無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析方法

陳嘉慶，李新利，郭 雙

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

1 引言

在無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)的電性能指標(biāo)測(cè)試中，為了對(duì)測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向精度的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，在行業(yè)、國(guó)家和國(guó)際層面都推出了專門的測(cè)試要求和方法。在具體的實(shí)踐中，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定了整個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的測(cè)試方法，但在實(shí)際試驗(yàn)中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包含有豐富的信息值得進(jìn)一步分析和挖掘。本文將以國(guó)標(biāo)為基準(zhǔn)，結(jié)合部分實(shí)例對(duì)測(cè)向精度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的數(shù)據(jù)處理，期待發(fā)掘出數(shù)據(jù)的更豐富價(jià)值，更全面反映被測(cè)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)和潛在問(wèn)題，進(jìn)而推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

2 測(cè)向精度測(cè)試數(shù)據(jù)的基本處理方法

根據(jù)GB/T34089-2017《VHFUHF無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)開場(chǎng)測(cè)試參數(shù)和測(cè)試方法》中的規(guī)定，測(cè)向精度是指測(cè)向系統(tǒng)所測(cè)得的示向度與被測(cè)輻射源的真實(shí)方位之間的角度差。在實(shí)際測(cè)試中，整個(gè)測(cè)試的測(cè)試布局如圖1所示，被測(cè)系統(tǒng)置于一個(gè)可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)放置于遠(yuǎn)端的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，獲取標(biāo)準(zhǔn)要求的所有測(cè)試方位（測(cè)向系統(tǒng)零度方位軸線按順時(shí)針?lè)较虻竭_(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)與發(fā)射天線相位中心點(diǎn)連線的夾角α）和測(cè)試頻率相對(duì)應(yīng)的測(cè)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向精度場(chǎng)地布局

在獲取所有測(cè)試數(shù)據(jù)后，根據(jù)式（1）計(jì)算在相應(yīng)測(cè)試方位αj（j=1，2，…，m，m為所有測(cè)試方位角的個(gè)數(shù)，后文相同）和測(cè)試頻率fi（i=1，2，…，n，n為所有測(cè)試頻率的個(gè)數(shù)，后文相同）的實(shí)測(cè)示向度αij與理論示向度（方位角αj）之差的絕對(duì)值，即為被測(cè)系統(tǒng)在方位角αj、頻率fi上的測(cè)向誤差，記為Δθij。（1）

根據(jù)式（2），計(jì)算所有方位角和所有頻率測(cè)向誤差的均方根值，記為被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向精度。系統(tǒng)測(cè)向精度是對(duì)被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向功能一項(xiàng)重要的總體評(píng)估指標(biāo)。（2）

3 被測(cè)系統(tǒng)的頻率測(cè)向穩(wěn)定度

單頻點(diǎn)測(cè)向穩(wěn)定度是指被測(cè)系統(tǒng)對(duì)某個(gè)頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（強(qiáng)度優(yōu)于測(cè)向靈敏度20dB）測(cè)向時(shí)一組示向度讀數(shù)偏離均值的離散程度。對(duì)所有測(cè)試方位和頻率的單頻點(diǎn)測(cè)向穩(wěn)定度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算均方根值，記為被測(cè)系統(tǒng)的頻率測(cè)向穩(wěn)定度。

在開闊場(chǎng)進(jìn)行測(cè)向精度測(cè)試時(shí)，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)通常對(duì)每個(gè)特定方位和特定頻率進(jìn)行多次測(cè)向從而獲取多個(gè)示向度讀數(shù)作為一組數(shù)據(jù)，取該組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為該方位該頻點(diǎn)的實(shí)測(cè)示向度，記作αij。計(jì)算每一組數(shù)據(jù)與相應(yīng)αij的均方差值，即可作為該頻點(diǎn)的測(cè)向穩(wěn)定度。由于通常采樣點(diǎn)較少，采用的計(jì)算方法見(jiàn)式（3）。式中，p為一組數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)；αk為該組數(shù)據(jù)中的一個(gè)示向度讀數(shù)值。（3）

通過(guò)對(duì)所有方位和頻率的測(cè)向穩(wěn)定度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，參考式（2）計(jì)算所有單頻點(diǎn)測(cè)向穩(wěn)定度的均方根，記為被測(cè)系統(tǒng)的頻率測(cè)向穩(wěn)定度。被測(cè)系統(tǒng)單頻點(diǎn)測(cè)向穩(wěn)定度指標(biāo)是與被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向積分時(shí)間相關(guān)的。通常情況下，被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向積分時(shí)間應(yīng)不大于2s，建議設(shè)置積分時(shí)間可為2s、1s、0.5s或不設(shè)置（實(shí)時(shí)值）。在穩(wěn)定度相同的情況下，積分時(shí)間越短，被測(cè)系統(tǒng)性能越優(yōu)。通常情況下，在標(biāo)準(zhǔn)開闊場(chǎng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，系統(tǒng)的頻率測(cè)向穩(wěn)定度應(yīng)不大于0.5°，單頻點(diǎn)的測(cè)向穩(wěn)定度最大應(yīng)不超過(guò)1.5°，否則相應(yīng)頻點(diǎn)應(yīng)作為異常頻點(diǎn)特別記錄并單獨(dú)處理。對(duì)于被測(cè)系統(tǒng)結(jié)果采用自動(dòng)優(yōu)化為整數(shù)的情況，有可能統(tǒng)計(jì)的頻率測(cè)向穩(wěn)定度為零，在這種情況下，被測(cè)系統(tǒng)的頻率測(cè)向穩(wěn)定度指標(biāo)可默認(rèn)為0.5°。對(duì)于單個(gè)頻率沒(méi)有進(jìn)行多個(gè)示向度數(shù)據(jù)采集的測(cè)試，該項(xiàng)性能則無(wú)需進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4 被測(cè)系統(tǒng)的頻域示向度偏差

測(cè)向示向度偏差是指某個(gè)實(shí)測(cè)示向度偏離理論示向度的差值。通過(guò)對(duì)特定頻率在所有方位的測(cè)向示向度偏差統(tǒng)計(jì)算術(shù)平均值，見(jiàn)式（4），記為被測(cè)系統(tǒng)在該頻率的示向度偏差。（4）通過(guò)這種方法對(duì)所有試驗(yàn)頻率進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)后可以得到被測(cè)系統(tǒng)在工作頻段的測(cè)向示向度偏差，從而獲得被測(cè)系統(tǒng)在相應(yīng)頻域的測(cè)向偏差特性。該數(shù)據(jù)對(duì)于判斷被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向天線在各工作頻段的性能特性具有實(shí)際的參考價(jià)值，可以幫助廠商更有針對(duì)性地提高天線性能指標(biāo)。以圖2為例，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知某被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向天線以1300MHz為界，在高低兩個(gè)工作頻段具有明顯不同的測(cè)向偏差。對(duì)于這種被測(cè)系統(tǒng)，可以肯定的是至少有一個(gè)頻段的測(cè)向系統(tǒng)需要進(jìn)行校準(zhǔn)操作，相應(yīng)的后續(xù)數(shù)據(jù)分析都應(yīng)據(jù)此分段進(jìn)行，除非所有測(cè)試數(shù)據(jù)在校準(zhǔn)后重新測(cè)試獲取。

圖2 測(cè)向系統(tǒng)頻域的示向度偏差實(shí)例圖

5 被測(cè)系統(tǒng)的方位示向度偏差

通過(guò)對(duì)某個(gè)方位所有頻率的測(cè)向示向度偏差進(jìn)行算術(shù)平均值的統(tǒng)計(jì)，可以獲得被測(cè)系統(tǒng)在相應(yīng)方位的示向度偏差，具體計(jì)算見(jiàn)式（5）。（5）通過(guò)對(duì)所有測(cè)試方位進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)后可以得到被測(cè)系統(tǒng)在不同方向上的測(cè)向示向度偏差特性。該偏差既有可能由被測(cè)系統(tǒng)的缺陷引起，也有可能由測(cè)試系統(tǒng)的誤差引入，因此需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行具體的分析和處理。在通常情況下，如果各方位的測(cè)向誤差小于0.5°則可以忽略測(cè)試引入的誤差的因素，因?yàn)楦鶕?jù)式（2）統(tǒng)計(jì)的被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向精度值不受影響（測(cè)試方位為24個(gè)，測(cè)向精度精確到0.1°），因此可以忽略不計(jì)。如果測(cè)向誤差大于0.5°則需要確認(rèn)測(cè)試系統(tǒng)是否存在偏差，包括轉(zhuǎn)臺(tái)控制與傳感系統(tǒng)準(zhǔn)確度、被測(cè)系統(tǒng)的布置準(zhǔn)確度（通常包括被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向天線的相對(duì)零度與測(cè)試系統(tǒng)方位零度是否重合、測(cè)向天線中心投影點(diǎn)偏離轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)引起的偏心角誤差）和發(fā)射系統(tǒng)布置引入偏差等。如果能夠確認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)引入的誤差，則需要對(duì)式（1）中的理論示向度αj進(jìn)行修正，重新計(jì)算被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向誤差。以圖3為例，這是一個(gè)典型的因測(cè)向天線中心點(diǎn)偏離轉(zhuǎn)臺(tái)中心點(diǎn)引起的偏心角誤差，應(yīng)對(duì)各方位角給予相應(yīng)的補(bǔ)償。

圖3 測(cè)向系統(tǒng)測(cè)向方位的示向度偏差實(shí)例圖

圖中實(shí)測(cè)偏差值是通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的各方位測(cè)向示向度偏差值Δαj_avg，偏心角計(jì)算偏差值是通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試環(huán)境偏心距離的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)理論計(jì)算公式獲得的方位偏差值Δβj，通過(guò)對(duì)理論示向度αj進(jìn)行偏心角修正補(bǔ)償，可以更準(zhǔn)確地體現(xiàn)被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向精度特性。

6 被測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)示向度偏差

對(duì)于被測(cè)系統(tǒng)各方位示向度因具有共性的原因引入且具有相同量級(jí)的測(cè)量偏差記為系統(tǒng)示向度偏差。通過(guò)式（5）計(jì)算的各方位示向度偏差實(shí)際上既包含有可能存在的各方位量級(jí)相異的偏心角偏差（記作Δβj）和轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)隨機(jī)偏差（記作Δαj）之外還包含有可能存在的系統(tǒng)示向度偏差（記作Δαavg），該偏差可能為被測(cè)天線單元物理安裝不準(zhǔn)確而引入的偏差、被測(cè)系統(tǒng)電子羅盤校準(zhǔn)錯(cuò)誤引入的偏差或是被測(cè)系統(tǒng)初始校準(zhǔn)錯(cuò)誤而引入的其他可能偏差，且該偏差可通過(guò)統(tǒng)一的校準(zhǔn)調(diào)整進(jìn)行消除。通過(guò)式（6）計(jì)算，可以得到一個(gè)被測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)示向度偏差。

從圖3的案例可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)偏差與經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的理論偏差值之間還存在一個(gè)均值偏差。通過(guò)式（6）計(jì)算系統(tǒng)示向度偏差可得，圖3案例的實(shí)測(cè)方位示向度偏差中還包含有一個(gè)量級(jí)為-0.8°的系統(tǒng)示向度偏差。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試環(huán)境的實(shí)測(cè)，確認(rèn)該誤差屬于測(cè)試系統(tǒng)初始零度與轉(zhuǎn)臺(tái)零度對(duì)準(zhǔn)精度不足而引入的誤差，因此需要結(jié)合偏心角誤差共同對(duì)參考方位角進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于所有由于測(cè)試系統(tǒng)引入的偏差，應(yīng)在確認(rèn)后對(duì)測(cè)向理論示向度進(jìn)行修正補(bǔ)償，相應(yīng)的式（1）則可采用修正式（7），修正后的測(cè)向誤差記為Δθij'。（7）由于各方位示向度偏差包含有大部分的測(cè)向偏差因素，因而通過(guò)利用各方位示向度偏差直接對(duì)理論示向度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ潜容^簡(jiǎn)單和方便的，見(jiàn)式（8）。但這種方法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲得，不但包含有需要補(bǔ)償消除的測(cè)試系統(tǒng)引入偏差，而且還可能包含有不應(yīng)被消除的被測(cè)系統(tǒng)本身引入偏差，因此在國(guó)標(biāo)測(cè)試體系中只有在Δαavg較小時(shí)可以考慮等同采用。（8）

7 被測(cè)系統(tǒng)各方位的測(cè)向精度

經(jīng)過(guò)對(duì)理論示向度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算后，通過(guò)單獨(dú)對(duì)每個(gè)方位的所有頻率測(cè)向誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以獲得被測(cè)系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)方位的測(cè)向精度性能，具體計(jì)算見(jiàn)式（9）。該數(shù)據(jù)可以在空間維度上反映出被測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)方位的各測(cè)向單元的準(zhǔn)確程度或是測(cè)向樣本質(zhì)量。（9）

一般來(lái)說(shuō)，如果測(cè)試數(shù)據(jù)中個(gè)別方位的測(cè)向精度相較其他方位測(cè)向精度數(shù)據(jù)相差較大而其他大部分方位的數(shù)據(jù)正常，應(yīng)傾向于判斷被測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)方位的測(cè)向單元出現(xiàn)問(wèn)題，包括接收性能或是測(cè)向樣本等。通過(guò)對(duì)相應(yīng)方位的重復(fù)測(cè)試進(jìn)行確認(rèn)，如果重復(fù)再現(xiàn)相同的測(cè)試結(jié)果則判定為被測(cè)系統(tǒng)問(wèn)題，記錄相關(guān)方位和頻率數(shù)據(jù)為異常點(diǎn)，留待廠商進(jìn)一步核查。

8 被測(cè)系統(tǒng)頻域的測(cè)向精度

經(jīng)過(guò)對(duì)理論示向度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算后，通過(guò)單獨(dú)對(duì)所有方位的某個(gè)頻率測(cè)向誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以獲得被測(cè)系統(tǒng)在工作頻段的測(cè)向精度性能，具體計(jì)算見(jiàn)式（10）。該數(shù)據(jù)可以在頻域維度上反映出被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向性能的精準(zhǔn)程度或是測(cè)向樣本質(zhì)量。

9 被測(cè)系統(tǒng)的修正測(cè)向精度

經(jīng)過(guò)以上分析，如果測(cè)試系統(tǒng)引入了較大的測(cè)試方位偏差，在該偏差被修正后，被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向精度指標(biāo)可根據(jù)式（11）進(jìn)行修正計(jì)算。（11）此外，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-R SM.2060-0建議書中也引入了修正測(cè)向精度的概念，并采用式（12）對(duì)測(cè)向精度進(jìn)行了修正，但在實(shí)際的演算中，該公式的修正結(jié)果是值得商榷的。（12）綜合分析，本文認(rèn)為在一般情況下，通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算的測(cè)向精度值反映了被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向精度性能；在特殊情況下由于測(cè)試系統(tǒng)引入測(cè)向偏差時(shí)，通過(guò)式（6）、式（7）和式（11）計(jì)算修正的測(cè)向精度值可以更準(zhǔn)確地反映被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向精度性能；在被測(cè)系統(tǒng)引入較大系統(tǒng)測(cè)向偏差的情況下，通過(guò)式（6）、式（8）和式（11）計(jì)算測(cè)向精度值，并采用“Δαavg±Δθrms'”的方式表示被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向精度將更為全面和準(zhǔn)確，更方便于后續(xù)的校正與應(yīng)用。

10 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)UHF/VHF監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)開闊場(chǎng)中進(jìn)行的測(cè)向精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多維度分析，并對(duì)分析結(jié)果的使用提出了相關(guān)的建議。本文僅從實(shí)踐的角度對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值提供了一些思路和方法，以便于更好地利用測(cè)試數(shù)據(jù)為被測(cè)系統(tǒng)和用戶服務(wù)，便于測(cè)試數(shù)據(jù)的使用者更清晰地了解測(cè)試結(jié)果的判讀方法。當(dāng)然，偏頗或不足難免，敬待行業(yè)內(nèi)的專家和同行加以指正，謹(jǐn)希望本文能夠引起更多對(duì)無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重視和進(jìn)一步發(fā)掘，達(dá)到推動(dòng)無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的最終目的。