ADS-B的相關(guān)干涉測向技術(shù)研究?

袁瑞敏 馮 濤 楊志強

（1.四川九洲電器集團有限責任公司 綿陽 621000）（2.四川九洲空管科技有限責任公司 綿陽 621000）

1 引言

隨著ADS-B技術(shù)在國內(nèi)外軍民航領(lǐng)域的推廣應用，ADS-B易受干擾和欺騙對航空安全帶來的風險容易增加。國內(nèi)外針對ADS-B技術(shù)體制進行了分析，開展了分析和研究。因此，針對ADS-B的各種欺騙手段，對機載ADS-B主動測向尤為重要。

干涉儀測向的實質(zhì)是利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。干涉儀測向技術(shù)自出現(xiàn)以來，因其測向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、觀測頻帶寬等優(yōu)點在電磁環(huán)境監(jiān)測、電子對抗、雷達、聲納、導航等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

2 相關(guān)干涉儀測向原理

相關(guān)干涉儀基本原理是將實測信號的相位差矢量與之前建立的樣本庫的相位差矢量依次做相關(guān)，以得到最大相關(guān)系數(shù)的相位差矢量對應的方位角和俯仰角作實測來波信號的方位角和俯仰角。

圖1 均勻圓陣幾何結(jié)構(gòu)

如圖2所示為M個天線陣元的均勻圓陣列的幾何結(jié)構(gòu)，R為圓形陣列的半徑。頻率為fc的遠場窄帶信號到達天線陣列的俯仰角、方位角分別為θ和φ。以原點作為參考點，陣元m接收到的來波信號的時間滯后于信號到達參考點的時間，則陣元的接收信號可表示為

其中nm(t)為陣元m接收到的高斯白噪聲，且E(nm(t))=0，D(nm(t))=σ2。陣元m的時延可以表示為

相應的相移為

則第m陣元和第n陣元的相位差φmn為

由和差化積公式上式化為

以上為相位差矢量與入射角度的關(guān)系，在建立樣本庫時，將方位角和俯仰角按上式依次遞增，得到樣本相位差矢量庫。而來波信號方位角俯仰角未知，得到其相位差矢量主要有用時域相關(guān)法。

3 ADS-B相關(guān)干涉儀測向仿真分析

3.1 天線孔徑對測向的影響

表1 實驗條件

增大天線孔徑可得到更高測向精度其優(yōu)勢在于以下兩點：相關(guān)算法的樣本中已經(jīng)將樣本中公差和安裝平臺的失真包含在內(nèi)；天線孔徑可以做得很大，兩個天線元之間的電壓測量誤差相對測量讀數(shù)變小。大孔徑天線還可提高測向靈敏度。

本次仿真條件見表1，仿真主要針對天線孔徑大小對測向精度的影響。

在表1的條件下，仿真出了不同天線孔徑和測向均方誤差的關(guān)系，實驗的結(jié)果如圖3所示（天線陣元數(shù)量為7）。

圖2 7元陣不同半徑下的測向均方誤差（R=0.4m～0.6m）

通過圖3分析，7元陣列的最佳半徑為R=0.495m（此時測向精度為0.6°）。

3.2 天線數(shù)量對測向的影響

比較在不同信噪比下，測向均方誤差與天線陣元數(shù)量的關(guān)系。分別選擇5元陣列，7元陣列和9元陣列，比較在不同信噪比下，測向均方誤差。本次仿真條件見表2，仿真主要針對天線陣元數(shù)量對測向精度的影響。

表2 實驗條件

圖3 不同信噪比下的測向均方誤差（陣元為5）

圖4 不同信噪比下的測向均方誤差（陣元為7）

圖5 不同信噪比下的測向均方誤差（陣元為9）

在固定頻率和天線直徑的情況下，即天線孔徑不變的情況下，增加天線陣元數(shù)量，在天線陣元為5增到7時，測向精度有由改善。在天線陣元為7增到9時，測向精度改善不大，因此本次設(shè)計采用7元陣列。

圖6 7元天線陣元數(shù)和天線孔徑的關(guān)系

4 ADS-B相關(guān)干涉儀測向方案

根據(jù)仿真分析，可以得出天線最佳陣元數(shù)為7，最佳陣元半徑為0.495，因此設(shè)計天線陣列如圖6所示。

差矢量與存在ROM中的樣本庫依次進行相關(guān)運算，得出信號的方位角和俯仰角。

5 結(jié)語

通過相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)的原理及特點，從工程實際出發(fā)，根據(jù)仿真結(jié)果，提出了一種基于7元陣列的圓陣測向天線陣設(shè)計，并仿真了圓陣的最佳半徑以達到最佳的測向精度，并仿真了在最佳半徑的情況下的信噪比對測向精度的影響，能較好地解決機載ADS-B測向在實際環(huán)境中的高精度測向問題。