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1仿真技術與工程建設實施的首次全方位融合

傳統測向站建設大致包括：天線選型、場地平整、天線架設、基礎建設、設備調試、系統測試等六個步驟，其中前四個環節的建設會對測向精度產生影響，后兩個環節主要用于建設后期系統指標的優化和驗證。根據測向場區周邊環境實際情況，我臺聯合設計單位對場地的實際情況進行了測向精度仿真，為場地建設和天線孔徑的設計提供了可靠的理論依據，保證了測向系統的性能指標。本文采用一種新型的短波大基礎測向天線陣寬帶一體化仿真技術[4]，在測向陣地真實環境下，實現測向天線陣、真實地面、障礙物、測向算法等寬頻帶、一體化高精度建模仿真，并最終提供全頻段、全方位測向精度等關鍵性測向指標評估，為測向陣地規劃與建設提供最直觀的參考數據和有效的技術支撐。仿真實驗主要分析了天線陣元分布、地面傾斜、存在圍墻、存在地上中心機房等情況下測向精度的影響。

1.1應用仿真技術指導天線陣選型空間譜測向技術通過天線的幾何布陣獲得來波信號到達每個陣元的不同幅度/相位值，再根據空間譜算法計算來波方向。空間譜測向系統可以使用任意形狀的天線陣列，只需考慮陣列的幾何結構及陣元特性就可以了，這是空間譜估計測向技術相對于其它測向技術的優勢所在[5]。我臺測向站場區為菱形，占地30畝。建設之初，為最大利用現有測向陣地，提高空間譜估計測向系統的測向性能，項目組在場地平整、天線架設、基礎建設等均為理想條件時，針對采用不同類型天線陣的測向系統進行了性能評估，主要選取了目前常用的20元單層非均勻圓陣和9元雙層非均勻圓陣兩種天線陣，進行仿真評估。仿真結果如表1所示。仿真結果表明，采用20元非均勻圓陣的測向系統精度可達0.5901°，而采用雙層9元非均勻圓陣的測向系統精度為0.9386°。同時，在工程中應用分層測向天線陣的目的主要是解決短波高頻段測向模糊的問題，而20元非均勻圓陣由于天線元數的增加，也可避免短波高頻段測向的模糊。根據仿真結果分析，以及技術風險、工程應用成熟度等情況綜合考慮，系統建設時選擇單層20元非均勻圓陣(100m)，天線單元采用短波單極子分節負荷天線（非平衡輸出），天線陣孔徑100m。并且天線采用垂直斜面架設，地網沿斜面鋪設，可以減少信號相位誤差，提高測向精度。天線陣示意圖如圖2所示。

1.2仿真分析傾斜場地對測向精度的影響我臺原始場地高差達4.5m，平整后場地不共面高差小于30cm，坡度小于1.7°，斜面沿西南向東北方向傾斜。針對場地平整環節，項目組對天線場地傾斜面的上述數據進行了精度仿真。仿真數據如表2所示。數據柱狀圖如圖3所示。仿真結果表明：在排除場地周圍自然環境因素影響的情況下，實際天線陣地因斜面坡度引入的額外測向精度均方根誤差為0.16°。

1.3探索國標電磁環境要求限制下圍墻對測向精度的影響出于實際安全的需要，測向站建設往往要考慮圍墻的修建。針對天線陣地四周建設高2m、厚0.5m的圓形混凝土圍墻(磚結構，內部沒有鋼筋)的情況，特意進行了圍墻與天線陣不同距離(d=10m、20m、50m)的仿真實驗。評估不同位置圍墻存在對測向陣地測向性能的影響程度，為測向天線陣及圍墻的建設提供可信的依據。圍墻示意圖如圖4所示。仿真數據表明：間距10m圍墻對測向系統額外引入的測向精度誤差為0.082°，間距20m圍墻存在時額外誤差為0.059°，間距50m圍墻存在時額外誤差為0.057°。由此可見，圍墻存在對測向性能影響較小，而且隨著圍墻與天線陣距離的增加，圍墻引起的測向精度影響逐漸減小。在系統性能允許的前提下，測向場區一定距離范圍內修建圍墻在實際工程中可以考慮。

1.4仿真分析地上機房對測向精度的影響為避免前端機房對接收信號的遮擋，影響測向精度，通常采用地下（或半地下）建筑的設計方案，但該方案易受暴雨洪澇災害的影響。無線電測向理論要求前端機房高度不得超過其到天線系統距離的二十分之一，寬度不得超過上述距離的十分之一。我臺天線陣直徑100m，對應機房高度為2.5m，結合設備安裝及操作維護空間的考慮，前端機房設計3m高（3m×3m×3m），其尺寸相對于10m天線有效高度及100m孔徑而言較小。為了評估中心機房對測向天線陣測向性能的影響程度，特對中心地上機房進行了仿真，為測向陣中心機房的建設提供可靠的依據。測向天線陣與地上中心機房分布示意圖如圖5所示。仿真結果表明，建設中心機房對部分高頻信號產生的測向誤差小于0.5°，繞射能力強的低頻信號測向精度不受影響。地上機房測向方位角誤差曲線如圖6所示。我臺測向站首次采用仿真技術對圍墻及地上建筑對測向精度的影響進行了定量分析，首次探索了國標電磁環境要求限制的具體影響。仿真結果表明，我臺復雜場地條件、圍墻及地上建筑對測向精度均有影響，但以傾斜場地為主。因此，在保證測向系統性能的前提下，可綜合考慮技術指標、場地地形、安全需要、經濟成本等各種因素以確定最優建設方案，為今后同類測向站建設提供了新的思路。

2傾斜場地下MUSIC算法優化

傳統MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法，利用信號子空間和噪聲子空間的正交特性構造空間方位譜，通過搜索譜峰值估計信號的方位角和仰角[6]。為了能夠準確估算信號的方位角，要求所有天線陣元在同一水平面上。然而，實際情況中不能完全保證所有陣元都位于同一斜面上，從而導致方位校正不夠精確。由前文可知，測向場地傾斜是引起測向額外誤差的主要因素，測向系統因斜面額外引入的測向精度均方根誤差為0.16°。針對這種情況，項目組對空間譜MUSIC算法進行了優化改進。根據MUSIC算法對天線陣列的形式并未做任何強制要求，對于各陣元不在同一水平面上也是適用的。假設傾斜陣地上，以圓陣中心為坐標原點建立直角坐標系,虛線的圓為位于X-Y軸所在的水平面內，如圖7所示。建立以天線陣圓心為參考點的坐標系，精確測量每個陣元的高差和方位，構建傾斜場地上天線陣完整的三維地理信息，根據該信息結合理想場地的方向矢量計算出不同方位角、仰角對應的校正因子曲線。通過該曲線獲得校正后的方向矢量，估算出水平場地下的來波信號方位角及仰角，進而校正傾斜測向場地帶來的測向誤差，降低天線陣元不共面對測向精度的影響。校正因子曲線如圖9所示。仿真結果表明，算法優化后理論上可完全消除上述因斜面額外引入的0.16°測向誤差。

3系統測試

項目組結合實際場地及地形，從距離、高度落差及遮擋情況三個方面，對測向系統進行長期、全面、系統的測試，評估山丘及溝壑對測向精度的影響，驗證復雜地理環境的測向系統性能。測試采用地波、天波相結合的方式。地波測試主要考察測試點距離的遠近、阻擋情況及高度差對測向精度的影響；天波測試主要考察實際短波廣播信號的測向精度。測試結果如下：1.地波測試：選取不同地貌的9個近場點和9個遠場點進行測試，地波信號測向精度均方根誤差為0.67°~0.74°，符合測向系統設計指標(RMS＜1.0°)。2.天波測試：通過對天波信號的測試，得到中央臺信號測向均方根誤差為1.18°、國際臺信號測向均方根誤差為0.74°，滿足系統設計指標要求(RMS＜1.5°)。測試結果表明：我臺測向站達到了系統預期的各項性能指標，實現了復雜地理環境下短波測向站的首次建設。

4結論

我臺測向站是廣電系統首個在復雜山區場地條件下建設的空間譜估計測向系統。通過采用環型結合輻射型的接地設計，通過精確測量場地環境參數，結合天線物理參數、場區圍墻及山體仰角等參數建模，反復優化空間譜估計測向算法，經過多次仿真和平整，最終突破了氣候環境、地勢高差、接地地阻、測向場區圍墻、遠處山體仰角等復雜地理環境的限制，在不犧牲測向指標的前提下完了建設。

作者：程征 王志雄 王燕 單位：國家廣播電影電視總局 291 臺