短波固定测向系统地波测向精度测试方法研究

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2016.6
1 概述
短波固定测向系统是国家短波监测网的关键组成部分，是短波监测工作的重要工具。

监测人员要科学有效地掌握测向系统的工作状态和技术参数，才能有效保障测向系统的良好工作状态。

此外，由于不同设备制造商对于测向设备测向准确度的描述存在差异，并且在洁净的电磁环境中，大部分测向系统的“仪器精度”表现优异，但在实际环境安装后不一定能够满足监测需求，因此主管部门在选购、验收测向系统及对其进行日常维护时均要对其系统精度进行测量，以判定系统是否能够达到实际需求。

测向系统测向精度指标与所采用的测试程序密切相关，因此真实操作条件下的测向系统精度测试程序对支撑相关测试工作非常关键。

本文结合ITU （国际电联）关于测向准确度建议及报告，对真实操作条件下短波固定测向系统地波测向准确度测试方法进行研究，为短波地波测向精度测试、日常设备校准维护等相关工作提供指导。

2 测向准确度的概念及分类
测向系统的测向准确度（DF accuracy，也称为测向
精度）为信号的真实角度和测向系统所测定的示向度之间角度差值的均方根值。

测向精度是无线电主管部门和其他需要对信号进行定位的机构评估测向系统性能时的一项重要考虑因素。

测向系统测向精度的典型定义短波监测系统方位角测量精确度的确定和分类见表1，详细情况可参考ITU-R SM.854建议书。

表1 等于或小于30MHz 频率方位角等级
类别方位角
误差
（度）观测特性
信号强度方位角指示衰减
干扰
方位角摆动（度）观测时长A ±2非常强或强界定明确可忽略可忽略≤3充足B ±5较强波动的方位角轻微轻微>3 ≤5短C ±10弱剧烈波动的方
位角强
强
>5 ≤10非常短D
>±10
微弱
界定不清
非常强非常强
>10
不足
3 DF 精度的测量方法及ITU 相关资料
ITU 关于测向准确度相关的技术手册、建议书、报告及其相应的内容整理如表2所示，相关的测试工作可根据需要选择合适的测试方法及资料。

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表2 ITU 关于测向准确度的相关建议书及报告
资料名称
DF 精度及测试相关内容
备注
《频谱监测手册》（2011版）Chap4.7 无线电测向和定位，对测向精度的影响因素进行了描述，参照ITU-R SM2125报告简要介绍了DF 精度测试方法
ITU-R
SM.2060
建议书
测量测向系统测向精度的测试程序，本建议书针对测向系统测向精度的标准测试方法以
及测试结果如何表述提供了一些指南，目的是为了方便对不同测向系统进行基本性能的比较。

提出的测试方法用于确定 “仪器精度”，该精度是测向系统在定义的理想、可控的传播环境下测得的，即测试环境为开阔场（OATS）或电波暗室，可以用于系统校准等
理想、可控传
播条件下，仪
器精度测试方
法ITU-R SM.2125报告 高频、甚高频、特高频监测接收机和电台的参数与测量程序，此报告阐述了相关的关键接收机参数和电台参数，给出了真实操作条件下进行测试测向系统的精确性能测量值，
这些条件与系统实际部署的条件相似，且此类测量用于确定该系统的“系统精度”；即用于在存在各类调制的、真实操作条件下测试测向系统，能够达到系统制造商规定的最小信噪比要求。

也概述了确定“仪器精度”的程序，即在实验室或测试场中使用强信号进行定向系统测试的程序
真实操作条件下，确定系统精度
ITU-R SM.2061建议书测量测向系统多径传播抗扰度的测试程序，
提供了固定测向系统和移动测向系统多径传播抗扰度的测试程序
多径传播条件根据ITU-R SM.2125报告，DF 精度测量可采用3种方法：
（1）最终操作环境下的真实环境测试。

（2）使用受限频率在开阔场OATS 进行的测量，在该环境下不受附近障碍物、周围噪声和其他无线电信号的干扰。

（3）平台测量：无天线的DF 电台与仿真器或生成器相连。

短波固定测向系统的DF 精度测试要采用第一种测试方法，该方法主要用于确定系统精度或典型系统应用时的实际精度，实际工作中，测向系统的验收及校准维护即选取这种测试方法。

另外两种方法用于确定仪器的精度即测向系统技术指标中的性能数据，也可用作计算的示例。

4真实环境短波固定测向系统地波测向精度测量方法
4.1测试点的选择及环境要求
测向精度是测向系统的性能和周围的环境这两个条件综合作用的体现，它既反映设备的性能，又受周围环境的影响，在对测向精度测量时一定要注意测试环境是否符合要求。

所谓真实环境可以是测向系统实际的工作环境，也可以是使用该系统的典型位置，这种环境应当非常类似真实的环境，实际测量及日常设备的校准维护中即为天线阵所在的环境。

发射天线与测向天线的距离应满足要求，但这在理论和现实上是相互矛盾的。

一方面它们间的距离必须满足远场条件也就是需要足够远的距离，另一方面比较近的距离将会有助于减小多径传播以及降低对发射机功率的要求。

由于HF 频段信号的波长较大，为了满足远场条件，
发射机和接收机之间需要较大的物理距离，位置距离测向天线阵中心10λ～15λ（以1MHz 为典型值，距离约3km ～5km），远离高压线、河流、厂房、高大障碍物。

国际标准中，测试方位角的要求为以天线场为中心的360°内以10°为间隔均匀分布的36个方位角，或至少要满足测向天线360°范围内四个象限均应有测试角度（假设测向天线阵为圆形分布）。

实际测试中由于短波固定测向系统的特点及其周围的环境不断变化等原因，而难以满足每间隔10°方位角选取一个测试点的要求。

因此，技术人员要根据固定站所处的位置，借助地理信息系统等工具，尽可能按照方位均匀分布的原则选择切实可行的测试点，保证测试车辆前往并提前规划好行车路线。

4.2测试设备
测试设备包括满足测试频率范围及覆盖范围的短波发射源（短波发射台/信号发生器和发射天线）、配有全球定位系统及适当电源的车辆，携带对讲机或其他通信工具以保障测试时的沟通。

短波发射源发射覆盖范围应满足测试要求，测试前根据测试需要对测试发射机的信号电平应进行调整，即在测试点发射时至少能够满足测向系统接收到的测试信号的信噪比为 20dB。

发射调制方式可使用包括模拟和数字调制在内的所有调制类型以及涵盖窄带和宽带信号的各类带宽，短波测试中常用的有AM、USB 等。

由于HF 地波以垂直极化的形式传播，因此测试用发射天线的极化方式一般选择垂直极化。

如在测试时使用方向性天线，测试角度应在测向天线辐射方向图的主瓣之内。

4.3测试频率选择
国际上通用的方法是在测向机的工作频段内，每隔10倍频差至少选取9个频率，而且包含频段的起点和终点。

若频率范围没有达到10倍频差，需至少选择5个频点。

在3MHz~30MHz 频段内，按1MHz 的频率间隔选取约定测试频率（避开干扰，可选临近频率替代）共28个，以使测向准确度的统计值更加接近真值。

如果测试过程中约定测试频率受到干扰，可更改为临近频率。

4.4 测试数据的记录
在每个测试点开展测试，根据测试要求对发射机的发射功率及调制方式等参数进行调整，根据选定的测试频率进行发射，监测人员利用固定测向系统在约定测试频率上监测信号，并在示向度稳定时记录监测数据，测试时注意避开那些信噪比高于规定值20dB 的信号。

对于每次测量，计算出的方位误差即为方位角真值与DF设备测得的示向度之间的差值。

方位角真值（测向站到发射源的方位角）应当至少达到0.1°RMS 的精度或者估计测向误差的十分之一，究竟哪个更严格，可以考虑95.45%的置信区间。

记录测试地点经纬度、发射极化方式、调制方式、理论
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监测检测
Monitoring & Detection
示向度、示向度测量值并进行保存，表3便是此类测试数据表的一个示例。

如考虑调制方式对DF 精度的影响可考虑测试过程中加入不同的调制方式发射，并记录测试结果，计算相应的误差均方根值。

表3 地波测向精度测试数据表示例
短波固定测向站名称：　
天线阵经纬度：　地波测向均方根值误差：
　测试日期：　
序号
测试频率MHz
发射源1 发射源2发射源m 经纬度：
经纬度:　经纬度:距离：
距离：
　距离：理论示向度：理论示向度：　理论示向度：示向度误差示向度误差
　示向度误差1 2 3
28
进行测试时，测试车应驶往第一个测试位置。

应使用全球定位系统确定精确的位置，从这一位置可以确定DF 系统与测试发射机间的方位角。

然后，应将此方位角输入所有数据表格，用于不同的调制，并且应针对不同的频率和调制以及数据表中记录的数据进行测试。

当第一个位置处的所有测量完毕之后，测试车应驶往下一测试地点（其随机增量约比前一方位角大10°），并在此重复该测量程序。

在规定要求方位角处的全部测量结束之前，应重复使用这一测量程序。

4.5测试数据处理
根据4.4节得出的测试数据，将得出的DF 结果与已知的到达角进行对比，通过在表格里输入公式等方法计算出误差或Δ值后，将其输入测试数据表误差值计算地波测向均方根误差：
（1）
式（1）中，m——发射源数；n——测量频点数； ——
第j 个发射源处第i 个测量频点的示向误差。

误差计算方法还可参考ITU 建议书如：误差积累分布的表示方法，即任意一次测量可能落入一定方位角误差的百分比表示等。

要注意的是计算之前对偏差较大的值进行剔除，最多可将10%的独立DF 测量值作为“非正规数据”予以放弃。

对所有频率上示向度均偏差较大的发射点，应查找出引起示向度偏差大的原因，并在上表中备注说明，此组数据不加入误差值计算；应保存原始数据，为后期开展相关测试作参考。

将计算结果填入表3，并将测试结果存档。

5总结
短波地波准确度测试是短波固定测向系统性能的一项重要指标，无论是在系统的建成验收还是维修验收及日常维护等工作都需要对其重点关注。

本文在总结ITU 关于测向准确
度的相关手册、建议报告的相关内容的基础上，结合实际工作需要，对真实操作条件下短波固定测向系统地波测向准确度测试方法进行研究，为短波地波测向精度测试、日常设备校准维护等相关工作提供有效指导。

参考文献：
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[2] ITU-R SM.2060-0 Test procedure for measuring direction finder accuracy,11/2014
[3] ITU-R SM.2061-0 Test procedure for measuring direction finder immunity against multi-path propagation,11/2014
[4] ITU-R Handbook Spectrum Monitoring.Geneva,2011
[5] 段洪涛,曾繁声. 测向准确度测试方法研究[J]．中国无线电．2009,（7）：44~47
[6] 陈良,万峻.短波固定站测向系统测向精度的测量方法[J]．数字通信世界．2014,（8）：48~51。