袁瑞敏 馮 濤 楊志強(qiáng)

（1.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 綿陽 621000）（2.四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 綿陽 621000）

1 引言

隨著ADS-B技術(shù)在國內(nèi)外軍民航領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，ADS-B易受干擾和欺騙對航空安全帶來的風(fēng)險(xiǎn)容易增加。國內(nèi)外針對ADS-B技術(shù)體制進(jìn)行了分析，開展了分析和研究。因此，針對ADS-B的各種欺騙手段，對機(jī)載ADS-B主動(dòng)測向尤為重要。

干涉儀測向的實(shí)質(zhì)是利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。干涉儀測向技術(shù)自出現(xiàn)以來，因其測向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、觀測頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)在電磁環(huán)境監(jiān)測、電子對抗、雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 相關(guān)干涉儀測向原理

相關(guān)干涉儀基本原理是將實(shí)測信號的相位差矢量與之前建立的樣本庫的相位差矢量依次做相關(guān)，以得到最大相關(guān)系數(shù)的相位差矢量對應(yīng)的方位角和俯仰角作實(shí)測來波信號的方位角和俯仰角。

圖1 均勻圓陣幾何結(jié)構(gòu)

如圖2所示為M個(gè)天線陣元的均勻圓陣列的幾何結(jié)構(gòu)，R為圓形陣列的半徑。頻率為fc的遠(yuǎn)場窄帶信號到達(dá)天線陣列的俯仰角、方位角分別為θ和φ。以原點(diǎn)作為參考點(diǎn)，陣元m接收到的來波信號的時(shí)間滯后于信號到達(dá)參考點(diǎn)的時(shí)間，則陣元的接收信號可表示為

其中nm(t)為陣元m接收到的高斯白噪聲，且E(nm(t))=0，D(nm(t))=σ2。陣元m的時(shí)延可以表示為

相應(yīng)的相移為

則第m陣元和第n陣元的相位差φmn為

由和差化積公式上式化為

以上為相位差矢量與入射角度的關(guān)系，在建立樣本庫時(shí)，將方位角和俯仰角按上式依次遞增，得到樣本相位差矢量庫。而來波信號方位角俯仰角未知，得到其相位差矢量主要有用時(shí)域相關(guān)法。

3 ADS-B相關(guān)干涉儀測向仿真分析

3.1 天線孔徑對測向的影響

表1 實(shí)驗(yàn)條件

增大天線孔徑可得到更高測向精度其優(yōu)勢在于以下兩點(diǎn)：相關(guān)算法的樣本中已經(jīng)將樣本中公差和安裝平臺(tái)的失真包含在內(nèi)；天線孔徑可以做得很大，兩個(gè)天線元之間的電壓測量誤差相對測量讀數(shù)變小。大孔徑天線還可提高測向靈敏度。

本次仿真條件見表1，仿真主要針對天線孔徑大小對測向精度的影響。

在表1的條件下，仿真出了不同天線孔徑和測向均方誤差的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示（天線陣元數(shù)量為7）。

圖2 7元陣不同半徑下的測向均方誤差（R=0.4m～0.6m）

通過圖3分析，7元陣列的最佳半徑為R=0.495m（此時(shí)測向精度為0.6°）。

3.2 天線數(shù)量對測向的影響

比較在不同信噪比下，測向均方誤差與天線陣元數(shù)量的關(guān)系。分別選擇5元陣列，7元陣列和9元陣列，比較在不同信噪比下，測向均方誤差。本次仿真條件見表2，仿真主要針對天線陣元數(shù)量對測向精度的影響。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

圖3 不同信噪比下的測向均方誤差（陣元為5）

圖4 不同信噪比下的測向均方誤差（陣元為7）

圖5 不同信噪比下的測向均方誤差（陣元為9）

在固定頻率和天線直徑的情況下，即天線孔徑不變的情況下，增加天線陣元數(shù)量，在天線陣元為5增到7時(shí)，測向精度有由改善。在天線陣元為7增到9時(shí)，測向精度改善不大，因此本次設(shè)計(jì)采用7元陣列。

圖6 7元天線陣元數(shù)和天線孔徑的關(guān)系

4 ADS-B相關(guān)干涉儀測向方案

根據(jù)仿真分析，可以得出天線最佳陣元數(shù)為7，最佳陣元半徑為0.495，因此設(shè)計(jì)天線陣列如圖6所示。

差矢量與存在ROM中的樣本庫依次進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得出信號的方位角和俯仰角。

5 結(jié)語

通過相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)，從工程實(shí)際出發(fā)，根據(jù)仿真結(jié)果，提出了一種基于7元陣列的圓陣測向天線陣設(shè)計(jì)，并仿真了圓陣的最佳半徑以達(dá)到最佳的測向精度，并仿真了在最佳半徑的情況下的信噪比對測向精度的影響，能較好地解決機(jī)載ADS-B測向在實(shí)際環(huán)境中的高精度測向問題。