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摘 要：干涉式测向方法简介，从测向原理、造成误差的原因多方面进行了深入剖析，对于干涉式测向产生的误差问题，采用天线转换连接、增加校正参数的方法，验证后获得较好的结果，能够在工程实现上解决测向存在的误差。
关键词：干涉式测向；伪距测量；基线测量；误差消除
干涉式测向作为一种精确的无线电测向方法，广泛应用在军事、科研领域。利用统一发射源发射信号，到接收终端统一天线阵中两根接收天线的时间差，和这两根天线之间的间距，通过三角公式求解，进而得到相对角，实现相对定位。
1 干涉式测向原理
干涉式测向原理图如图1所示，设两天线的间距为d，以天线连线方向为方位基准。当被测目标发射源远离测向系统时（天线R0远大于d），及发射源到两个测向天线传播方向近似于平行，两个测向天线接收的目标回波路径差ΔR与方向角θ、基线长度d的关系为
ΔR=R2—R1=d sin θ（1）
sin θ=■ θ=arcsin■
式中：ΔR—目标回波分别到达两天线的距离差；R2—目标到测向天线2的距离；R1—目标到测向天线1的距离。则θ值可以得出，θ即为两根测向天线连线垂线与目标点之间夹角。
干涉式测向原理是依靠测量目标到两测向天线的路径差ΔR，达到测量目标方向角的目的。
2 干涉式测向的误差分析
干涉式测向根据原理分析可能引起测向误差的原因有如下几点：
（1）伪距测量误差
干涉式测向的根本在于准确测量目标点到两根测向天线的路径差ΔR，及准确测量两根天线接收到的目标点发射信号的时间差Δt，根据下式：
ΔR=cΔt（c为无线电波在空气中的传播速度，近似为3×105 km/s）；
在接收机中以测向天线1所接收到的信号时刻t1计算，接收机时钟在t时刻产生一个相同的编码测距信号，这个复现的码在时间上移动，一直到与测向天线2收到的测距码产生相关为止，则两根测向天线接收到的测距码和接收机产生的复现码相关过程的时间差即为Δt。具体见图2。
接收机内时钟的准确性是由本机晶振的精度所决定的，及时钟的精度将影响测向的准确性。
（2）基准线长度d的测量不准
根据干涉式测向方法原理，要求d必须准确测量，才能精确测定方向角，但是在实际中由于种种原因d的准确测量也存在问题。如：天线定位不准、天线的相位中心与几何中心不重合等，都会导致d的测量不准，从而导致计算方向角时引起误差。对公式1两边同时取微分，经整理就可以得到公式（2）
δθ=tan θ■（2）
假设基线真实长度为60 m、目标方向角为25°，基线长度的测量精度为±0.2 m，由此引起的目标方向角计算误差就达到了0.0016弧度（即5°34′），对于高精度的定位系统，这样的方向角误差是不能接受的。如果目标到干涉仪的距离300 km，那么由测向误差引起的目标横向定位误差将近500 m。
3 消除误差的设计分析
3.1 消除伪距测量误差的设计方法
干涉式测向方式需要有两根测向天线接收目标点发射的信号，这就需要在两根测向天线后面各有一个接收信道用于放大、解调两根天线所接收到的射频信号。由于伪距测量对时间要求非常严格，这就需要两根测向天线后续的接收信道必须严格一致，如放大幅度、相位延迟等。同时在长时间工作、或者在温度变换的情况下容易出现信道参数飘移，导致两个信道始终很困难保持一致。如何设计才能满足上述要求，消除两个通道的误差，需要采取如下方法：
（1）线路设计时，注意接收信道设计的一致性，同时要考虑输出端负载是否一致。
（2）器件选择要注意一致性，如放大器、混频器、滤波器等，要注意相位的延迟特性、放大特性等，同时注意匹配电路，以保证一致性要求。
（3）负载端输出，负载端输出对幅度要求较为敏感，尽量保证输出幅度的一致性。
上述通过人为调试可以保证通道的短时间一致性，但是当通道长时间工作时会存在着漂移现象，导致通道的一致性变差，这样无法人为接入进行调整，同时认为介入也不方便设备正常工作。为了满足长时间工作，尽量减小通道误差，需要进行如下设计。
射频通道开关作为控制设备收发转换的必需设备，在通道控制上也可以进行特殊设计以满足使用需求。
图3中设置两个射频开关，用于控制两个接收通道的通断。正常工作状态时测向天线1与开关1接通，测向天线2与开关2接通，这样两个接收通道处于同时接收状态，可以实现干涉式定向。当工作时间较长时，两个通道发生了相对变化，通过软件控制开关1、开关2的接通关系，使测向天线2与开关1接通，测向天线1与开关2接通，这样实际上变为测向天线1与接收通道2联通，测向天仙2与接收通道1联通，实现了通道互换。通过时间控制，工作一段时间后，开关控制再次变换，由测向天线1接通开关1，测向天线2接通天线2，这样不断变换。在一般情况下，天线状态不发生变化，发生变化的是射频开关和接收通道，通过变换天线与接收通道的连接关系，可以将通道误差基本消除。
t=■（3）
（3）式中t为两个接收通道的测量平均差；t1为收通道1测量差；t2为接收通道2测量差。按照接收通道变化规律，相位前移或者后退，都只会按照一定的趋势进行变化，这样取两个接收通道测量值的算术平均数，变化将很小，长时间工作状态下也能保证通道的一致性，同时该设计思路也可以降低对射频通道硬件设计、器件选择的难度。
3.2 消除基线测量误差的设计方法
干涉仪测向系统一般安装在轮船、汽车、飞机等移动载体上，在工作过程中由于载体的水平性无法保证，天线存在着一定的倾斜角，导致基线测量不准确。图4为一般干涉式测向系统原理框图，在这样的设计中基线测量不准确固有存在无法消除。
针对这种固有存在缺陷，提出改进型设计以消除基线测量误差。如图5所示。
由于基线倾角并不是恒定的，为了降低基线倾角对相位差的影响，提出了一种实时校正的方法，在鉴相器和角度变换之间加入一个校正因子K，并且校正因子K的值由基线倾角α决定，通过选择合适的校正因子来降低基线倾角对相位差的影响，从而提高系统的测向精度。令
K=cos α，由图5可以看出
sin θ=■（4）
将校正因子代入式（4）得
sin θ=■（5）
可以看出选择合适的K值就可以消除基线倾角对测向的影响，提高测向的精度。
4 结束语
干涉式测向方法作为一种精确的测向方法，其具有测向精确、设计较为简单的特点，并得到广泛应用。本文侧重讨论在实际设计中如何更好的解决干涉式测向方法在工程实现过程中出现的固有误差，以便更好的得到应用。
参考文献
[1] 朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[2] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.
[3] 胡来招.雷达侦察接收机设计[M].北京：国防工业出版社，2000.
[4] Stephen E Linpsky.微波无源测向[M]. Johu wiley&sons Iuc，1987.
[5] JamesTsu.i宽带数字接收机[M].北京：电子工业出版社，2002.
[6] 董传刚，赵国庆，对相关干涉仪测向算法的改进[J].电子科技，2008年，第21卷，第3期：P56—P58.
[7] 李银波，陈华俊，鉴相方法的分析与比较[J].电讯技术，2008年，第48卷，第6期：P78—P81.
[8] 安东，龚晓峰，基于BP网络的单信道干涉测向方法[J].无线电通信技术，2008年，第27卷，第6期：P15—P16.
[9] 何文光，张贤挚，相关干涉测向关键技术的研究与实现[J].学术探讨：P72—P75.
[10] 王鼎，林四川，李长胜，一种新的阵元位置误差有源校正算法[J].雷达科学与技术，2008年，第3期：P226—P230.
关键词：干涉式测向；伪距测量；基线测量；误差消除
干涉式测向作为一种精确的无线电测向方法，广泛应用在军事、科研领域。利用统一发射源发射信号，到接收终端统一天线阵中两根接收天线的时间差，和这两根天线之间的间距，通过三角公式求解，进而得到相对角，实现相对定位。
1 干涉式测向原理
干涉式测向原理图如图1所示，设两天线的间距为d，以天线连线方向为方位基准。当被测目标发射源远离测向系统时（天线R0远大于d），及发射源到两个测向天线传播方向近似于平行，两个测向天线接收的目标回波路径差ΔR与方向角θ、基线长度d的关系为
ΔR=R2—R1=d sin θ（1）
sin θ=■ θ=arcsin■
式中：ΔR—目标回波分别到达两天线的距离差；R2—目标到测向天线2的距离；R1—目标到测向天线1的距离。则θ值可以得出，θ即为两根测向天线连线垂线与目标点之间夹角。
干涉式测向原理是依靠测量目标到两测向天线的路径差ΔR，达到测量目标方向角的目的。
2 干涉式测向的误差分析
干涉式测向根据原理分析可能引起测向误差的原因有如下几点：
（1）伪距测量误差
干涉式测向的根本在于准确测量目标点到两根测向天线的路径差ΔR，及准确测量两根天线接收到的目标点发射信号的时间差Δt，根据下式：
ΔR=cΔt（c为无线电波在空气中的传播速度，近似为3×105 km/s）；
在接收机中以测向天线1所接收到的信号时刻t1计算，接收机时钟在t时刻产生一个相同的编码测距信号，这个复现的码在时间上移动，一直到与测向天线2收到的测距码产生相关为止，则两根测向天线接收到的测距码和接收机产生的复现码相关过程的时间差即为Δt。具体见图2。
接收机内时钟的准确性是由本机晶振的精度所决定的，及时钟的精度将影响测向的准确性。
（2）基准线长度d的测量不准
根据干涉式测向方法原理，要求d必须准确测量，才能精确测定方向角，但是在实际中由于种种原因d的准确测量也存在问题。如：天线定位不准、天线的相位中心与几何中心不重合等，都会导致d的测量不准，从而导致计算方向角时引起误差。对公式1两边同时取微分，经整理就可以得到公式（2）
δθ=tan θ■（2）
假设基线真实长度为60 m、目标方向角为25°，基线长度的测量精度为±0.2 m，由此引起的目标方向角计算误差就达到了0.0016弧度（即5°34′），对于高精度的定位系统，这样的方向角误差是不能接受的。如果目标到干涉仪的距离300 km，那么由测向误差引起的目标横向定位误差将近500 m。
3 消除误差的设计分析
3.1 消除伪距测量误差的设计方法
干涉式测向方式需要有两根测向天线接收目标点发射的信号，这就需要在两根测向天线后面各有一个接收信道用于放大、解调两根天线所接收到的射频信号。由于伪距测量对时间要求非常严格，这就需要两根测向天线后续的接收信道必须严格一致，如放大幅度、相位延迟等。同时在长时间工作、或者在温度变换的情况下容易出现信道参数飘移，导致两个信道始终很困难保持一致。如何设计才能满足上述要求，消除两个通道的误差，需要采取如下方法：
（1）线路设计时，注意接收信道设计的一致性，同时要考虑输出端负载是否一致。
（2）器件选择要注意一致性，如放大器、混频器、滤波器等，要注意相位的延迟特性、放大特性等，同时注意匹配电路，以保证一致性要求。
（3）负载端输出，负载端输出对幅度要求较为敏感，尽量保证输出幅度的一致性。
上述通过人为调试可以保证通道的短时间一致性，但是当通道长时间工作时会存在着漂移现象，导致通道的一致性变差，这样无法人为接入进行调整，同时认为介入也不方便设备正常工作。为了满足长时间工作，尽量减小通道误差，需要进行如下设计。
射频通道开关作为控制设备收发转换的必需设备，在通道控制上也可以进行特殊设计以满足使用需求。
图3中设置两个射频开关，用于控制两个接收通道的通断。正常工作状态时测向天线1与开关1接通，测向天线2与开关2接通，这样两个接收通道处于同时接收状态，可以实现干涉式定向。当工作时间较长时，两个通道发生了相对变化，通过软件控制开关1、开关2的接通关系，使测向天线2与开关1接通，测向天线1与开关2接通，这样实际上变为测向天线1与接收通道2联通，测向天仙2与接收通道1联通，实现了通道互换。通过时间控制，工作一段时间后，开关控制再次变换，由测向天线1接通开关1，测向天线2接通天线2，这样不断变换。在一般情况下，天线状态不发生变化，发生变化的是射频开关和接收通道，通过变换天线与接收通道的连接关系，可以将通道误差基本消除。
t=■（3）
（3）式中t为两个接收通道的测量平均差；t1为收通道1测量差；t2为接收通道2测量差。按照接收通道变化规律，相位前移或者后退，都只会按照一定的趋势进行变化，这样取两个接收通道测量值的算术平均数，变化将很小，长时间工作状态下也能保证通道的一致性，同时该设计思路也可以降低对射频通道硬件设计、器件选择的难度。
3.2 消除基线测量误差的设计方法
干涉仪测向系统一般安装在轮船、汽车、飞机等移动载体上，在工作过程中由于载体的水平性无法保证，天线存在着一定的倾斜角，导致基线测量不准确。图4为一般干涉式测向系统原理框图，在这样的设计中基线测量不准确固有存在无法消除。
针对这种固有存在缺陷，提出改进型设计以消除基线测量误差。如图5所示。
由于基线倾角并不是恒定的，为了降低基线倾角对相位差的影响，提出了一种实时校正的方法，在鉴相器和角度变换之间加入一个校正因子K，并且校正因子K的值由基线倾角α决定，通过选择合适的校正因子来降低基线倾角对相位差的影响，从而提高系统的测向精度。令
K=cos α，由图5可以看出
sin θ=■（4）
将校正因子代入式（4）得
sin θ=■（5）
可以看出选择合适的K值就可以消除基线倾角对测向的影响，提高测向的精度。
4 结束语
干涉式测向方法作为一种精确的测向方法，其具有测向精确、设计较为简单的特点，并得到广泛应用。本文侧重讨论在实际设计中如何更好的解决干涉式测向方法在工程实现过程中出现的固有误差，以便更好的得到应用。
参考文献
[1] 朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京：人民邮电出版社，2005.
[2] 赵国庆.雷达对抗原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.
[3] 胡来招.雷达侦察接收机设计[M].北京：国防工业出版社，2000.
[4] Stephen E Linpsky.微波无源测向[M]. Johu wiley&sons Iuc，1987.
[5] JamesTsu.i宽带数字接收机[M].北京：电子工业出版社，2002.
[6] 董传刚，赵国庆，对相关干涉仪测向算法的改进[J].电子科技，2008年，第21卷，第3期：P56—P58.
[7] 李银波，陈华俊，鉴相方法的分析与比较[J].电讯技术，2008年，第48卷，第6期：P78—P81.
[8] 安东，龚晓峰，基于BP网络的单信道干涉测向方法[J].无线电通信技术，2008年，第27卷，第6期：P15—P16.
[9] 何文光，张贤挚，相关干涉测向关键技术的研究与实现[J].学术探讨：P72—P75.
[10] 王鼎，林四川，李长胜，一种新的阵元位置误差有源校正算法[J].雷达科学与技术，2008年，第3期：P226—P230.