無線電測向基礎(chǔ)原理

1、1 無線電測向基礎(chǔ)1.1 示向度為了確定某個(gè)目標(biāo)的方位 ,必須確定連接該目標(biāo)至已知坐標(biāo)的點(diǎn)的直線同某個(gè) 起始方向 （起始線之間的夾角。例如,在點(diǎn) X 上有一個(gè)須要確定方位的目標(biāo) ,而點(diǎn) A 的地理坐標(biāo)已知 ,那么,點(diǎn)X 和點(diǎn) A 的連線同地理正北方向之間的夾角 A a 稱為示向度 （圖 1-1。這就是說 ,示向 度是以已知地理坐標(biāo)的觀測點(diǎn) A 的地球子午線的指北方向沿順針方向旋轉(zhuǎn)至點(diǎn) A 與被 測目標(biāo)連線所轉(zhuǎn)過的角度。其取值范圍 :0 示向度 <360°。無線電測向是用無線電技術(shù)手段確定來波 .的示向度。請注意 ,無線電測向設(shè)備所測定的是來波 .的示向度 （到達(dá)角 ,由于電波傳

2、播中可能出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象會導(dǎo)致其等相位面畸 變,因而來波的到達(dá)角未必是其輻射源所在的方位。圖 1-1 測向與定位1.2 交會定位只在一個(gè)已知地理坐標(biāo)的點(diǎn)測向 ,只能得到一條方位線 ,而不能得到一個(gè)定位點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)定位 ,必須產(chǎn)生兩條或兩條以上相互獨(dú)立的方位線。例如,點(diǎn) X 有一個(gè)須要確定位置的目標(biāo) ,而點(diǎn) A 與點(diǎn) B 的地理坐標(biāo)已知 ,那么,由 點(diǎn) A 和點(diǎn) B 測得示向度 A a 和 B a 與相應(yīng)的方位線 A LOP 和 B LOP , 方位線 A LOP 與 B LOP 的交點(diǎn),就認(rèn)為是目標(biāo)位置 (圖 1-1。如果用 n 條方位線交會定位 ,那么,由于測向誤差的影響 ,在目標(biāo)真實(shí)位置

3、W 周 圍將得出最多可達(dá) m 個(gè)交會點(diǎn)。 m 由下式得出 :21(-=n n m (1-1a式中,n 用于交會定位的方位線的條數(shù)。目標(biāo)真實(shí)位置 w 僅以一定的概率位于這些交點(diǎn)所構(gòu)成的多邊形內(nèi)。這個(gè)概率121-=n n n p (1-2式中,n 用于交會定位的方位線的條數(shù)。n p 隨著用于交會定位的方位線的條數(shù)的增多而增大。表 1-1 是根據(jù)式 (1-2 制得的。表 1-1 目標(biāo)位于方位線交點(diǎn)多邊形內(nèi)的概率與方位線條數(shù)的關(guān)系1.3 電磁波電磁場是相互聯(lián)系著的電場與磁場的總和由發(fā)射天線輻射出來的無線電波的電磁場是行波場 :電磁場的相位隨著電波傳 播的路程成比例地變化 ,而幅度變化比較小。所有輻射體

4、都建立感應(yīng)場與輻射場。離輻射體較近的距離內(nèi)（小于一個(gè)波長 ,主要存在著靜電感應(yīng)場與電磁感應(yīng)場。靜電感應(yīng)場的場強(qiáng)與離輻射體的距離的立方成 反比;電磁感應(yīng)場與這個(gè)距離的平方成反比。在這一區(qū)域內(nèi)輻射場相當(dāng)小。隨著遠(yuǎn)離輻射體 ,感應(yīng)場很快衰減。離輻射體的距離大于 23個(gè)波長 ,實(shí)際上就 只存在輻射場。在自由空間中 ,輻射場的場強(qiáng)與離輻射體的距離成反比。在輻射場區(qū) ,電場強(qiáng)度矢量 E 與磁場強(qiáng)度矢量 H 互相垂直 ,它們又垂直于表征電 磁場能量傳播方向的坡印廷矢量 S （圖 1-2。在自由空間傳播時(shí) ,等相位面形成輻射 體位于球心的同心球面。這種電波稱為球面波。圖 1-2 電磁場各矢量的相互分布E H

5、S E HS在距發(fā)射天線甚遠(yuǎn)處 ,靠近觀察點(diǎn)的那部分等相位面可以認(rèn)為是平面 ,亦即可以 認(rèn)為電波是平面波。電磁波在自由空間 （即不受干擾的傳播 ,其等相位面在地面上的投影開始是以電 磁輻射源為中心的同心圓 ,逐漸變?yōu)榇怪庇陔姶泡椛湓捶较虻闹本€。由此可見 ,電磁 波帶有方向信息 ,即電磁輻射源的方向可由電磁波的等相位面的法線方向的反方向 來確定。這就是無線電測向的物理基礎(chǔ)。無線電測向的實(shí)質(zhì)的就是確定入射電磁波 （以下簡稱為 “來波”的等相位面的法線方向。無線電測向設(shè)備就是用來確定來波的等相位面的法線方向的技術(shù)裝置。來波方向 ,即方位線 （示向線 ,就由從測向天線中心 對等相位面的垂線確定。在介質(zhì)

6、（例如 ,大地與空氣分界面附近或者是遇到某種障礙物或二次輻射體 （山 體、樹木、天線等等時(shí) ,電磁場結(jié)構(gòu)將發(fā)生畸變。電磁波在自由空間的傳播是一種理想情況。只有在這種無干擾的電波傳播環(huán)境 下 ,無線電測向設(shè)備所測得的來波方向 （示向線才同輻射源所在的真實(shí)方位一致。實(shí) 際上,這個(gè)理想的等相位面會因傳播介質(zhì)的不均勻和不連續(xù)而畸變。理想的等相位 面還會因多徑傳播而畸變。這些畸變造成電磁波的等相位面的垂線偏離了電磁輻射 源方向。這使得無線電測向設(shè)備所測得的來波方向并不是其輻射源所在方位。引起 測向誤差 （輻射源的真實(shí)方位同所測得的來波方向之間的角度差的主要原因就在這 里。電場強(qiáng)度矢量與磁場強(qiáng)度矢量始終互

7、相垂直 ,但可以具有各種不同的方向。為 了表征電磁場的這兩矢量的方向 ,引入了 “極化 ”這一概念。電波的電場強(qiáng)度矢量相 對于傳播面的指向稱為電磁場的極化。所謂傳播面是包含傳播方向且與地面垂直的 平面。因?yàn)槟軌蛴梢粋€(gè)場強(qiáng)確定另一個(gè)場強(qiáng) ,所以表述一個(gè)場強(qiáng)就足夠了。為此選 擇了電場強(qiáng)度的指向?？梢钥吹较铝蓄愋偷臉O化。a、正常極化 ,即垂直極化 ,此時(shí)電場強(qiáng)度矢量處于傳播面內(nèi) ,如圖 1-3 所示。圖中ZY 為垂直平面。b、非正常極化 ,此時(shí)電場強(qiáng)度矢量同傳播面構(gòu)成某一角度。水平極化是非正常 極化的特殊情況 ,此時(shí)電場強(qiáng)度矢量是水平的 ,即垂直于傳播面的 ,而磁場強(qiáng)度矢量在 傳播面內(nèi)。正常極化與非

8、正常極化都是線極化。在線極化的情況下 ,電場強(qiáng)度矢量可以分解為兩個(gè)相位.分量 :位于傳播面內(nèi)的分量 （垂直極化分量和垂直于傳播面的分量 （水平極化分 量。c、橢圓極化 ,此時(shí)電場強(qiáng)度矢量的位于傳播面內(nèi)的分量 （垂直極化分量與垂直 于傳播面的分量 （水平極化分量之間存在相移 ,電場強(qiáng)度矢量終端的軌跡在一個(gè)高頻 周期內(nèi)是一個(gè)橢圓。該矢量的旋轉(zhuǎn)方向取決于兩個(gè)分量之間的相位差。圓極化是橢 圓極化的特殊情況,此時(shí)兩個(gè)分量彼比相等而相位差為 90電波可能以向上或向下傾斜的方向傳播。當(dāng)電波是水平極化時(shí) ,無論以什么方 向傳播 ,電場強(qiáng)度矢量總是水平的 ;可是,當(dāng)電波是垂直極化時(shí) ,盡管電場強(qiáng)度矢量也 處于垂

9、直面 （即傳播面內(nèi) ,但是電場強(qiáng)度矢量并不一定與地面垂直。圖 1-3 給出了這 種電波傳播面的一部分。傳播方向是向下傾斜的 ,電場強(qiáng)度矢量也是傾斜的。這一 垂直極化波的電場強(qiáng)度矢量又可分解為垂直分量和水平分量。這兩個(gè)分量都在傳播 面內(nèi) ,垂直分量與地面垂直 ,水平分量與地面平行。這個(gè)垂直極化波的電場強(qiáng)度矢量 的水平分量與水平極化波是不同的。水平極化波的電場強(qiáng)度矢量平行于地面而垂直 于傳播面。電場強(qiáng)度矢量圖 1-3 下行垂直極化波的電場電波電場強(qiáng)度矢量的方向是由發(fā)射天線的電流方向確定的。電視廣播和調(diào)頻廣 播所用發(fā)射天線為水平極化天線 ,其所輻射的電波是水平極化的。 GSM和 CDMA 等移動(dòng)通訊

10、系統(tǒng)的基站的發(fā)射天線是垂直極化的 ,它輻射的是垂直極化波。理論上 水平極化波是不能在垂直極化的接收天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓的 ,而垂直極化波也不能 在水平極化的接收天線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。實(shí)際上 ,由于結(jié)構(gòu)、制造和安裝諸多原因 垂直極化天線和水平極化天線都并非理想的 ,極化方向與之正交的電波或多或少會 在其上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。此外 ,電波在傳播路徑上產(chǎn)生的極化偏移 ,也會使垂直極化的 接收天線上有來自水平極化的發(fā)射天線的信號或水平極化的接收天線上有來自垂直 極化的發(fā)射天線的信號。無線電測向設(shè)備通常只利用天線對電場的兩個(gè)分量之一 （垂直極化分量或水平極化分量的響應(yīng)來測向。不能用對垂直極化波測向的設(shè)備來 對水平極化波測向 ,也不能用對水平極化波測向的設(shè)備來對垂直極化波測向。無線 電測向設(shè)備的實(shí)際使用環(huán)境一般同時(shí)存在電場的垂直極化分量和水平極化分