复杂地理环境下无线电测向站建设范文

1仿真技术与工程建设实施的首次全方位融合

传统测向站建设大致包括：天线选型、场地平整、天线架设、基础建设、设备调试、系统测试等六个步骤，其中前四个环节的建设会对测向精度产生影响，后两个环节主要用于建设后期系统指标的优化和验证。根据测向场区周边环境实际情况，我台联合设计单位对场地的实际情况进行了测向精度仿真，为场地建设和天线孔径的设计提供了可靠的理论依据，保证了测向系统的性能指标。本文采用一种新型的短波大基础测向天线阵宽带一体化仿真技术[4]，在测向阵地真实环境下，实现测向天线阵、真实地面、障碍物、测向算法等宽频带、一体化高精度建模仿真，并最终提供全频段、全方位测向精度等关键性测向指标评估，为测向阵地规划与建设提供最直观的参考数据和有效的技术支撑。仿真实验主要分析了天线阵元分布、地面倾斜、存在围墙、存在地上中心机房等情况下测向精度的影响。

1.1应用仿真技术指导天线阵选型空间谱测向技术通过天线的几何布阵获得来波信号到达每个阵元的不同幅度/相位值，再根据空间谱算法计算来波方向。空间谱测向系统可以使用任意形状的天线阵列，只需考虑阵列的几何结构及阵元特性就可以了，这是空间谱估计测向技术相对于其它测向技术的优势所在[5]。我台测向站场区为菱形，占地30亩。建设之初，为最大利用现有测向阵地，提高空间谱估计测向系统的测向性能，项目组在场地平整、天线架设、基础建设等均为理想条件时，针对采用不同类型天线阵的测向系统进行了性能评估，主要选取了目前常用的20元单层非均匀圆阵和9元双层非均匀圆阵两种天线阵，进行仿真评估。仿真结果如表1所示。仿真结果表明，采用20元非均匀圆阵的测向系统精度可达0.5901°，而采用双层9元非均匀圆阵的测向系统精度为0.9386°。同时，在工程中应用分层测向天线阵的目的主要是解决短波高频段测向模糊的问题，而20元非均匀圆阵由于天线元数的增加，也可避免短波高频段测向的模糊。根据仿真结果分析，以及技术风险、工程应用成熟度等情况综合考虑，系统建设时选择单层20元非均匀圆阵(100m)，天线单元采用短波单极子分节负荷天线（非平衡输出），天线阵孔径100m。并且天线采用垂直斜面架设，地网沿斜面铺设，可以减少信号相位误差，提高测向精度。天线阵示意图如图2所示。

1.2仿真分析倾斜场地对测向精度的影响我台原始场地高差达4.5m，平整后场地不共面高差小于30cm，坡度小于1.7°，斜面沿西南向东北方向倾斜。针对场地平整环节，项目组对天线场地倾斜面的上述数据进行了精度仿真。仿真数据如表2所示。数据柱状图如图3所示。仿真结果表明：在排除场地周围自然环境因素影响的情况下，实际天线阵地因斜面坡度引入的额外测向精度均方根误差为0.16°。

1.3探索国标电磁环境要求限制下围墙对测向精度的影响出于实际安全的需要，测向站建设往往要考虑围墙的修建。针对天线阵地四周建设高2m、厚0.5m的圆形混凝土围墙(砖结构，内部没有钢筋)的情况，特意进行了围墙与天线阵不同距离(d=10m、20m、50m)的仿真实验。评估不同位置围墙存在对测向阵地测向性能的影响程度，为测向天线阵及围墙的建设提供可信的依据。围墙示意图如图4所示。仿真数据表明：间距10m围墙对测向系统额外引入的测向精度误差为0.082°，间距20m围墙存在时额外误差为0.059°，间距50m围墙存在时额外误差为0.057°。由此可见，围墙存在对测向性能影响较小，而且随着围墙与天线阵距离的增加，围墙引起的测向精度影响逐渐减小。在系统性能允许的前提下，测向场区一定距离范围内修建围墙在实际工程中可以考虑。

1.4仿真分析地上机房对测向精度的影响为避免前端机房对接收信号的遮挡，影响测向精度，通常采用地下（或半地下）建筑的设计方案，但该方案易受暴雨洪涝灾害的影响。无线电测向理论要求前端机房高度不得超过其到天线系统距离的二十分之一，宽度不得超过上述距离的十分之一。我台天线阵直径100m，对应机房高度为2.5m，结合设备安装及操作维护空间的考虑，前端机房设计3m高（3m×3m×3m），其尺寸相对于10m天线有效高度及100m孔径而言较小。为了评估中心机房对测向天线阵测向性能的影响程度，特对中心地上机房进行了仿真，为测向阵中心机房的建设提供可靠的依据。测向天线阵与地上中心机房分布示意图如图5所示。仿真结果表明，建设中心机房对部分高频信号产生的测向误差小于0.5°，绕射能力强的低频信号测向精度不受影响。地上机房测向方位角误差曲线如图6所示。我台测向站首次采用仿真技术对围墙及地上建筑对测向精度的影响进行了定量分析，首次探索了国标电磁环境要求限制的具体影响。仿真结果表明，我台复杂场地条件、围墙及地上建筑对测向精度均有影响，但以倾斜场地为主。因此，在保证测向系统性能的前提下，可综合考虑技术指标、场地地形、安全需要、经济成本等各种因素以确定最优建设方案，为今后同类测向站建设提供了新的思路。

2倾斜场地下MUSIC算法优化

传统MUSIC算法是一种基于矩阵特征空间分解的方法，利用信号子空间和噪声子空间的正交特性构造空间方位谱，通过搜索谱峰值估计信号的方位角和仰角[6]。为了能够准确估算信号的方位角，要求所有天线阵元在同一水平面上。然而，实际情况中不能完全保证所有阵元都位于同一斜面上，从而导致方位校正不够精确。由前文可知，测向场地倾斜是引起测向额外误差的主要因素，测向系统因斜面额外引入的测向精度均方根误差为0.16°。针对这种情况，项目组对空间谱MUSIC算法进行了优化改进。根据MUSIC算法对天线阵列的形式并未做任何强制要求，对于各阵元不在同一水平面上也是适用的。假设倾斜阵地上，以圆阵中心为坐标原点建立直角坐标系,虚线的圆为位于X-Y轴所在的水平面内，如图7所示。建立以天线阵圆心为参考点的坐标系，精确测量每个阵元的高差和方位，构建倾斜场地上天线阵完整的三维地理信息，根据该信息结合理想场地的方向矢量计算出不同方位角、仰角对应的校正因子曲线。通过该曲线获得校正后的方向矢量，估算出水平场地下的来波信号方位角及仰角，进而校正倾斜测向场地带来的测向误差，降低天线阵元不共面对测向精度的影响。校正因子曲线如图9所示。仿真结果表明，算法优化后理论上可完全消除上述因斜面额外引入的0.16°测向误差。

3系统测试

项目组结合实际场地及地形，从距离、高度落差及遮挡情况三个方面，对测向系统进行长期、全面、系统的测试，评估山丘及沟壑对测向精度的影响，验证复杂地理环境的测向系统性能。测试采用地波、天波相结合的方式。地波测试主要考察测试点距离的远近、阻挡情况及高度差对测向精度的影响；天波测试主要考察实际短波广播信号的测向精度。测试结果如下：1.地波测试：选取不同地貌的9个近场点和9个远场点进行测试，地波信号测向精度均方根误差为0.67°~0.74°，符合测向系统设计指标(RMS＜1.0°)。2.天波测试：通过对天波信号的测试，得到中央台信号测向均方根误差为1.18°、国际台信号测向均方根误差为0.74°，满足系统设计指标要求(RMS＜1.5°)。测试结果表明：我台测向站达到了系统预期的各项性能指标，实现了复杂地理环境下短波测向站的首次建设。

4结论

我台测向站是广电系统首个在复杂山区场地条件下建设的空间谱估计测向系统。通过采用环型结合辐射型的接地设计，通过精确测量场地环境参数，结合天线物理参数、场区围墙及山体仰角等参数建模，反复优化空间谱估计测向算法，经过多次仿真和平整，最终突破了气候环境、地势高差、接地地阻、测向场区围墙、远处山体仰角等复杂地理环境的限制，在不牺牲测向指标的前提下完了建设。

作者：程征 王志雄 王燕 单位：国家广播电影电视总局 291 台