有辐射体都建立感应场与辐射场。离辐射体较近的距离内（小于一个波长），主要存在着静电感应场与电磁感应场。静电感应场的场强与离辐射体的距离的立方成反比；电磁感应场与这个距离的平方成反比。在这一区域内辐射场相当小。随着远离辐射体，感应场很快衰减。离辐射体的距离大于23个波长，实际上就只存在辐射场。在自由空间中，辐射场的场强与离辐射体的距离成反比。在辐射场区，电场强度矢量与磁场强度矢量互相垂直，它们又垂直于表征电磁场能量传播方向的坡印廷矢量（图1-2）。在自由空间传播时，等相位面形成辐射体位于球心的同心球面。这种电波称为球面波。图1-2 电磁场各矢量的相互分布在距发射天线甚远处，靠近观察点的那部分等相位面可以认为是平面，亦即可以认为电波是平面波。电磁波在自由空间（即不受干扰）的传播，其等相位面在地面上的投影开始是以电磁辐射源为中心的同心圆，逐渐变为垂直于电磁辐射源方向的直线。由此可见，电磁波带有方向信息，即电磁辐射源的方向可由电磁波的等相位面的法线方向的反方向来确定。这就是无线电测向的物理基础。无线电测向的实质的就是确定入射电磁波（以下简称为“来波”）的等相位面的法线方向。无线电测向设备就是用来确定来波的等相位面的法线方向的技术装置。来波方向，即方位线（示向线），就由从测向天线中心对等相位面的垂线确定。在介质（例如，大地与空气）分界面附近或者是遇到某种障碍物或二次辐射体（山体、树木、天线等等）时，电磁场结构将发生畸变。电磁波在自由空间的传播是一种理想情况。只有在这种无干扰的电波传播环境下，无线电测向设备所测得的来波方向（示向线）才同辐射源所在的真实方位一致。实际上，这个理想的等相位面会因传播介质的不均匀和不连续而畸变。理想的等相位面还会因多径传播而畸变。这些畸变造成电磁波的等相位面的垂线偏离了电磁辐射源方向。这使得无线电测向设备所测得的来波方向并不是其辐射源所在方位。引起测向误差（辐射源的真实方位同所测得的来波方向之间的角度差）的主要原因就在这里。电场强度矢量与磁场强度矢量始终互相垂直，但可以具有各种不同的方向。为了表征电磁场的这两矢量的方向，引入了“极化”这一概念。电波的电场强度矢量相对于传播面的指向称为电磁场的极化。所谓传播面是包含传播方向且与地面垂直的平面。因为能够由一个场强确定另一个场强，所以表述一个场强就足够了。为此选择了电场强度的指向。可以看到下列类型的极化。a、 正常极化，即垂直极化，此时电场强度矢量处于传播面内，如图1-3所示。图中ZY为垂直平面。b、 非正常极化，此时电场强度矢量同传播面构成某一角度。水平极化是非正常极化的特殊情况，此时电场强度矢量是水平的，即垂直于传播面的，而磁场强度矢量在传播面内。 正常极化与非正常极化都是线极化。在线极化的情况下，电场强度矢量可以分解为两个相位一致分量：位于传播面内的分量（垂直极化分量）和垂直于传播面的分量（水平极化分量）。c、 椭圆极化，此时电场强度矢量的位于传播面内的分量（垂直极化分量）与垂直于传播面的分量（水平极化分量）之间存在相移，电场强度矢量终端的轨迹在一个高频周期内是一个椭圆。该矢量的旋转方向取决于两个分量之间的相位差。圆极化是椭圆极化的特殊情况，此时两个分量彼比相等而相位差为90电波可能以向上或向下倾斜的方向传播。当电波是水平极化时，无论以什么方向传播，电场强度矢量总是水平的；可是，当电波是垂直极化时，尽管电场强度矢量也处于垂直面（即传播面）内，但是电场强度矢量并不一定与地面垂直。图1-3给出了这种电波传播面的一部分。传播方向是向下倾斜的，电场强度矢量也是倾斜的。这一垂直极化波的电场强度矢量又可分解为垂直分量和水平分量。这两个分量都在传播面内，垂直分量与地面垂直，水平分量与地面平行。这个垂直极化波的电场强度矢量的水平分量与水平极化波是不同的。水平极化波的电场强度矢量平行于地面而垂直于传播面。垂直分量电场强度矢量水平分量传播方向图1-3 下行垂直极化波的电场电波电场强度矢量的方向是由发射天线的电流方向确定的。电视广播和调频广播所用发射天线为水平极化天线，其所辐射的电波是水平极化的。GSM和CDMA等移动通讯系统的基站的发射天线是垂直极化的，它辐射的是垂直极化波。理论上，水平极化波是不能在垂直极化的接收天线上产生感应电压的，而垂直极化波也不能在水平极化的接收天线上产生感应电压。实际上，由于结构、制造和安装诸多原因，垂直极化天线和水平极化天线都并非理想的，极化方向与之正交的电波或多或少会在其上产生感应电压。此外，电波在传播路径上产生的极化偏移，也会使垂直极化的接收天线上有来自水平极化的发射天线的信号或水平极化的接收天线上有来自垂直极化的发射天线的信号。无线电测向设备通常只利用天线对电场的两个分量之一（垂直极化分量或水平极化分量）的响应来测向。不能用对垂直极化波测向的设备来对水平极化波测向，也不能用对水平极化波测向的设备来对垂直极化波测向。无线电测向设备的实际使用环境一般同时存在电场的垂直极化分量和水平极化分量，因而可能有