提高短波定位準(zhǔn)確度的方法

江建興，葉曉明，王心塵

（國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心福建監(jiān)測(cè)站，福建 廈門(mén) 361001）

1 短波測(cè)向定位

短波測(cè)向目的是為了測(cè)定短波信號(hào)的來(lái)波方位，短波交會(huì)定位則是利用兩個(gè)或多個(gè)測(cè)向站的測(cè)向結(jié)果（示向線(xiàn)）進(jìn)行地圖交會(huì)從而得到短波信號(hào)源的位置。短波測(cè)向定位能為國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)在國(guó)際干擾排查、申訴等工作上提供有力支撐。當(dāng)前，我國(guó)短波干擾源的測(cè)向定位工作主要由國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)完成，即通過(guò)分布在全國(guó)九個(gè)地區(qū)的短波監(jiān)測(cè)站調(diào)用網(wǎng)內(nèi)兩個(gè)或多個(gè)測(cè)向站，利用各站示向度（線(xiàn)）進(jìn)行交會(huì)定位。然而在實(shí)際測(cè)向過(guò)程中，由于設(shè)備及人員操作導(dǎo)致的各種誤差不同程度上將影響最終交會(huì)定位結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此，如何提高定位準(zhǔn)確度，進(jìn)而高效完成干擾排查、申訴，是短波無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)工作者應(yīng)該思考的問(wèn)題。

2 誤差分析

單站測(cè)向誤差、多站交會(huì)誤差、人為觀(guān)測(cè)誤差都會(huì)造成定位誤差。

2.1 單站測(cè)向誤差

單站測(cè)向誤差主要包括傳播誤差、環(huán)境誤差和設(shè)備誤差[1]。

（1）傳播誤差是由于電離層的不規(guī)則性引起的。短波信號(hào)經(jīng)電離層反射時(shí)，電波傳播方向發(fā)生隨機(jī)偏差，產(chǎn)生時(shí)延效應(yīng)，造成信號(hào)幅度隨機(jī)衰落等現(xiàn)象。

（2）環(huán)境誤差主要是測(cè)向場(chǎng)地周邊物理環(huán)境造成的。當(dāng)信號(hào)到達(dá)測(cè)向站時(shí)，如果遇到高壓電線(xiàn)、橋梁、鐵塔等使信號(hào)偏離傳播路徑的散射體或反射體，就會(huì)出現(xiàn)測(cè)向誤差。雖然測(cè)向場(chǎng)地一般對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行了限定，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，大多數(shù)測(cè)向場(chǎng)地周邊的電磁環(huán)境均不同程度受到影響，如福建監(jiān)測(cè)站測(cè)向天線(xiàn)場(chǎng)建成投入使用后，周邊陸續(xù)建成了寧上高速公路、合福高速鐵路，與天線(xiàn)場(chǎng)地的距離均不滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，影響了測(cè)向精度[2]。

（3）設(shè)備誤差取決于設(shè)備的性能，設(shè)備出廠(chǎng)后就已經(jīng)存在，并且會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而惡化，但這個(gè)誤差可以在設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)候給予補(bǔ)償。

2.2 人為觀(guān)測(cè)誤差

人為觀(guān)測(cè)誤差主要是主觀(guān)因素造成的。由于監(jiān)測(cè)人員的技術(shù)水平和設(shè)備操作的熟練程度不同，如在調(diào)整測(cè)量時(shí)間、判斷測(cè)向示向度質(zhì)量、合理選擇測(cè)向站進(jìn)行交會(huì)定位等方法上存在差異，因此得到的定位準(zhǔn)確度也不盡相同。本文所討論的提高定位準(zhǔn)確度的方法也主要是針對(duì)降低人為觀(guān)測(cè)誤差而進(jìn)行分析的。

2.3 多站交會(huì)誤差

國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)向定位軟件平臺(tái)中的聯(lián)合定位算法基于球面坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)各測(cè)向站的坐標(biāo)、統(tǒng)計(jì)示向度及方差、示向線(xiàn)交叉角及質(zhì)量（偏離90 情況）等信息計(jì)算最佳估值坐標(biāo)，得到概率橢圓。長(zhǎng)短軸越小，概率橢圓面積越小，則定位準(zhǔn)確度越高。

3 提高定位準(zhǔn)確度的方法

利用測(cè)向網(wǎng)對(duì)某信號(hào)源進(jìn)行交會(huì)定位時(shí)，測(cè)向站的選擇主要受以下三個(gè)因素影響，即測(cè)向站的測(cè)向精度、信號(hào)源與測(cè)向站之間的距離和示向線(xiàn)在目標(biāo)處的交角。以下是定性分析：

圖1 交會(huì)定位示意圖

如圖1所示，A、B是兩個(gè)測(cè)向站，C是目標(biāo)信號(hào)源。當(dāng)A、B兩站不存在測(cè)向誤差時(shí)，示向線(xiàn)在C處交會(huì)；當(dāng)A站測(cè)向誤差為θ時(shí)，交會(huì)點(diǎn)變成了C'，此時(shí)產(chǎn)生△ι=CC'的線(xiàn)性定位誤差。設(shè)A、B兩站示向線(xiàn)在C處交叉角為β，A、C之間的距離為d，根據(jù)正弦定理可知：

根據(jù)麥克勞倫公式，當(dāng)測(cè)向誤差θ較小時(shí)，sin（θ）≈θ，則

由此可知，測(cè)向站選擇后，其定位準(zhǔn)確度隨測(cè)向站測(cè)向精度的提高而提高，隨測(cè)向站與目標(biāo)距離的增加而降低；測(cè)向站之間的交叉角在90°附近時(shí)，定位準(zhǔn)確度較高，越偏離90°，準(zhǔn)確度越低。

短波實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，測(cè)向站與信號(hào)源之間的距離常常可達(dá)到上千千米，因此使用球面三角形法則獲得更加精確的定位[3]。聯(lián)合定位算法中，根據(jù)兩示向線(xiàn)的交叉角大小和示向線(xiàn)等級(jí)，賦予該交會(huì)點(diǎn)一組權(quán)值δj、δk和αj?k j，k=1，2Lm且j≠k，如表1和表2所示。其中δj、δk為示向線(xiàn)等級(jí)權(quán)值，由示向線(xiàn)方差值確定，αj?k（為交叉角權(quán)值。最終根據(jù)各交會(huì)點(diǎn)的權(quán)值對(duì)各交會(huì)點(diǎn)經(jīng)緯度做加權(quán)平均，計(jì)算得到最佳估值坐標(biāo)（λ，φ）：

表1 權(quán)值對(duì)應(yīng)表

表2 示向線(xiàn)等級(jí)與方差值關(guān)系表

根據(jù)表中的權(quán)重判定參數(shù)，結(jié)合公式（3）可知，兩示向線(xiàn)交叉角越偏離90°，示向線(xiàn)方差值越大，該交會(huì)點(diǎn)對(duì)估值坐標(biāo)的影響越小，說(shuō)明該交會(huì)點(diǎn)提供的信息越不可靠。因此，無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)人員在選擇測(cè)向站進(jìn)行交會(huì)定位時(shí)，應(yīng)該考慮到上述問(wèn)題。

如我們實(shí)際工作中，利用國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)日本茨城發(fā)射的（NHK WORLD RADIO JAPAN）短波廣播信號(hào)進(jìn)行交會(huì)定位時(shí)，首先考慮選擇哈爾濱站，因?yàn)闊o(wú)論從距離還是示向線(xiàn)的交會(huì)角，哈爾濱站都能達(dá)到最優(yōu)值，如表3和表4所示。

表3 國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)各測(cè)向站與日本東京的距離及示向度

表4 國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)向站之間對(duì)日本茨城的交會(huì)角（°）

在各測(cè)向站測(cè)向誤差相同的前提下，根據(jù)本文提出的方法，應(yīng)選擇哈爾濱站、上海站進(jìn)行交會(huì)定位。在實(shí)際工作中，有部分測(cè)向站可能距離信號(hào)源較遠(yuǎn)或者未處于臺(tái)站定向發(fā)射方向上，信號(hào)接收質(zhì)量較差導(dǎo)致測(cè)向誤差較大，此時(shí)相對(duì)雙站定位，多站定位并不能確保得到更加準(zhǔn)確的定位結(jié)果。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

我們利用國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)日本茨城發(fā)射的若干個(gè)廣播信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合測(cè)向定位，根據(jù)本文提出的方法，得到了兩組定位數(shù)據(jù)：一組是利用哈爾濱站和上海站進(jìn)行多次雙站定位得到的；另一組則不選擇哈爾濱站和上海站，用接收質(zhì)量較好的三個(gè)測(cè)向站進(jìn)行三站定位得到的。將兩組定位數(shù)據(jù)描繪在地圖上，如圖2、圖3所示，其中一個(gè)紅色點(diǎn)代表單次交會(huì)定位結(jié)果。從圖中明顯可以看出，利用哈爾濱站和上海站進(jìn)行雙站定位的結(jié)果比較集中且均在日本茨城縣附近，而另一組的定位結(jié)果比較分散且大部分均在距離實(shí)際發(fā)射臺(tái)較遠(yuǎn)的海上。

根據(jù)NHK WORLD RADIO實(shí)際發(fā)射臺(tái)經(jīng)緯度，我們計(jì)算得到兩組數(shù)據(jù)的均方根誤差分別為63.034 km和382.238 km。這一結(jié)果可說(shuō)明，選擇哈爾濱站和上海站作為最優(yōu)測(cè)向站，可以提高國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)對(duì)日本茨城NHK廣播信號(hào)的定位準(zhǔn)確度。

圖2 哈爾濱和上海站對(duì)日本NHK廣播雙站定位結(jié)果

圖3 未選擇哈爾濱和上海站時(shí)對(duì)日本NHK廣播的定位結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先通過(guò)對(duì)造成定位誤差的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)其中的人為觀(guān)測(cè)誤差提出了通過(guò)優(yōu)化選擇測(cè)向站提高定位準(zhǔn)確度的方法，最后通過(guò)國(guó)家短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)的實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該方法的可行性。