本文首先介绍了无线电测向的一般知识，说明了无线电测向机的分类方法和应用。从测向原理的角度着重说明了不同测向系统的特点和主要技术指标。最后，从现实出发，提出了一些建议。供读者参考。
无线电测向的一般知识
随着无线电频谱资源的广泛应用和无线电通信的日益普及，为了有序可靠地利用有限的频谱资源，保证无线电通信的畅通，无线电监测和无线电测向已经变得不可或缺，其地位和作用也将与时俱进。
什么是无线电测向？无线电测向是根据电磁波的传播特性，利用仪器设备确定无线电波的来波方向的过程。用来确定无线电波方向的特殊仪器和设备叫做无线电测向仪。在测量过程中，根据天线系统从来波信号中获得的信息和处理信息的方法，测向系统可分为标准测向系统和矢量测向系统两大类。标量测向系统只能获得与使用来波信号相关的标量信息数据；矢量测向系统可以获得并使用来波信号的矢量信息数据。标量测向系统只能独立获取和使用电磁波的幅度或相位信息，而矢量测向系统可以同时获取和使用电磁波的幅度和相位信息。
测向系统历史悠久，应用最为广泛。最简单的比幅测向系统是如图(1)所示的旋转圆环测向机，它对垂直极化波的方向形成一个8字形。大部分比幅测向系统的天线和方向图是对称的，如：阿德考克测向机、沃森-瓦特测向机、各种使用旋转测角仪的圆形天线阵测向机；它属于比相标准测向系统，如干涉测向机和多普勒测向机。短波信标的测向系统可以设计成只测量方位角，也可以设计成同时测量来波的方位角和仰角。
矢量测向系统具有从原始波信号获得和使用矢量信息数据的能力。例如：空间谱估计测向仪。对于矢量系统的数据采集，前端需要同时使用多端口天线阵和至少两个幅相相同的接收机，后端需要计算机根据相应的数学模型和算法求解。根据天线单元和接收器的数量以及后续处理能力，矢量系统可以区分二维甚至多维波场和来波方向。矢量测向系统是近十年提出的，它的实现依赖于数字技术、微电子技术和数字处理技术的进步。现在还不流行。
在上面的描述中，我们用“入射波方向”来代替“辐射源方向”来衡量，两者是有区别的。这里我们重点关注的是测向仪所处的实际电磁环境。然而，无线电测向的最终目的是确定“辐射源的方向”和“辐射源的具体位置”。
无线电测向自上世纪初诞生以来，已经形成了系统的理论，这就是无线电测向。无线电测向是研究电磁波的特性和传播规律，无线电测向的原理和实现方法，测向误差的规律以及减小和克服误差的方法。总之，无线电测向是一门研究无线电测向理论、技术和应用的科学。无线电测向是一门与无线电工程、无线电电子学、地球物理学、无线电通信技术、计算机技术和数字技术密切相关的科学。
无线电测向系统的组成如图(2)所示。它通常包括四个部分：测向天线、输入匹配单元、接收机和方位信息处理与显示。测向天线是电磁场能量的探测器、传感器和能量转换器。它通过感应接收在空气中传播的电磁波能量，将其与幅度、相位、到达时间等信息一起转换成交流电信号，馈入接收机。输入匹配单元实现天线到接收机的匹配传输和必要的变换；接收机用于频率选择、下变频、无失真放大和信号解调。检测、比较、计算、处理和显示(指示)方位信息是第四部分的任务。
无线电测向以测向仪的位置和穿过地理北极的子午线为基准零度方向。两点之间的方位角确定如下：假设地球表面有A、B两点，A点为测向仪所在位置，参考方向和方位角如图(3)所示。B点相对于A点的方位角是从经过A点的子午线(零度)到A到B的大圆路连线顺时针旋转的度数.B点相对于A点的方位角度数是唯一的。
图3参考方向和方位角
测向仪在测向过程中显示(指示)的测向读数称为测向度。由于无线电波的传播和测向仪器的误差，测向通常不是一个非常精确的单值。方位和方位角之差称为测向误差。如果方位角与测向中的方位角一致，则测向误差为零。实际上，测向过程中产生误差的原因有很多，但基本上可以归纳为主观误差和客观误差。影响和产生客观误差的因素有很多，以后会在另一篇文章中讨论。
在测向中，为了获得更精确的测向，通常需要具备四个必要条件：优良的测向场地环境、配套的测向系统、高精度的测向机和经验丰富的操作人员。测向站的优良环境为无线电波的正常传播提供了条件；正确选择测向系统，满足不同使用要求；优秀的测向仪是设备的基础；在测向的过程中，经常需要应对突发情况。人的知识和经验是非常宝贵的，有经验的操作人员起着非常重要的作用。这是必须同时满足的四个条件。
测向设备、通信系统和辅助设备可以组成一个测向站(站)。测向站是执行测向任务的专门机构，分为固定站和移动站。
无线电测向通常用于确定辐射源的位置。这时候往往需要组成几个测向位置不同的测向站(站)的网络进行测向，利用各个测向站的方向(线)进行交汇。如图(4)所示。在条件允许的情况下，还可以利用移动测向站轮流在不同位置进行分时勘测。
图4各测向站测向交会图。
短波单站定位是在测向的同时测量来波的仰角，通过仰角和电离层高度计算距离，通过方位角和距离粗略判断台站位置。单定位如图(5)所示。
图5短波单站(站)定位
在实践中，要确定未知辐射源的具体位置，往往需要由远及近逐步完成交叉测量，从而逐步逼近并确定辐射源的具体位置。
无线电测向的应用
无线电测向系统的应用在三个方面一、测向系统用于确定未知辐射源的方向和位置。测向站(站)可以是固定的，也可以是移动的。例如，在无线电频谱管理中，未知干扰的测向和定位
无线电测向仪的分类方法
经过近百年的研究、实践和发展，无线电测向仪有了一个庞大的家族。基于角度的不同，测向仪有以下不同的分类方法(分类中的交叉是不可避免的):1。按工作频段分，有：超长波、长波、中波、短波、超短波、微波测向仪；2.根据工作方式，有固定式测向仪和移动式测向仪。移动测向仪因运载工具不同，可进一步分为车载、船载、机载(飞机)测向仪和手持式、穿戴式测向仪。3.根据测向仪(主要是短波)的作用距离，有近程测向仪、中程测向仪和远程测向仪；4.根据测向天线间距(地基和孔径)的大小，分为：大型地基测向机、中型地基测向机和小型地基测向机；5.根据测向天线是否有放大器，有有源天线测向机和无源天线测向机；6.根据测向机使用的测向天线类型分为：环形(框架)天线测向机、交叉环形(框架)天线测向机、间隔双环(框架)天线测向机、单极(加载)天线测向机、对称阵列(垂直和水平)天线测向机、对数天线测向机、行波环形天线测向机和磁天线。7.根据测向仪的读数方式，有：听觉测向仪、视觉测向仪、数字测向仪；8.根据测向仪所用接收机的通道分类，有单通道测向仪、双通道测向仪和多通道测向仪。像上面的分类方法，可能还有一些，这里就不赘述了。测向原理和测向系统综述。
在测向机家族中，根据不同的测向原理，现有的测向机可以归纳为不同的测向系统、体制和样式。下面将分别介绍它们的工作原理和特点。
一、比幅测向系统
比幅测向系统的工作原理是：根据测向天线阵或测向天线的方向特性，根据不同方向接收信号的不同幅度来确定来波方向。
比如四单元U型天线阵和小地基测向(Adcock)机间隔排列，如图6所示。其表达式如式(1)所示。uns=ku 13 sincosUew=ku 24 coscosuns=arctg ——(1)Uew
上式中，Uns和Uew分别为南北向和东西向天线的感应电压，为来波方位角，为来波仰角，k为相位常数，2bk=———-，其中：b为天线间距，为工作波长。
对于不同方向的360度()入射波，南北天线接收到的信号幅度遵循Sin 定律，东西天线接收到的信号幅度遵循余弦Cos定律。利用两组信号幅度，可以通过求解它们或显示它们的反正切值来获得到达方向。这只是比幅测向系统中测向器的一个典型例子。
图6四单元Adcock天线阵列
比幅测向系统的原理应用广泛，其测向机的方向图不尽相同。例如：环形天线测向仪、间隔双环天线测向仪、旋转对数天线测向仪等。属于直接旋转测向天线和方向图；交叉环天线测向仪、U形天线测向仪、H形天线测向仪等。属于间接旋转测向天线方向图。间接旋转测向天线方向图是通过手动或电动旋转测角仪实现的。手持式或穿戴式测向仪通常属于比幅测向系统。这是不可重复的。
amplit的特性
沃森-瓦特测向系统工作原理：沃森-瓦特测向机实际上属于比幅测向系统，但它并不直接或间接旋转天线方向图，而是计算或显示反正切值。鉴于其在测向仪家族中的特殊地位和目前的广泛应用，在此单独说明。基本公式与公式(1)相同。正交(Sin，Cos)测向天线信号分别由两个幅度和相位特性相同的接收机转换放大，最后求解或显示反正切值，求解或显示来波方向。沃森-瓦特测向仪包括多通道沃森-瓦特测向仪和单通道沃森-瓦特测向仪。这里所说的多路通常是指三个通道，另一个通道用来连接全向天线，解决“180度不确定”和“值班接收”的问题。多通道沃森-瓦特测向原理框图如图(7)所示。
图7多通道沃森-瓦特框图
单通道沃森-瓦特测向仪用两个低频信号调制正交测向天线信号，然后通过单通道接收机变频放大解调出方向信息信号，再计算或显示反正切值给出波向。单通道沃森-瓦特测向仪的原理框图如图(8)所示。
图8单通道沃森-瓦特框图
沃森-瓦特测向系统特点：多通道沃森-瓦特测向机测向效率高，速度快，在好的场地测向准确，CRT显示方式还能分辨同频干扰。该系统的测向天线属于小型基础，测向灵敏度和抗波前畸变能力有限。多渠道系统复杂；双通道接收机在技术上很难实现相同的幅度和相位。单通道系统属于小基础，系统简单，体积小，重量轻，但测向速度受到一定限制。
三、干涉仪测向系统
干涉仪测向系统的测向原理是：根据电波在行进中从不同方向到达测向天线阵时，各个测向天线单元接收到的相位在空间上是不同的，因此它们之间的相位差也是不同的。通过测量入射波的相位和相位差，可以确定入射波的方向。基本公式如公式(2)所示：13=1-3=k * sincos24=2-4=k * sincos13=弧TG ——3354 (2) 24。上式中， 13、 24分别为南北向和东向。
在干涉仪测向模式下，直接测量测向天线感应电压的相位，然后求解相位差。从公式(2)可以看出，它与比幅测向公式非常相似。
为了确定电磁波的方向，干涉仪工作时至少需要在空间架设三个独立的测向天线。干涉仪测向测量180度范围内的相位。当天线间距较小时，相位差的分辨率有限，当天线间距大于0.5个波长时，会造成相位模糊。解决上述矛盾的通常方法是沿每个主基线插入一个或多个附加元素，这些附加元素提供附加的相位测量数据，可以解决主基线相位测量中的模糊问题。这种改变基线的技术已被当代干涉仪测向仪广泛采用。干涉仪测向仪的测向原理框图如图9所示。
图(9)干涉仪测向原理框图。
相关干涉仪测向是干涉仪测向的一种。其测向原理是：在测向天线阵的工作频率范围和360度方向上，按照一定的规则布点，同时在频率区间和方位区间建立样本组。在测向过程中，对测量数据和样本组进行相关和插值，以获得来波信号的方向。请注明来自Sci
干涉仪测向系统的特点是：采用可变基线技术，使用中大型基本天线阵，采用多通道接收机、计算机和FFT技术，使系统具有测向灵敏度高、测向精度高、测向速度快、仰角可测和一定的抗波前畸变能力。该系统对偏振误差不敏感。干涉仪测向是目前比较好的测向系统，研制技术复杂，难度大，成本高。干涉仪测向对接收信号的幅度不敏感。测向天线的空间分布和天线的架设间距比比幅测向更灵活，但必须遵循一定的规则。例如，它可以是三角形、五边形或L形。
四、多普勒测向系统
多普勒测向系统的测向原理：根据无线电波遇到相对运动的测向天线时，接收到的无线电波信号产生的多普勒效应，通过测量多普勒效应产生的频移，可以确定来波的方向。
为了获得多普勒效应引起的频率偏移，需要使测向天线相对于被测电波运动，这通常是通过测向天线在接收场中以足够高的速度运动来实现的。当测向天线完全沿来波方向运动时，多普勒效应的频移(增加)最大。多普勒测向的基本公式如公式(3)所示。
当测向天线做圆周运动时，入射波信号的相位将被正弦调制。我们假设天线场中心的零点为相位参考点，信号的相位为，天线接收到的信号的瞬时相位为 (t)，则有： t= t kccos ( t-)。
其中：为信号角频率，为天线旋转角频率，为来波方向的角度，相位常数kc=2r/，其中r为天线间距，为信号波长。
此时测向天线接收到的信号Ut的表达式为：ut=acos [ t kccos ( t-)]。
多普勒效应使测向天线接收到的信号产生相位调制，多普勒相移为 d，所以有： d=kccos ( t-)。
对应的多普勒频移为f=d d/dt=-kcsin ( t-) (3)。
通过对旋转测向天线接收的信号进行变频、放大和鉴频，可以得到多普勒频移f。将多普勒频移f与零点参考频率进行比较，可以得到来波方向角。
多普勒测向通常不是直接旋转测向天线，因为工程上很难实现。它是在同心圆的圆周上竖立多根天线，电子开关依次快速打开每根天线，相当于旋转测向天线。人们把这种测向仪称为准多普勒测向仪。准多普勒测向原理框图如图(10)所示。
图10准多普勒测向原理框图
通常人们希望获得较大的多普勒频移，增加天线口径和切换速度是基本途径。多普勒测向仪的测向天线口径可采用大、中型基础；开关的旋转频率是几百赫兹，多普勒频率F可以达到几百赫兹。但开关开关频率的提高会增加边带带宽，从而限制转速。
多普勒测向系统特点：可使用中大型基天线阵，测向灵敏度高，精度高，无间距误差，极化误差小，仰角可测，有一定的抗波前畸变能力。多普勒测向系统的缺点是抗干扰性能差，比如遇到同频干扰和调频调制干扰时会出现测向误差。系统还在开发中，改进会使系统变得复杂，成本也会相应增加。
五、乌兰韦堡测向系统
乌兰韦堡测向系统测向原理：采用大型地基测向天线阵
以40个天线单元测向为例，测角仪可以瞬间耦合12个天线单元，然后通过相移补偿电路分别对准信号相位，形成可旋转的等效线性天线阵。12个天线被分成两组，每组6个天线单元，并且这两组由组合和减法电路相加和相减，以形成组合和差分模式。在测向中，利用组合和差分模式来确定来波的方向。在来波方向，由于两组天线都在来波的等相位平面上，所以两组天线的信号大小相等。当方向图不同时，输出相减为“零”，当方向图合并时，为一组天线输出的两倍。
因为乌兰韦伯格测向是比相，所以人们常把它归类为比相测向机。但从用户的角度来说，最终用途是信号比幅，所以说它是比幅测向仪是有道理的。乌兰韦堡测向原理框图如图(11)所示。
图11乌兰韦堡测向原理框图。
短波乌兰-韦堡测向系统是典型的基础，测向天线阵的直径是最低工作波长的1 ~ 5倍。根据低端工作频率的不同，天线阵列的直径可以达到数百甚至数千米。测向天线单元可以是宽带垂直天线或对数周期天线。为了提高天线的接收效率，通常在天线阵列内部使用反射网。当一个天线阵难以覆盖所有短波频段时，一般是内高频外低频的双层阵。
乌兰-韦堡测向系统特点：由于基天线阵较大，测向系统具有较高的灵敏度、精度、分辨率、抗波前畸变和抗干扰性能，可提供综合监测利用。乌兰韦伯格特测向仪要求几十根天线和馈线具有完全相同的电特性，测角仪的设计和技术要求高，需要大型平坦开阔的天线架设场地，这无疑增加了成本和工程建设的难度。问题是成本高，对测向场地要求高。
六、到达时间差定向系统
到达时差测向系统的测向原理：根据电波的传播，通过测量电波到达测向天线阵各测向天线单元的时差来确定电波的到达方向。类似于比相测向，但这里测的参数是时差，不是相位差。测向系统要求被测信号具有一定的调制方式。
到达时差测向原理的基本公式如公式(4)所示。假设垂直架设的测向天线单元A和B之间的距离为2b，来波方向与AB连线垂线的夹角为，来波仰角为，电波传播速度为V，则天线B相对于天线A的信号延迟时间为，2b有：=(——)SinCosv，则可求出来波方向，即：v =Arcsin [(3354)。需要估计短波的到达仰角，而超短波的到达仰角是“零”，即Cos=1。
测向原理框图如图(12)所示。
在实际使用中，为了覆盖360度方向，至少需要架设三个独立的测向天线。测向天线间距可分为长基线和短基线，长基线测向精度明显优于短基线。到达时差测向系统是基于时间标准和对时间的精确测量。以目前的技术水平，时间间隔测量精度可以达到1ns，距离10米时，测向精度可以达到1度。
图12到达时差测向原理框图
到达测向的时差特性
以四元天线阵为例，空间谱估计测向的基本公式如公式(5)所示。空间谱估计测向是将每个天线的接收信号与其他天线的信号进行比较，这就是相关矩阵法，即协方差矩阵法，它完全反映了空间电磁场的实际情况。具体来说，它形成以下协方差矩阵：
图13空间谱估计测向原理框图
上式中，Xn为天线N的输出，h为共轭转置符号。用于空间谱估计的四元天线阵列的示意图如图(14)所示。
图14空间谱估计四元阵列示意图
从公式(5)可以看出，四元阵列的协方差矩阵有16个元素，空间谱估计测向充分利用了测向天线阵各元素从空间电磁场接收到的全部信息，而传统测向方法只利用了一小部分信息(相位或幅度)，因此传统测向方法在多波环境下无法发挥作用。空间谱估计测向基于最新的阵列处理理论、算法和技术，具有超分辨测向能力。所谓超分辨测向，是指对同一信道中同时到达且在天线阵列固有波束宽度内的两个以上的无线电波进行同时测向。这在传统的测向方法中是不可能的。构造协方差矩阵是空间谱估计和测向的基本出发点，但不同算法对协方差矩阵的处理是不同的，MUSIC就是其中的典型。
空间谱估计测向系统的特点：空间谱估计测向技术可以实现多个相干波的同时测向；它可以实现同一通道多个信号的同时测向；可以实现超分辨测向；空间谱估计测向只需要很少的信号样本就可以精确测向，因此适用于跳频信号的测向。空间谱估计测向可以达到很高的测向灵敏度和精度，其测向精度远高于传统测向系统，即使信噪比下降到0db，仍能令人满意地工作(而传统测向系统的信噪比通常需要20db)；对测向场地的环境要求不高，可以实现天线阵元方向特性选择和阵元位置选择的灵活性。上述空间谱估计测向的优点是传统测向方法长期存在的问题。
空间谱估计也一样，还在实验阶段。该系统要求宽带测向天线，要求天线单元与多通道接收机之间的电性能一致。此外，还需要简单高精度的计算方法和高性能的运算处理器来解决实际问题。
测向系统的比较
测向系统的质量通常是一个普遍关注的问题，但无线电测向系统像所有事物一样，有其自身的双重性。就用户而言，每个用户的工作环境、工作方式、工作要求、工作对象等条件都不尽相同，所以一般来说，利弊可能会脱离实际。在选择测向系统和测向设备时，重要的是用户要彻底了解和仔细分析自己的工作要求。测向系统和设备的质量应在满足工作要求的前提下由用户自行决定。应该说每个测向系统都有自己的特点。从用户的角度来说，能满足工作需要，价格合适，是个不错的系统。这里重点讨论如何评价测向系统和测向设备，提出以下技术指标供读者参考。
一、频率覆盖范围。该指标规范了测向仪的性能指标和正常工作频率范围，是选择测向仪时的基本要求
三、测向精度。它代表了测向系统和测向设备在测向中的精度，即测向误差的大小。测向精度通常分为仪器设备测向精度、标准场地测向精度和实际测向精度。三者的物理意义和测试条件根本不同，用户需要特别注意，不要混淆。
四、抗干扰能力。表示测向系统和测向设备遇到干扰信号时的测向能力和精度，包括在存在同频干扰、邻区干扰、带外干扰和多波干扰(波前畸变)情况下的测向能力。
五、测向老化。它代表了测向系统和测向设备的时间成本，以及空中连续短消息的测向能力。这包括：测向系统的信道建立、方向信息采样、数据运算处理(包括积分)、方向指示器显示等环节所需的时间，每个时间段可以单独表示。但总的来说，在评估时，我们往往只看综合处方。
六、极化误差。极化误差是测向误差的一种，代表测向系统和测向设备在异常极化波条件下工作的测向能力。有时候叫极化敏感，不敏感就是好。在短波波段，用标准斜极化波测量极化误差。
七、高程测量。表明测向系统和设备能否测量来波的仰角。短波测向，有些测向系统可以测量来波的仰角，进而实现单站定位。
八、测向距离。在短波测向中，通常有长距离测向、中距离测向和短距离测向，不同的测向距离对设备有不同的要求。
九、测向天线基础(孔径)。表示测向天线阵相对于工作波长的大小。测向天线的基础(孔径)可分为大、中、小基础。测向天线基础(孔径)直接影响测向性能。
十、测向系统和测量参数。指出了测向原理和测得的无线电波参数。比如测向中测得的幅度、相位、时差等参数也可能是它们的组合，与测向系统有关。
10一、系统机动性。表示系统的移动性。通常有固定式、移动式和便携式。运动按载体分为车、船、空降。
系统复杂性和成本。说明测向系统和测向设备系统组成的复杂程度和研制的技术难度与成本是一致的。
结束语：
随着科学技术的不断进步，无线电监测和无线电测向技术也在不断进步，特别是近年来，随着无线电通信和网络通信的快速发展以及计算机技术和微电子技术的日新月异，必将带动无线电监测和测向技术的快速发展，使其走向自动化、智能化、网络化和小型化；曾经是理论上的东西正在变成现实；高度数字化、集成化和数字处理技术的应用正在提高无线电监测和无线电测向设备的性能；新技术、新设备、新工艺的开发和使用正在改变传统装备的面貌；同时新的理论会不断涌现，无线电测向系统也会不断创新。所有这些变化都是无穷无尽的。
附件：各种测向方法性能对比表
