陳嘉慶，李新利，郭 雙

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

1 引言

在無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)的電性能指標(biāo)測試中，為了對測向系統(tǒng)測向精度的性能指標(biāo)進(jìn)行測試和評估，在行業(yè)、國家和國際層面都推出了專門的測試要求和方法。在具體的實(shí)踐中，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定了整個系統(tǒng)指標(biāo)的測試方法，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。本文將以國標(biāo)為基準(zhǔn)，結(jié)合部分實(shí)例對測向精度的試驗(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)的更豐富價值，更全面反映被測系統(tǒng)的性能特點(diǎn)和潛在問題，進(jìn)而推動相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

2 測向精度測試數(shù)據(jù)的基本處理方法

根據(jù)GB/T34089-2017《VHFUHF無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)開場測試參數(shù)和測試方法》中的規(guī)定，測向精度是指測向系統(tǒng)所測得的示向度與被測輻射源的真實(shí)方位之間的角度差。在實(shí)際測試中，整個測試的測試布局如圖1所示，被測系統(tǒng)置于一個可旋轉(zhuǎn)平臺上，通過對放置于遠(yuǎn)端的發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行測向，獲取標(biāo)準(zhǔn)要求的所有測試方位（測向系統(tǒng)零度方位軸線按順時針方向到達(dá)轉(zhuǎn)臺中心點(diǎn)與發(fā)射天線相位中心點(diǎn)連線的夾角α）和測試頻率相對應(yīng)的測向試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 測向系統(tǒng)測向精度場地布局

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

根據(jù)式（2），計算所有方位角和所有頻率測向誤差的均方根值，記為被測系統(tǒng)的測向精度。系統(tǒng)測向精度是對被測系統(tǒng)測向功能一項重要的總體評估指標(biāo)。（2）

3 被測系統(tǒng)的頻率測向穩(wěn)定度

單頻點(diǎn)測向穩(wěn)定度是指被測系統(tǒng)對某個頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號（強(qiáng)度優(yōu)于測向靈敏度20dB）測向時一組示向度讀數(shù)偏離均值的離散程度。對所有測試方位和頻率的單頻點(diǎn)測向穩(wěn)定度進(jìn)行統(tǒng)計，計算均方根值，記為被測系統(tǒng)的頻率測向穩(wěn)定度。

在開闊場進(jìn)行測向精度測試時，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)通常對每個特定方位和特定頻率進(jìn)行多次測向從而獲取多個示向度讀數(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)測示向度，記作αij。計算每一組數(shù)據(jù)與相應(yīng)αij的均方差值，即可作為該頻點(diǎn)的測向穩(wěn)定度。由于通常采樣點(diǎn)較少，采用的計算方法見式（3）。式中，p為一組數(shù)據(jù)的總個數(shù)；αk為該組數(shù)據(jù)中的一個示向度讀數(shù)值。（3）

通過對所有方位和頻率的測向穩(wěn)定度進(jìn)行統(tǒng)計，參考式（2）計算所有單頻點(diǎn)測向穩(wěn)定度的均方根，記為被測系統(tǒng)的頻率測向穩(wěn)定度。被測系統(tǒng)單頻點(diǎn)測向穩(wěn)定度指標(biāo)是與被測系統(tǒng)測向積分時間相關(guān)的。通常情況下，被測系統(tǒng)的測向積分時間應(yīng)不大于2s，建議設(shè)置積分時間可為2s、1s、0.5s或不設(shè)置（實(shí)時值）。在穩(wěn)定度相同的情況下，積分時間越短，被測系統(tǒng)性能越優(yōu)。通常情況下，在標(biāo)準(zhǔn)開闊場對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行測向，系統(tǒng)的頻率測向穩(wěn)定度應(yīng)不大于0.5°，單頻點(diǎn)的測向穩(wěn)定度最大應(yīng)不超過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。對于被測系統(tǒng)結(jié)果采用自動優(yōu)化為整數(shù)的情況，有可能統(tǒng)計的頻率測向穩(wěn)定度為零，在這種情況下，被測系統(tǒng)的頻率測向穩(wěn)定度指標(biāo)可默認(rèn)為0.5°。對于單個頻率沒有進(jìn)行多個示向度數(shù)據(jù)采集的測試，該項性能則無需進(jìn)行統(tǒng)計。

4 被測系統(tǒng)的頻域示向度偏差

測向示向度偏差是指某個實(shí)測示向度偏離理論示向度的差值。通過對特定頻率在所有方位的測向示向度偏差統(tǒng)計算術(shù)平均值，見式（4），記為被測系統(tǒng)在該頻率的示向度偏差。（4）通過這種方法對所有試驗(yàn)頻率進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計后可以得到被測系統(tǒng)在工作頻段的測向示向度偏差，從而獲得被測系統(tǒng)在相應(yīng)頻域的測向偏差特性。該數(shù)據(jù)對于判斷被測系統(tǒng)測向天線在各工作頻段的性能特性具有實(shí)際的參考價值，可以幫助廠商更有針對性地提高天線性能指標(biāo)。以圖2為例，經(jīng)過統(tǒng)計分析可知某被測系統(tǒng)的測向天線以1300MHz為界，在高低兩個工作頻段具有明顯不同的測向偏差。對于這種被測系統(tǒng)，可以肯定的是至少有一個頻段的測向系統(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，除非所有測試數(shù)據(jù)在校準(zhǔn)后重新測試獲取。

圖2 測向系統(tǒng)頻域的示向度偏差實(shí)例圖

5 被測系統(tǒng)的方位示向度偏差

通過對某個方位所有頻率的測向示向度偏差進(jìn)行算術(shù)平均值的統(tǒng)計，可以獲得被測系統(tǒng)在相應(yīng)方位的示向度偏差，具體計算見式（5）。（5）通過對所有測試方位進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計后可以得到被測系統(tǒng)在不同方向上的測向示向度偏差特性。該偏差既有可能由被測系統(tǒng)的缺陷引起，也有可能由測試系統(tǒng)的誤差引入，因此需要根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行具體的分析和處理。在通常情況下，如果各方位的測向誤差小于0.5°則可以忽略測試引入的誤差的因素，因?yàn)楦鶕?jù)式（2）統(tǒng)計的被測系統(tǒng)的測向精度值不受影響（測試方位為24個，測向精度精確到0.1°），因此可以忽略不計。如果測向誤差大于0.5°則需要確認(rèn)測試系統(tǒng)是否存在偏差，包括轉(zhuǎn)臺控制與傳感系統(tǒng)準(zhǔn)確度、被測系統(tǒng)的布置準(zhǔn)確度（通常包括被測系統(tǒng)測向天線的相對零度與測試系統(tǒng)方位零度是否重合、測向天線中心投影點(diǎn)偏離轉(zhuǎn)臺中心點(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)為測試系統(tǒng)引入的誤差，則需要對式（1）中的理論示向度αj進(jìn)行修正，重新計算被測系統(tǒng)的測向誤差。以圖3為例，這是一個典型的因測向天線中心點(diǎn)偏離轉(zhuǎn)臺中心點(diǎn)引起的偏心角誤差，應(yīng)對各方位角給予相應(yīng)的補(bǔ)償。

圖3 測向系統(tǒng)測向方位的示向度偏差實(shí)例圖

圖中實(shí)測偏差值是通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計得到的各方位測向示向度偏差值Δαj_avg，偏心角計算偏差值是通過對實(shí)際測試環(huán)境偏心距離的實(shí)測數(shù)據(jù)通過理論計算公式獲得的方位偏差值Δβj，通過對理論示向度αj進(jìn)行偏心角修正補(bǔ)償，可以更準(zhǔn)確地體現(xiàn)被測系統(tǒng)的測向精度特性。

6 被測系統(tǒng)的系統(tǒng)示向度偏差

對于被測系統(tǒng)各方位示向度因具有共性的原因引入且具有相同量級的測量偏差記為系統(tǒng)示向度偏差。通過式（5）計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相異的偏心角偏差（記作Δβj）和轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動隨機(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），該偏差可能為被測天線單元物理安裝不準(zhǔn)確而引入的偏差、被測系統(tǒng)電子羅盤校準(zhǔn)錯誤引入的偏差或是被測系統(tǒng)初始校準(zhǔn)錯誤而引入的其他可能偏差，且該偏差可通過統(tǒng)一的校準(zhǔn)調(diào)整進(jìn)行消除。通過式（6）計算，可以得到一個被測系統(tǒng)的系統(tǒng)示向度偏差。

從圖3的案例可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測偏差與經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)計算獲得的理論偏差值之間還存在一個均值偏差。通過式（6）計算系統(tǒng)示向度偏差可得，圖3案例的實(shí)測方位示向度偏差中還包含有一個量級為-0.8°的系統(tǒng)示向度偏差。經(jīng)過對測試環(huán)境的實(shí)測，確認(rèn)該誤差屬于測試系統(tǒng)初始零度與轉(zhuǎn)臺零度對準(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參考方位角進(jìn)行補(bǔ)償。對于所有由于測試系統(tǒng)引入的偏差，應(yīng)在確認(rèn)后對測向理論示向度進(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向偏差因素，因而通過利用各方位示向度偏差直接對理論示向度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ潜容^簡單和方便的，見式（8）。但這種方法是通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得，不但包含有需要補(bǔ)償消除的測試系統(tǒng)引入偏差，而且還可能包含有不應(yīng)被消除的被測系統(tǒng)本身引入偏差，因此在國標(biāo)測試體系中只有在Δαavg較小時可以考慮等同采用。（8）

7 被測系統(tǒng)各方位的測向精度

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

一般來說，如果測試數(shù)據(jù)中個別方位的測向精度相較其他方位測向精度數(shù)據(jù)相差較大而其他大部分方位的數(shù)據(jù)正常，應(yīng)傾向于判斷被測系統(tǒng)相應(yīng)方位的測向單元出現(xiàn)問題，包括接收性能或是測向樣本等。通過對相應(yīng)方位的重復(fù)測試進(jìn)行確認(rèn)，如果重復(fù)再現(xiàn)相同的測試結(jié)果則判定為被測系統(tǒng)問題，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 被測系統(tǒng)頻域的測向精度

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

9 被測系統(tǒng)的修正測向精度

經(jīng)過以上分析，如果測試系統(tǒng)引入了較大的測試方位偏差，在該偏差被修正后，被測系統(tǒng)的測向精度指標(biāo)可根據(jù)式（11）進(jìn)行修正計算。（11）此外，在國際標(biāo)準(zhǔn)ITU-R SM.2060-0建議書中也引入了修正測向精度的概念，并采用式（12）對測向精度進(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，通過式（1）和式（2）計算的測向精度值反映了被測系統(tǒng)的測向精度性能；在特殊情況下由于測試系統(tǒng)引入測向偏差時，通過式（6）、式（7）和式（11）計算修正的測向精度值可以更準(zhǔn)確地反映被測系統(tǒng)測向精度性能；在被測系統(tǒng)引入較大系統(tǒng)測向偏差的情況下，通過式（6）、式（8）和式（11）計算測向精度值，并采用“Δαavg±Δθrms'”的方式表示被測系統(tǒng)測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

本文對UHF/VHF監(jiān)測測向系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)開闊場中進(jìn)行的測向精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多維度分析，并對分析結(jié)果的使用提出了相關(guān)的建議。本文僅從實(shí)踐的角度對測試數(shù)據(jù)的潛在價值提供了一些思路和方法，以便于更好地利用測試數(shù)據(jù)為被測系統(tǒng)和用戶服務(wù)，便于測試數(shù)據(jù)的使用者更清晰地了解測試結(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無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重視和進(jìn)一步發(fā)掘，達(dá)到推動無線電監(jiān)測測向系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的最終目的。