關(guān)于提高固定站測向精度的探討

0 前言

隨著科技的不斷發(fā)展，VHF/UHF頻段固定測向站在測試場地測得的測向精度越來越高。但在實(shí)際的環(huán)境中，其測向精度并沒有指標(biāo)顯示得那么高。尤其在城市環(huán)境中，樓宇等高層建筑較多，無線電應(yīng)用繁多，無線電干擾和多次電波反射對測向精度影響很大。

如何才能更好地發(fā)揮固定測向站的測向能力，獲得更高的測向質(zhì)量呢？本文提出利用修正方法提高系統(tǒng)測向精度的設(shè)想，并且在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。使用測向機(jī)對發(fā)射源進(jìn)行測向，用測向的結(jié)果來修正系統(tǒng)的測向值，從而提高測向站的測向精度。

1 測向誤差分析

測向精度采用測向誤差的均方值表示，我們首先分析測向誤差的構(gòu)成，然后介紹具體驗(yàn)證方法。

一般地，測向的誤差主要有：設(shè)備誤差、場地誤差和傳播誤差。

（1）設(shè)備誤差：來自于測向機(jī)的設(shè)計(jì)，屬于系統(tǒng)誤差。

（2）場地誤差：由測向機(jī)附近地形結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性造成。這種誤差隨方向和頻率的變化而變化，因此可視為可變誤差。

（3）傳播誤差：由電波傳播的不規(guī)則性引起。傳播的不規(guī)則性會導(dǎo)致傳播方向偏離發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的大圓弧方向。

從三類誤差的性質(zhì)，我們可以看出設(shè)備誤差是系統(tǒng)固有的，受設(shè)備本身性能限制。傳播誤差與發(fā)射點(diǎn)位置有關(guān)，由于一般被測發(fā)射臺的位置是未知的，傳播誤差也是難以預(yù)計(jì)的。場地誤差則是由測向機(jī)附近地形結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性造成的。

那么，能否在測向中減小場地誤差呢？場地誤差隨方向和無線電頻率的變化而變化，系統(tǒng)出廠時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)場地進(jìn)行過校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)可以將頻率對誤差的影響減小，而測向機(jī)場地誤差與方向有關(guān)的部分卻沒有被考慮。實(shí)際應(yīng)用中盡管測向機(jī)附近地形結(jié)構(gòu)不規(guī)則，但在一定的時(shí)間內(nèi)并沒有較大的變化。因此，我們可以對一定量的、設(shè)置在不同地點(diǎn)的發(fā)射源進(jìn)行測向，用測向的結(jié)果和實(shí)際的方位來確定測向誤差，以此來估算未知發(fā)射源的測向誤差，校正測向結(jié)果。這種修正將地形對系統(tǒng)測向精度的影響進(jìn)一步減小，可以使測向精度得到改善。

2 精度修正的具體方法

首先對我們設(shè)置的發(fā)射源進(jìn)行測向，確定測向方位角xk，在電子地圖上確定發(fā)射點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，以固定站與發(fā)射點(diǎn)的連線作為真實(shí)方位xk*。測向方位角與真實(shí)方位的差值yk=xk-xk*即為在這一測向方位上的測向誤差值。

改變發(fā)射源的位置，分別進(jìn)行測向并計(jì)算測向誤差。采用插值方法得出方位角x與測向誤差y的關(guān)系函數(shù)。在實(shí)際測向中，用測得的未知臺站的方位角減去該方位上的測向誤差y進(jìn)行修正，得出修正后的方位角，以提高測向精度。

為了檢驗(yàn)該設(shè)想的可行性，我們在位于西安市北郊的某測向站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并選擇該測向站指向城區(qū)的方位（方位角98度～166度之間）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了減小頻率因素對結(jié)果的影響，所設(shè)信號源的工作頻率選擇在404MHz頻段。在不同方位的高樓上設(shè)置發(fā)射源，以減小發(fā)射點(diǎn)的地形對測向結(jié)果的影響，并且所有的信號源都設(shè)置在該測向站的2公里以外。為了使測向結(jié)果具有較好的一致性和足夠的信噪比，發(fā)射功率設(shè)為25W，信號源與測向站之間沒有障礙。具體測向數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)信息

　　計(jì)算表1中測向方位角的均方誤差為：

。

我們將方位誤差y隨測向方位x變化的函數(shù)稱為修正函數(shù)，表1中xk值和所對應(yīng)的yk值構(gòu)成了x與y的一個(gè)列表函數(shù)，每一個(gè)xk值和所對應(yīng)的yk值稱為修正函數(shù)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。根據(jù)列表函數(shù)中各結(jié)點(diǎn)的數(shù)值，計(jì)算出每一點(diǎn)上的函數(shù)值，即進(jìn)行插值計(jì)算。

在此次實(shí)驗(yàn)中，我們采用了分段拋物插值法，計(jì)算出修正函數(shù)在x方位點(diǎn)的修正數(shù)值y：

(1)

設(shè)插值點(diǎn)位于結(jié)點(diǎn)xk-1和xk之間。這時(shí)為了確定另外一個(gè)插值結(jié)點(diǎn)，需要進(jìn)一步判斷x究竟偏向區(qū)間(xk-1，xk)的哪一側(cè)，當(dāng)x靠近xk-1，即｜x-xk-1｜≤｜x-xk｜時(shí)，我們補(bǔ)選xk-2為另外一個(gè)插值結(jié)點(diǎn),令i=k-1。反之，當(dāng)x靠近xk時(shí)，即｜x-xk-1｜>｜x-xk｜時(shí)，我們補(bǔ)選xk+1為另外一個(gè)插值結(jié)點(diǎn)，令i=k。

例如:對處在實(shí)際方位100°的某已知信號進(jìn)行測向，測得該信號在方位角x=107°，為了確定該點(diǎn)的修正值y，需要進(jìn)行插值計(jì)算。該點(diǎn)x=107處于結(jié)點(diǎn)x2=105與x3=116之間，需要確定另外一個(gè)插值結(jié)點(diǎn)。由于｜x-x2｜<｜x-x3｜，所以在插值計(jì)算時(shí)取x1為插值結(jié)點(diǎn)。即i=2。此時(shí)根據(jù)公式（1）

輸出的測向方位為x-y=107-7=100°�？梢�，通過修正使輸出的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3 對修正效果的評估

究竟修正后的測向精度提高了多少呢？我們對一些已知位置的臺站進(jìn)行測向以檢驗(yàn)修正的結(jié)果。用插值方法計(jì)算出在某一測向方位上的修正值，并分別計(jì)算臺站測向數(shù)據(jù)在修正前后的均方誤差，即可評估修正的效果。實(shí)驗(yàn)中修正前后的誤差對比見表2。

表2 修正前后誤差信息

在進(jìn)行修正前該組數(shù)據(jù)的均方誤差為5.8°，修正后均方誤差為3.2°，這表示修正后測向精度有了明顯提高。

4 修正函數(shù)的更新

隨著時(shí)間的推移，測向站周圍的環(huán)境會發(fā)生變化，以前的修正函數(shù)不一定能真實(shí)地反映當(dāng)前的環(huán)境情況。這就要求我們在測向站周圍環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，重新進(jìn)行校準(zhǔn)，計(jì)算出新的修正函數(shù)。

修正函數(shù)列表上的結(jié)點(diǎn)越多，函數(shù)就越接近實(shí)際，修正的價(jià)值就越高。如果在測向工作中發(fā)現(xiàn)某一信號的信噪比和穩(wěn)定性較好，符合作為校準(zhǔn)信號的條件，可以將該次測向的結(jié)果，作為修正函數(shù)列表中一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)，充實(shí)到列表函數(shù)數(shù)據(jù)中。這樣，隨著測向任務(wù)不斷執(zhí)行，列表函數(shù)上的結(jié)點(diǎn)會越來越多，修正效果就會更好。每次測向工作不僅僅是為了測定發(fā)射源方位，同時(shí)也為測向站積累了校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

5 需要進(jìn)一步探討的問題

通過實(shí)驗(yàn)可以看到，修正測向方位角的方法對測向精度有較大幅度的提高，但這種方法還需要進(jìn)一步完善和探討。

一般地，測量的信號越多，修正函數(shù)列表上的結(jié)點(diǎn)也越多，函數(shù)就越接近實(shí)際，經(jīng)過修正得出的方位角的誤差就越小，修正的效果也就越好。但在設(shè)置發(fā)射源對測向站進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，究竟需要選多少個(gè)取樣點(diǎn)才可既使測向精度明顯提高又便于調(diào)校，還需要進(jìn)一步摸索。

如果需要根據(jù)測向結(jié)果增加結(jié)點(diǎn)，則需要制定出可以用準(zhǔn)確描述測向穩(wěn)定性和信號信噪比的篩選條件，以對測向結(jié)果進(jìn)行分析判斷，符合該條件的可以作為新的結(jié)點(diǎn)。但是如果條件過于嚴(yán)格，將難以選出可以用來校準(zhǔn)測向站的發(fā)射源，過于寬松，會引入新的誤差，降低校準(zhǔn)的效果。

此外，插值的計(jì)算方法有很多，包括拉格朗日插值法、分段線性插值法、分段拋物插值法等。拉格朗日插值法可以給出插值曲線的函數(shù)表達(dá)式，但在插值結(jié)點(diǎn)增多時(shí)，得到的插值曲線是高次的，而高次插值在應(yīng)用時(shí)，計(jì)算量比較大；線性分段插值法雖然計(jì)算量小，但用折線來代替曲線，較為粗糙；分段拋物插值法雖然使插值曲線降到了二次，計(jì)算量也較小，但在連接點(diǎn)處卻無法保證曲線的光滑性，為了保證連接點(diǎn)處曲線的光滑性，需要在各段插值的銜接處進(jìn)行樣條插值，這又需要有較大的計(jì)算量。那么，究竟采取哪種插值方法才能取得最佳效果，尚需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]《頻譜監(jiān)測手冊》周鴻順總編譯 人民郵電出版社 2006年2月第一版

[2]《算法語言·計(jì)算方法》華中工學(xué)院數(shù)學(xué)教研室、軟件教研室編高等教育出版社