通信对抗原理专家讲座

第3章通信信号测向与定位3.1测向与定位目标、分类和方法3.2测向天线3.3振幅法测向3.4相位法测向3.5相关干涉仪测向3.6多普勒测向3.7抵达时差测向3.8空间谱预计测向3.9通信辐射源定位1西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第1页第3章通信信号测向与定位作业：习题3－1习题3－3习题3－4习题3－62西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第2页3.1测向定位目标、分类和方法1)通信辐射源测向系统——组成

通信测向设备包含测向天线、接收机、处理器、控制器和显示器等设备。测向天线测向接收机测向处理、控制及显示单元3西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第3页3.1测向定位目标、分类和方法1)通信辐射源测向系统——组成测向天线：单个天线；普通为多个天线阵元，排列成不一样结构；测向接收机：对信号选择放大，为测向处理提供幅度特征和相位特征适当中频信号。能够采取单信道、多信道接收机；测向处理、控制及显示单元：对信号进行模-数变换（A/D）、处理和运算，从信号中提取方位信息，并对测向结果进行存放、显示或打印输出。它另一功效是控制测向设备各部分（测向天线、接收机、测向处理显示器、输出接口等）协调工作。4西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第4页3.1测向定位目标、分类和方法2)测向系统主要技术指标工作频率范围：它是指通信测向和定位系统工作频率范围；测向范围：它是指通信测向和定位系统可测向空域范围；瞬时处理带宽：测向或定位处理器瞬时处理带宽决定了测向或定位设备瞬时射频带宽；测向和定位误差：包含测向和定位准确度、测向和定位精度等指标；

测向反应时间：两种不一样表述方式，（1）测向和定位速度（2）允许信号最短连续时间测向灵敏度测向和定位灵敏度：是在确保允许测向示向度偏差（测向误差）或定位误差条件下所需被测信号最小场强，通常以μV/m为单位。测向方式：守候式测向、扫描式测向、搜索引导式测向、要求时限测向、连续测向；（测向法）交叉定位、时差定位等。

5西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第5页3.2测向天线天线是通信反抗系统传感器，其作用是将电信号转换为电磁信号（干扰），或者将电磁信号转换为电信号（侦察和测向）。通信反抗系统天线是宽频段天线。测向系统普通采取由多个单元天线（或称“阵元”）组合形成天线阵列，方便确定来波方向。在一些情况下，也能够采取一个单元天线，完成测向任务。6西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第6页3.2测向天线线天线偶极子天线单极子天线环形天线交叉环形天线对数周期天线螺旋天线口径天线喇叭天线抛物面天线有源天线阵列天线7西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第7页3.3振幅法测向1）最大幅度法利用窄波束侦察天线，以一定速度在测角范围内连续搜索，当收到通信信号最强时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号抵达方向角。8西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第8页3.3振幅法测向1）最大幅度法——测角误差和角分辨率最大幅度法测角误差与波束宽度平方成正比，与检测信噪比成反比。最大幅度法角度分辨率主要取决于测向天线波束宽度，而波束宽度与天线口径d相关。依据瑞利光学分辨率准则，当信噪比大于10dB时，角度分辨率为：

(2.4-6)优点：(1)测向系统灵敏度高；(2)成本低，它只需要单个通道；(3)含有一定多信号测向能力；(4)测向天线能够与检测共用。缺点：(1)空域截获概率反比于天线方向性；(2)难以对驻留时间短信号测向；(3)测向误差较大。9西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第9页3.3振幅法测向2）最小振幅法最小幅度法测向基本原理是，利用窄波束侦察天线，以一定速度在测角范围内连续搜索，当收到通信信号最小时，侦察天线波束指向就是通信辐射源信号抵达方向角。最小幅度法实际上是将侦察天线波束零点对准来波方向。当波束零点对准来波方向时，天线感应信号为零，测向接收机输出信号为零，此时天线零点方向就判断为来波方向。最小幅度法测向精度和角度分辨率比最大幅度法高，测向方法简单，能够使用简单偶极子天线测向。这种方法主要用于长波和短波波段。

10西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第10页3.3振幅法测向3）单脉冲比幅法——原理框图单脉冲相邻比幅法使用N个相同方向图函数天线，均匀分布到360度方向。比较相邻两个天线输出信号幅度，取得信号抵达方向。

11西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第11页3.3振幅法测向3）单脉冲比幅法——原理当采取高斯方向图函数时，输出对数电压比为

或者

可见，波束越窄、天线越多，误差越小。与最大/最小振幅测向法相比，相邻比幅测向法优点是测向精度高，含有瞬时测向能力，不过其设备复杂，而且要求多通道幅度响应含有一致性。12西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第12页3.3振幅法测向4）沃森—瓦特(Watson-watt)测向它利用正交测向天线信号，分别经过两个幅度和相位响应完全一致接收通道进行变频放大，然后求解或者显示（利用阴极射线管显示）反正切值，解出或者显示来波方向。沃森—瓦特测向法详细实现时，能够采取多信道（三信道），也能够采取单信道。13西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第13页3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向工作原理以四天线阵（爱德柯克，Adcok）为例，说明沃森-瓦特测向基本原理。如图所表示，当一均匀平面波以方位角，仰角照射到正交天线阵。天线阵中心点接收电压为以真北方向为基准，在圆阵均匀分布四个天线单元取得电压为：14西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第14页3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理天线阵输出是两组天线差信号，近似为：

天线阵之输出差信号幅度分别是方位角余弦函数和正弦函数，是仰角余弦函数。天线阵输出和信号为在一定条件下，和差信号积为15西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第15页3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理经过低通滤波后，输出信号为：能够求到和分别为16西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第16页3.3振幅法测向4）沃森—瓦特测向原理传统沃森-瓦特测向采取CRT显示抵达角。将两个差通道输出电压分别送到偏转灵敏度一致阴极射线管垂直和水平偏转板上，在理想情况下，在管光屏上将出现一条直线，它与垂直方向夹角为就是方位角。普通情况下，电波存在干涉，显示图形就不再是一条直线而是一个椭圆，它长轴是指示来波方向。当代沃森-瓦特测向采取数字信号处理技术，经过数字滤波器提取信号，计算来波方向。多信道沃森-瓦特测向特点是测向时效高、速度快、测向准确、可测跳频信号，而且CRT显示能够分辩同信道干扰。不过其系统复杂，而且要求接收机通道幅度和相位一致，实现技术难度较高。单信道沃森-瓦特测向系统简单、体积小、重量轻、极大性能好，不过测向速度受到一定限制。17西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第17页3.4相位法测向1）单基线干涉仪测向——原理框图在原理上相位干涉仪能够实现快速测向

18西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第18页3.4相位法测向1）单基线干涉仪测向——原理单基线相位干涉仪有两个完全相同接收通道。设有一个平面电磁波从天线视轴夹角方向抵达测向天线1和2，则天线阵输出信号相位差

(2.4-25)假如两个接收通道幅度和相位响应完全一致，正交相位检波输出

(2.4-26)K为系统增益。进行角度变换，得到测向输出

(2.4-27)单基线干涉仪无含糊测角范围[－max,max]为19西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第19页3.4相位法测向2）一维多基线相位干涉仪测向——原理在多基线相位干涉仪中，利用长基线确保精度，短基线确保测角范围。3基线相位干涉仪原理以下列图所表示：20西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第20页3.4相位法测向2）一维多基线相位干涉仪测向——原理其中0天线为基准天线，它与其它天线基线长度分别为l1、l2、l3，且满足

(2.4-30)四个天线接收信号经过混频、限幅放大，送给三路鉴相器，其中0通道为鉴相基准。经过鉴相得到6个输出信号：其中

(2.4-31)这6路信号经过加减电路，极性量化器，编码器产生8bit方向码输出。设一维多基线干涉仪基线数为k,相邻基线长度比为n，最长基线编码器量化位数为m，则其理论测向精度为

(2.4-32)21西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第21页3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵一维相位干涉仪原理能够很轻易推广到二维和多维相位干涉仪二维相位干涉仪天线排列方式比较灵活，如L形、T形、均匀圆阵、三角形、多边形等。下面介绍圆阵22西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第22页3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵各天线阵元接收信号能够表示为：

(3.4-9)其中为天线位置矢量，，为波达方向导向矢量：

(3.4-10)设天线阵元i接收信号相对于抵达坐标原点处信号时延相位，则天线阵元1、2和天线1、3之间接收信号真实相位差和分别为：

(3.4-11)23西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第23页3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵设是在阵列平面上投影，即，依据式(3.4-10)有：

(3.4-13)令，可得到预计为：

(3.4-14)综合上面两式，能够得到：

(3.4-15)而且真实抵达角预计为：24西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第24页3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵综合上面两式，能够得到：

(3.4-15)而且真实抵达角预计为：25西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第25页3.4相位法测向3）相位干涉仪——二维圆阵主要结论（1）方位角和仰角预计误差与基线组和相位、差相位测量误差和成正比，与天线间距与信号波长比成反比。（2）测量准确度与入射波方位角和仰角相关。当相位差测量误差固定时，预计误差随入射方位角改变以正弦关系改变；即入射波仰角越低，对方位角预计准确度越高，对仰角预计越差。26西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第26页3.4相位法测向4）相位干涉仪测向——特点相位干涉仪测向特点是，含有较高测向精度，但测向范围不能覆盖全方位，其测向灵敏度高，速度快。干涉仪能够方便与当代数字信号处理技术结合，是一个得到广泛应用测向技术。其缺点是没有同时信号分辨能力，所以通常必须先对信号进行频率测量，才能进行方向测量。另外其技术复杂、成本高。27西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第27页3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪组成双通道相关干涉仪采取多阵元天线、双通道接收机，实现对信号监测和测向，能够分时实现全方位测向，得到较高测向精度。天线阵接收无线电电波信号，经天线开关切换后进入两个射频通道，变频为中频信号，再由两路ADC进行采样，采样数据做FFT处理。经过屡次天线切换后，能够计算出不一样天线接收信号相位和相位差，最终进行相关干涉测向处理得到信号方位角。28西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第28页3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪——测向原理相关干涉仪实际上上将测量得到信号电压样本与预先存放模板数据进行相关运算，按摄影关性判断来波方向。其测向过程以下所述：设置一个天线阵列，天线阵列普通为圆形，阵元普通为3～9个；对给定方向、给定频率已知（校正信号）抵达波，测出阵列中各阵元间复数电压，即为对应方向、频率信号复数电压数组或模板；在所设计天线阵列工作频率范围内，按一定规律选择方位、频率，依次建立样本群，作为标准模板存起来，形成相关计算标准数据库；对未知信号测向时，先按照采集样本规则采集未知信号，得到其复数数组，并将该数组与数据库中模板群进行相关运算和处理，求出被测信号方向。29西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第29页3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪——相关过程模板群是预先标定和存放好，实际工作时只需要测量和提取未知信号复数数组。设某给定频率和方向未知信号复数数组为：

(2.4-33)数据库中对已知信号测量得到复数数组为：

(2.4-34)则其相关系数为：

(2.4-35)其相关系数最大值相对应原始相位样本值所代表方位值,就是空间实际入射信号方位角。30西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第30页3.5相关干涉仪测向双通道相关干涉仪——推广在数字化测向系统中，信号复数电压计算通常利用FFT实现。这么数字化测向处理系统主要任务是两个，一个是提取复数电压，它能够利用FFT实现；另一个是进行相关处理。双通道相关干涉仪测向系统中，经过天线开关依次接通多单元圆阵列中一个天线对,每个天线对能够得到一个复数电压，多个天线对得到一组复数电压。双通道与多通道主要差异是，双通道测向系统分时获取复数电压矢量，而多通道测向系统同时得到复数电压矢量。当被测信号在测量时间内频率、位置和信号参数不变时，二者结果是等价，不过双通道测向系统需要测向时间会比多通道长。基于复数电压测量相关干涉仪测向体制以其含有测向准确度高、测向灵敏度高、测向速度快、抗干扰能力强、稳定性好、设备复杂度较低等优点，成为当前无线电监测中主流测向体制。31西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第31页3.6多普勒测向多普勒测向——概述多普勒效应就是当目标（辐射源）与观察者之间作相对运动时，观察者接收到信号频率不一样于目标辐射信号频率现象。在多普勒测向系统中，多普勒效应产生并不需整个测向系统做相对于目标运动，只要测向天线相对于目标作相对运动就行了。当测向天线向着目标移动时，多普勒效应就使接收到信号频率升高；反之，天线背离目标移动时，则接收到信号频率降低；当测向天线沿着圆周运动（如天线旋转）时，接收到来波信号频率及其相位都按正弦调制方式改变。实际应用中经常采取模拟旋转方法，即在圆周上均匀地安放固定天线阵元，借助于电子开关，以较快角频率ω依次轮番地接通各阵元，以模拟天线旋转。这种利用模拟天线旋转取得接收信号相位调制或频率调制进行测向技术，被称为准多普勒测向技术。32西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第32页3.6多普勒测向1）多普勒测向基本原理当测向天线沿着一个半径为R圆形轨道，以角频率r旋转时，以方位角和俯仰角入射信号所产生瞬时电压为

(2.4-37)对窄带信号，设A(t)=A,(t)=0。对瞬时电压信号进行鉴相，得到

(2.4-38)对瞬时相位求导，经过低通滤波器，能够得到瞬时频率

(2.4-40)将它与相同频率参考信号进行相位比较，就能够得到方位角值。33西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第33页3.6多普勒测向1）多普勒测向基本原理多普勒天线在旋转一周对应瞬时频率改变范围为所以，旋转天线切向速度与多普勒频率等参数关系为

(2.4-41)假如多普勒频率为＝100Hz，信号频率为＝30MHz，则按照上式计算要求天线切向速度为10,000m/s，这么速度是机械装置无法实现。所以，通常使用高速射频开关，次序扫描排列成圆阵全向天线来代替机械装置，实现准多普勒测向。34西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第34页3.6多普勒测向2)数字化多普勒测向技术利用当代数字处理技术新型多普勒测向技术，不论是双信道，还是三信道，都能够很好地处理上述那些模拟双(多)信道多普勒测向技术存在缺点。这里以三信道赔偿型多普勒测向设备为例说明其工作原理，其原理以下列图所表示：

35西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第35页3.6多普勒测向2)数字化多普勒测向技术全向天线（参考天线）上感应信号（参考信号）馈入参考信道。多普勒天线阵列中第n和n+(N/2)个阵元上感应信号，经过扫描单元分别馈入两个测向信道。三路信号均经过接收信道放大、混频、增益控制，变换成适当电平中频信号输出。对三路中频输出信号进行模-数变换，把信号样本分别送至两个测向信道信号处理器，实现数字混频，消除信息调制引发频率偏移；再对数字混频输出序列进行DFT，提取测向阵元上多普勒相移。而且相减以消除A/D引入量化相移，从而得到测向阵元上多普勒相移。顺时针旋转至下两个天线阵元，重复直至旋转一周为止。依据工作频率，对阵元上多普勒相移进行一阶或二阶差分处理，消除相位含糊。然后，对N（多普勒测向天线阵列中阵元数）个离散多普勒相移进行数字傅里叶变换，提取方位角。36西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第36页3.6多普勒测向多普勒测向特点多普勒测向与一些较老测向方法相比，主要优点以下。多普勒频移改变规律严格与来波入射角相关，故其测向误差较小。多普勒测向天线阵列能够做得很大，不会产生间距误差，且天线阵列电波干涉误差以及由周围反射体引发环境误差较小。多普勒测向极化误差很小。如当来波含有垂直极化和水平极化分量时，馈线接收水平极化分量所产生多普勒频移，其方向性与垂直极化相同，不会引发极化误差。多普勒测向采取超外差接收机，其灵敏度较高。多普勒测向能够测出来波仰角。因为只要测出多普勒频移绝对值便可求得来波仰角，所以短波波段多普勒测向设备能够利用这一性能来实现单站定位。37西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第37页3.7抵达时差测向1）抵达时间差测向基本原理抵达时间差(TDOA)测向（简称“时差测向”）技术，利用同一电波抵达测向天线阵各阵元之间时间差来测量来波方向。时差测向系统采取多个分离天线阵元，在接收同一个辐射源来波信号时，因为存在电波传输行程差引发接收时间差异，其抵达时间差是来波方向角函数，经过计算能够求出来波方向。38西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第38页3.7抵达时差测向1）时差测向基本原理从两副基线间距为d天线上测得一个信号抵达时间差值中，可取得抵达方向信息。时差测向原理如图所表示：

39西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第39页3.7抵达时差测向1）时差测向基本原理设入射信号以方位角和俯仰角抵达天线阵列，天线阵元1与阵元2、阵元3间距为d，以天线阵元1作为参考，它和阵元2、3时间差为：

(2.4-42)式中c为光速。若阵元间距d单位为m，时间单位为ns，则有:

(2.4-43)当测向系统对天线口径要求d/λ≤0.5时，时间差与工作频率无关。由上式可得水平和俯仰抵达角分别为：

(2.4-44)40西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第40页3.7抵达时差测向2）时间差测量技术尤其应提出是，时间间隔测量技术先进程度决定了时差测量基线能够短到什么程度。二十世纪六十年代中，抵达时间差系统可在100m基线上工作；到八十年代，基线可短至几十米，已可与机动平台兼容工作；九十年代及其之后，伴随时间间隔测量准确度和分辨力不停提升，短基线时差测向系统已得到越来越多应用。时差测向技术是雷达侦察中主要测向技术之一，因为大多数雷达信号都是脉冲信号，所以它抵达时间测量是十分方便。而大多数通信信号是连续波信号，它没有雷达脉冲上升沿或下降沿作为时间测量参考点，所以必须采取相关法获取信号抵达时差。相关法时差测量；循环谱相关时差测量；41西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第41页3.7抵达时差测向2）相关法时间差测量设天线1接收信号是x(t)，天线2接收同一个信号为x(t-)，其中τ是因为波程差引发延时。二者相关函数为

(2.4-44)相关函数峰值所对应时间τ将是这两个信号之间时间差。假如忽略噪声影响，理论上求得时差将不存在误差。但因为噪声影响，会引发时差测量误差，利用相关法计算信号时间差精度极限为

（2.4-45）其中，E为信号能量；N0为单位带宽内噪声功率；B为信号均方根等效带宽。这就表明，信号带宽越宽，信号时间长度越长，信噪比越高，可能取得时间差精度将越高。42西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第42页3.9通信辐射源定位技术通信测向和通信定位普通又称作“无线电测向和无线电定位”。测向是指利用无线电测向设备测定从测量点观察目标（辐射源）所处位置水平方向过程。它与普通通信侦察所不一样是：在测向时候我们感兴趣只是目标信号来波（入射波）方向，而不是信号本身。经过多个不一样位置测向设备测量信号来波方向，可确定目标位置，该过程叫做定位。当然，也能够利用其它方法进行定位，如时差定位、频差定位等。

43西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第43页3.9.1测向定位技术1)单站定位单站定位也称做垂直三角定位。主要是在短波波段，经过测量电离层反射波方位和仰角，再依据电离层高度计算目标位置定位技术。如图2.4-14所表示，已知测向站D坐标为（XD，YD），电离层高度为H，测得方位角为θ、仰角为β之后，按照三角函数关系就能够很方便地计算出目标T地理位置坐标（XT，YT）。ZXβθHY测向站D目标台T电离层44西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第44页3.9.1测向定位技术2)多站交叉定位－双站双站定位也称为双站交叉定位，是通信反抗领域中确定目标位置最惯用也是最基本方法。因为两个测向站地理位置是已知，两测向站测得目标方位角θ1和θ2也是已知，两条方位线交点就是目标辐射源地理位置，其坐标（XT，YT）可经过计算求得。2NNABCD测向站1测向站21245西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第45页3.9.1测向定位技术2)多站交叉定位－双站假如测向站地理位置是准确无误，两测向站示向也是没有误差，那么定位就是准确一个点。但实际上测向误差是不可防止，所以示向线不会是一条线，而是一个区域。交会点变成了四边形ABCD（见图2.4-15所表示），这个四边形所包围区域就叫定位含糊区。含糊区越大，定位误差就越大。据分析和实际测量得到结论是：定位误差大小与测向误差、定位距离和测向站布署相关。当测向站测向误差越小，两测向站与目标距离平方和越小，定位误差就越小；而若两测向站与目标夹角为90度时，定位误差最小。46西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第46页3.9.1测向定位技术2)多站交叉定位－多站由位于不一样位置三个或三个以上测向站对目标辐射源进行测向，然后交会定位方法称为多站定位。以三站定位为例，假如三个测向站测向结果都没有误差，那么三条示向线必定会交于一点，这个点就是目标真实位置。不过，测向误差总是不可防止，所以三条示向线不能确保只相交于一点，而是如图所表示。测向站1测向站3测向站247西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第47页3.9.1测向定位技术3)多站交叉定位－多站假设方位误差呈高斯分布，那么三个测向点方位随机分布产生一个椭圆型不定区域。随机方位误差被定义为标准偏差或均方根误差。区域大小、位置和椭圆概率由若干个因子确定，如测向方位、方位范围和标准偏差等。为简便起见，通常按目标位于这个椭圆内特定概率等级，经过换算，用等效误差圆半径来描述椭圆位置估算值，这个描述被称为圆概率误差（CEP）。多站定位准确程度比双站定位有显著提升。48西安电子科技大学电子工程学院通信对抗原理专家讲座第48页3.9.2时差定位技术时差（TDOA）定位是测量同一目标辐射信号抵达三个或多个已知位置定位