復(fù)雜地理環(huán)境下無(wú)線電測(cè)向站建設(shè)范文

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1仿真技術(shù)與工程建設(shè)實(shí)施的首次全方位融合

傳統(tǒng)測(cè)向站建設(shè)大致包括：天線選型、場(chǎng)地平整、天線架設(shè)、基礎(chǔ)建設(shè)、設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)測(cè)試等六個(gè)步驟，其中前四個(gè)環(huán)節(jié)的建設(shè)會(huì)對(duì)測(cè)向精度產(chǎn)生影響，后兩個(gè)環(huán)節(jié)主要用于建設(shè)后期系統(tǒng)指標(biāo)的優(yōu)化和驗(yàn)證。根據(jù)測(cè)向場(chǎng)區(qū)周邊環(huán)境實(shí)際情況，我臺(tái)聯(lián)合設(shè)計(jì)單位對(duì)場(chǎng)地的實(shí)際情況進(jìn)行了測(cè)向精度仿真，為場(chǎng)地建設(shè)和天線孔徑的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)，保證了測(cè)向系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本文采用一種新型的短波大基礎(chǔ)測(cè)向天線陣寬帶一體化仿真技術(shù)[4]，在測(cè)向陣地真實(shí)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)測(cè)向天線陣、真實(shí)地面、障礙物、測(cè)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(cè)向精度等關(guān)鍵性測(cè)向指標(biāo)評(píng)估，為測(cè)向陣地規(guī)劃與建設(shè)提供最直觀的參考數(shù)據(jù)和有效的技術(shù)支撐。仿真實(shí)驗(yàn)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(jī)房等情況下測(cè)向精度的影響。

1.1應(yīng)用仿真技術(shù)指導(dǎo)天線陣選型空間譜測(cè)向技術(shù)通過(guò)天線的幾何布陣獲得來(lái)波信號(hào)到達(dá)每個(gè)陣元的不同幅度/相位值，再根據(jù)空間譜算法計(jì)算來(lái)波方向。空間譜測(cè)向系統(tǒng)可以使用任意形狀的天線陣列，只需考慮陣列的幾何結(jié)構(gòu)及陣元特性就可以了，這是空間譜估計(jì)測(cè)向技術(shù)相對(duì)于其它測(cè)向技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在[5]。我臺(tái)測(cè)向站場(chǎng)區(qū)為菱形，占地30畝。建設(shè)之初，為最大利用現(xiàn)有測(cè)向陣地，提高空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向性能，項(xiàng)目組在場(chǎng)地平整、天線架設(shè)、基礎(chǔ)建設(shè)等均為理想條件時(shí)，針對(duì)采用不同類(lèi)型天線陣的測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)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(jìn)行仿真評(píng)估。仿真結(jié)果如表1所示。仿真結(jié)果表明，采用20元非均勻圓陣的測(cè)向系統(tǒng)精度可達(dá)0.5901°，而采用雙層9元非均勻圓陣的測(cè)向系統(tǒng)精度為0.9386°。同時(shí)，在工程中應(yīng)用分層測(cè)向天線陣的目的主要是解決短波高頻段測(cè)向模糊的問(wèn)題，而20元非均勻圓陣由于天線元數(shù)的增加，也可避免短波高頻段測(cè)向的模糊。根據(jù)仿真結(jié)果分析，以及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、工程應(yīng)用成熟度等情況綜合考慮，系統(tǒng)建設(shè)時(shí)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(jié)負(fù)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(shè)，地網(wǎng)沿斜面鋪設(shè)，可以減少信號(hào)相位誤差，提高測(cè)向精度。天線陣示意圖如圖2所示。

1.2仿真分析傾斜場(chǎng)地對(duì)測(cè)向精度的影響我臺(tái)原始場(chǎng)地高差達(dá)4.5m，平整后場(chǎng)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(duì)場(chǎng)地平整環(huán)節(jié)，項(xiàng)目組對(duì)天線場(chǎng)地傾斜面的上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度仿真。仿真數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)柱狀圖如圖3所示。仿真結(jié)果表明：在排除場(chǎng)地周?chē)匀画h(huán)境因素影響的情況下，實(shí)際天線陣地因斜面坡度引入的額外測(cè)向精度均方根誤差為0.16°。

1.3探索國(guó)標(biāo)電磁環(huán)境要求限制下圍墻對(duì)測(cè)向精度的影響出于實(shí)際安全的需要，測(cè)向站建設(shè)往往要考慮圍墻的修建。針對(duì)天線陣地四周建設(shè)高2m、厚0.5m的圓形混凝土圍墻(磚結(jié)構(gòu)，內(nèi)部沒(méi)有鋼筋)的情況，特意進(jìn)行了圍墻與天線陣不同距離(d=10m、20m、50m)的仿真實(shí)驗(yàn)。評(píng)估不同位置圍墻存在對(duì)測(cè)向陣地測(cè)向性能的影響程度，為測(cè)向天線陣及圍墻的建設(shè)提供可信的依據(jù)。圍墻示意圖如圖4所示。仿真數(shù)據(jù)表明：間距10m圍墻對(duì)測(cè)向系統(tǒng)額外引入的測(cè)向精度誤差為0.082°，間距20m圍墻存在時(shí)額外誤差為0.059°，間距50m圍墻存在時(shí)額外誤差為0.057°。由此可見(jiàn)，圍墻存在對(duì)測(cè)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(cè)向精度影響逐漸減小。在系統(tǒng)性能允許的前提下，測(cè)向場(chǎng)區(qū)一定距離范圍內(nèi)修建圍墻在實(shí)際工程中可以考慮。

1.4仿真分析地上機(jī)房對(duì)測(cè)向精度的影響為避免前端機(jī)房對(duì)接收信號(hào)的遮擋，影響測(cè)向精度，通常采用地下（或半地下）建筑的設(shè)計(jì)方案，但該方案易受暴雨洪澇災(zāi)害的影響。無(wú)線電測(cè)向理論要求前端機(jī)房高度不得超過(guò)其到天線系統(tǒng)距離的二十分之一，寬度不得超過(guò)上述距離的十分之一。我臺(tái)天線陣直徑100m，對(duì)應(yīng)機(jī)房高度為2.5m，結(jié)合設(shè)備安裝及操作維護(hù)空間的考慮，前端機(jī)房設(shè)計(jì)3m高（3m×3m×3m），其尺寸相對(duì)于10m天線有效高度及100m孔徑而言較小。為了評(píng)估中心機(jī)房對(duì)測(cè)向天線陣測(cè)向性能的影響程度，特對(duì)中心地上機(jī)房進(jìn)行了仿真，為測(cè)向陣中心機(jī)房的建設(shè)提供可靠的依據(jù)。測(cè)向天線陣與地上中心機(jī)房分布示意圖如圖5所示。仿真結(jié)果表明，建設(shè)中心機(jī)房對(duì)部分高頻信號(hào)產(chǎn)生的測(cè)向誤差小于0.5°，繞射能力強(qiáng)的低頻信號(hào)測(cè)向精度不受影響。地上機(jī)房測(cè)向方位角誤差曲線如圖6所示。我臺(tái)測(cè)向站首次采用仿真技術(shù)對(duì)圍墻及地上建筑對(duì)測(cè)向精度的影響進(jìn)行了定量分析，首次探索了國(guó)標(biāo)電磁環(huán)境要求限制的具體影響。仿真結(jié)果表明，我臺(tái)復(fù)雜場(chǎng)地條件、圍墻及地上建筑對(duì)測(cè)向精度均有影響，但以?xún)A斜場(chǎng)地為主。因此，在保證測(cè)向系統(tǒng)性能的前提下，可綜合考慮技術(shù)指標(biāo)、場(chǎng)地地形、安全需要、經(jīng)濟(jì)成本等各種因素以確定最優(yōu)建設(shè)方案，為今后同類(lèi)測(cè)向站建設(shè)提供了新的思路。

2傾斜場(chǎng)地下MUSIC算法優(yōu)化

傳統(tǒng)MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法，利用信號(hào)子空間和噪聲子空間的正交特性構(gòu)造空間方位譜，通過(guò)搜索譜峰值估計(jì)信號(hào)的方位角和仰角[6]。為了能夠準(zhǔn)確估算信號(hào)的方位角，要求所有天線陣元在同一水平面上。然而，實(shí)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(dǎo)致方位校正不夠精確。由前文可知，測(cè)向場(chǎng)地傾斜是引起測(cè)向額外誤差的主要因素，測(cè)向系統(tǒng)因斜面額外引入的測(cè)向精度均方根誤差為0.16°。針對(duì)這種情況，項(xiàng)目組對(duì)空間譜MUSIC算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。根據(jù)MUSIC算法對(duì)天線陣列的形式并未做任何強(qiáng)制要求，對(duì)于各陣元不在同一水平面上也是適用的。假設(shè)傾斜陣地上，以圓陣中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系,虛線的圓為位于X-Y軸所在的水平面內(nèi)，如圖7所示。建立以天線陣圓心為參考點(diǎn)的坐標(biāo)系，精確測(cè)量每個(gè)陣元的高差和方位，構(gòu)建傾斜場(chǎng)地上天線陣完整的三維地理信息，根據(jù)該信息結(jié)合理想場(chǎng)地的方向矢量計(jì)算出不同方位角、仰角對(duì)應(yīng)的校正因子曲線。通過(guò)該曲線獲得校正后的方向矢量，估算出水平場(chǎng)地下的來(lái)波信號(hào)方位角及仰角，進(jìn)而校正傾斜測(cè)向場(chǎng)地帶來(lái)的測(cè)向誤差，降低天線陣元不共面對(duì)測(cè)向精度的影響。校正因子曲線如圖9所示。仿真結(jié)果表明，算法優(yōu)化后理論上可完全消除上述因斜面額外引入的0.16°測(cè)向誤差。

3系統(tǒng)測(cè)試

項(xiàng)目組結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地及地形，從距離、高度落差及遮擋情況三個(gè)方面，對(duì)測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期、全面、系統(tǒng)的測(cè)試，評(píng)估山丘及溝壑對(duì)測(cè)向精度的影響，驗(yàn)證復(fù)雜地理環(huán)境的測(cè)向系統(tǒng)性能。測(cè)試采用地波、天波相結(jié)合的方式。地波測(cè)試主要考察測(cè)試點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近、阻擋情況及高度差對(duì)測(cè)向精度的影響；天波測(cè)試主要考察實(shí)際短波廣播信號(hào)的測(cè)向精度。測(cè)試結(jié)果如下：1.地波測(cè)試：選取不同地貌的9個(gè)近場(chǎng)點(diǎn)和9個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，地波信號(hào)測(cè)向精度均方根誤差為0.67°~0.74°，符合測(cè)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)(RMS＜1.0°)。2.天波測(cè)試：通過(guò)對(duì)天波信號(hào)的測(cè)試，得到中央臺(tái)信號(hào)測(cè)向均方根誤差為1.18°、國(guó)際臺(tái)信號(hào)測(cè)向均方根誤差為0.74°，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(RMS＜1.5°)。測(cè)試結(jié)果表明：我臺(tái)測(cè)向站達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)期的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地理環(huán)境下短波測(cè)向站的首次建設(shè)。

4結(jié)論

我臺(tái)測(cè)向站是廣電系統(tǒng)首個(gè)在復(fù)雜山區(qū)場(chǎng)地條件下建設(shè)的空間譜估計(jì)測(cè)向系統(tǒng)。通過(guò)采用環(huán)型結(jié)合輻射型的接地設(shè)計(jì)，通過(guò)精確測(cè)量場(chǎng)地環(huán)境參數(shù)，結(jié)合天線物理參數(shù)、場(chǎng)區(qū)圍墻及山體仰角等參數(shù)建模，反復(fù)優(yōu)化空間譜估計(jì)測(cè)向算法，經(jīng)過(guò)多次仿真和平整，最終突破了氣候環(huán)境、地勢(shì)高差、接地地阻、測(cè)向場(chǎng)區(qū)圍墻、遠(yuǎn)處山體仰角等復(fù)雜地理環(huán)境的限制，在不犧牲測(cè)向指標(biāo)的前提下完了建設(shè)。

作者：程征 王志雄 王燕 單位：國(guó)家廣播電影電視總局 291 臺(tái)