作者： zhao xudong

测向背景

在无线电测向操作中，目标是确定某个射频（RF）发射源的精确位置。该发射源可能是非法或干扰性的发射器，也可能是狐狸猎捕比赛中的信标、资产/宠物/野生动物跟踪信标、搜救信标，或只是一个不明的可疑信号。

要通过三边测量法定位发射源，需要使用无线电测向设备从多个位置测定指向发射源的方位角。然后将这些方位角绘制在地图上，它们的交汇点即为对发射源位置的估计。

然而，无线电测向的方位角通常会存在几度的误差，并且由于“多径效应”（multipath）的存在，测向结果往往会受到较大影响，导致精度下降。

测向方法

1. 基于定向天线的方法：
这些方法使用如八木天线（Yagi）等定向天线，由用户手动旋转天线，寻找信号功率最强的方向，并记录该方向。然后在其他位置重复这一过程，直到能够通过三角测量定位发射器的位置。

一些更自动化的方法可能会使用环形排列的多个定向天线阵列来实现。

2. 拟多普勒（Pseudo-Doppler）方法：
拟多普勒方法使用固定的天线阵列，阵列中的每个天线单元会以极短时间轮流依次激活，这模拟了一个天线以极高速度在水平面上旋转的效果。当天线“旋转”朝向信号源时，接收到的频率会升高；当“旋转”背离信号源时，频率则会降低。通过分析这些频率变化，可以确定信号的方向。LoJack 系统（用于警方追踪被盗车辆）就使用了这种较早期的拟多普勒测向技术。

业余无线电领域中有多种拟多普勒设备，如使用普通扫描接收机的 RDF42 和 DDF2020T。开源项目 Opera Cake 也为 HackRF 提供了拟多普勒实现。

3. 到达时间差（TDoA, Time Difference of Arrival）：
TDoA 方法需要多个时间同步的无线电设备分布在一定距离范围内。每个设备记录接收到信号的时间差，然后利用这些时间差计算接收器之间的双曲线轨迹，进而定位信号源。这种方法是 KiwiSDR 所采用的。

4. 相关干涉测向（Correlative Interferometry）：
该方法通过提取天线阵列中接收到信号之间的相位差来判断方向。KrakenSDR 就是采用这一测向方法的典型代表。

多径效应（Multipath）

多径效应是指目标信号在传播过程中被地形、建筑物或车辆等物体反射或折射，导致无线电测向系统将反射信号误认为是原始信号源。这种情况会使测得的方位角偏离实际方向，甚至可能产生完全错误的读数。最严重的情况是，当接收天线阵列无法与信号源形成视距（Line-of-Sight, LOS）路径时，系统只能接收到反射信号。

一个类比的例子是：你可能在室内看到墙面上的阳光。如果你看不到太阳本身，又不了解光的传播原理，可能会误以为光源是墙壁、镜子或者窗户，而不是太阳。

因此，如果我们在一个多径效应显著的位置（通常是由于缺乏视距路径）进行单点测向，就可能对信号来源方向做出错误判断。为了获得更准确的位置，我们需要在多个地点进行多次测向，借此平均掉那些由于多径效应而产生的偏差读数。

实现这一目标的方式包括：

• 在多个地点部署测向站点，每个站点配备 KrakenSDR 和天线阵列；
• 或者使用单个 KrakenSDR 搭载于车辆中移动，并在多个位置进行测量采样。

此外，使用更大的天线阵列（前提是阵列元间距仍小于半波长）也有助于减轻多径效应的影响。较小的阵列分辨率较低，容易将多径信号混入主瓣，从而导致测向结果偏差；而较大的阵列具有更高的分辨率，多径信号更可能以独立、且较弱的旁瓣形式出现，从而更容易识别和忽略。

移动车载测向理论

许多简单的无线电测向系统需要用户驾驶车辆前往不同地点，手动进行测向并将方位角绘制在地图上。

在 KrakenSDR 系统中，我们利用了现代智能手机的技术，如地图服务、GPS 和指南针传感器。随着车辆移动，系统会自动记录 KrakenSDR 生成的方位角，并结合智能手机传感器提供的当前位置和朝向信息，采集数百次测向读数。随着时间积累，系统会通过计算这些方位角的平均交点，逐步定位发射源的位置。我们使用 MapBox 地图服务将这些数据可视化显示在地图上，方便用户理解，并且还内置了逐步导航功能，帮助用户无需查看地图也能直接前往信号源位置。

高级功能： KrakenSDR 应用实际上使用了一种比简单方位交点计算更智能的方法。它利用了相关干涉测向算法提供的完整 360 度方向数据，这其中也包含了多径信号的方向信息。应用将这些 360 度方向数据叠加在一个网格上，并按一定权重激活对应的网格单元。随着采样次数增加，激活次数最多的网格单元就被判定为包含发射源的位置。

相关文章

KRAKENSDR产品介绍

什么是 KrakenSDR?

KrakenSDR测向背景理论

KrakenSDR 天线阵列设置

简介

KrakenSDR 是一款支持相干接收的软件定义无线电（SDR）。

相干性使其能够应用于许多非常有趣的场景，例如无线电测向和波束赋形。

一些典型的应用场景包括：

• 物理定位未知的感兴趣发射源（例如：非法或干扰性广播、噪声信号，或出于好奇进行的信号探测）
• 业余无线电实验，如无线电猎狐赛（Fox Hunt）或中继台滥用行为的监测
• 在无网络覆盖区域对资产、野生动物或家养动物进行追踪，可通过低功耗信标实现
• 搜救队伍定位紧急信标信号
• 通过甚高频（VHF）无线电定位失联船只
• 波束赋形（Beamforming）
• 用于射电天文学的干涉测量（Interferometry）

无线电测向（Radio Direction Finding）

KrakenSDR 最常见的应用就是无线电测向（RDF）。无线电测向（RDF）是指通过某种技术手段，确定一个射频（RF）发射源的大致方向。

最简单的方法是使用一个定向天线，该天线只能接收来自其指向方向的信号。你可以手动旋转天线，扫过 360 度，并记录哪个方向接收到的信号最强。接着在不同地点重复这个过程，绘制多个方位角线，找出它们交汇的位置以估算发射源的具体位置。
但这种“简单”方法需要专门的调谐定向天线，并且操作过程手动进行，容易出错。

除了这种方法，还有一些其他测向技术，比如伪多普勒（pseudo-Doppler）和Watson-Watt等。然而，KrakenSDR 是一款相干 SDR，因此可以采用一种更先进的技术：相关干涉测量（correlative interferometry）。

这种技术利用按特定已知几何排列的天线阵列中的相位信息，并通过类似 MUSIC 这样的算法，计算出射频发射源的方位角。

通过在多个位置获取测向数据，可以进一步实现三点定位（triangulation），从而精确确定发射源的位置。

KrakenSDR 如何实现相干接收？

KrakenSDR 由五个定制的 RTL-SDR 电路组成，每个电路使用 R820T2 射频芯片和 RTL2832U 解调芯片。
RTL-SDR 是一种广为人知且低成本的软件定义无线电（SDR），但仅仅将五个 RTL-SDR 接收器连到同一台电脑上，并不能实现“相位相干”，因为每个接收器接收到的信号相位会略有不同。这种偏移导致无法准确测量不同天线接收到信号之间的相位关系。

为了实现相干接收，KrakenSDR 使用单一的时钟源为所有五个 RTL-SDR 通道供时，并且内置了校准硬件，可用于精确测量通道之间的相位关系，并通过软件进行校正。

此外，KrakenSDR 的整体硬件设计也专注于确保相位稳定性，包括以下方面的精心设计：

• 热管理（Heat management）
• 驱动配置（Driver configuration）
• 电源供应（Power supply）
• 外部干扰抑制（Mitigation of external interference）

开始进行无线电测向，你需要准备以下设备：

• KrakenSDR 本体
• USB Type-C 数据线
• 5V / 2.4A 及以上的 USB Type-C 电源适配器
• 一个五单元的天线阵列（例如我们的 Krakentenna 磁吸鞭状天线套装）
• 一台可运行 KrakenSDR 软件的便携式计算设备
• （可选）一台用于地图测向的 Android 设备

在计算设备方面，我们推荐使用 Raspberry Pi 4，我们提供了预配置的 SD 卡镜像，用户只需烧录即可使用。

如果要进行方向测量，建议额外准备一部具备以下功能的 Android 手机或平板：

• 移动热点功能
• GPS
• 电子指南针
• 最好是近三四年内生产的设备，以确保性能和兼容性。

硬件规格

• 五通道相干能力 RTL-SDR，所有通道均由同一个本振（LO）时钟驱动
• 内置自动相干同步硬件
• 调谐范围：24 MHz 至 1766 MHz（为标准 R820T2 RTL-SDR 范围，通过破解驱动可能支持更高频率）
• USB-C 接口用于数据传输与供电
• SMA 母头射频输入端口
• 每个 SMA 端口提供 4.5V 偏置电源（bias tee）
• 坚固的铝制外壳，内置散热器和风扇，以确保温度与相位稳定性

组件说明

1. SMA 天线输入
2. 偏置电源（Bias Tee）
3. 静电放电保护（ESD Protection）
4. 噪声校准开关（Noise Calibration Switches）
5. R820T2 调谐器
6. RTL2832U 模数转换器（ADC）
7. 噪声源（Noise Source）
8. USB 集线器（USB Hub）
9. 独立调谐器开/关拨码开关（Individual Tuner On/Off DIP Switches）
10. USB Type-C 数据接口（USB Type-C DATA）
11. USB Type-C 电源接口（USB Type-C PWR）

软件说明

1、开源核心数据采集（Data Acquisition, DAQ）与数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）软件
我们提供用于五个天线通道射频数据采集的开源 DAQ 软件源码。该软件可实现自动校准，并通过开关（switches）和噪声源（noise source）实现相位相干（phase coherence），随后生成相干采样供下一处理层使用。该 DAQ 代码通常运行在 Raspberry Pi 4 或类似的单板计算机（Single Board Computer, SBC）上，也可以运行在普通 PC 上。
此外，我们还提供可与 DAQ 软件接口的 GNU Radio 模块（GNU Radio block）。

2、用于特定应用场景的 DSP 代码（DSP code for specific use cases）
我们的开源 DSP 代码支持方向测量（Direction Finding）。该代码实现了如 MUSIC 等方向测量算法（direction-finding algorithms），也可在与 DAQ 相同的 Raspberry Pi 4 或 PC 上运行。

3、应用层（Application Layer）
应用层程序利用来自 DSP 层的数据进行绘图（plotting）和记录（logging）。通常，这些程序运行在另一台独立的计算设备上。

4、移动端方向测量（Mobile Direction Finding）
我们提供一个免费的 Android 应用授权，用于地图显示（mapping）、数据记录（logging data）以及自动估算发射源位置（transmitter location）。

5、分布式固定站点和移动站点（Distributed Fixed and Mobile Sites）支持
我们提供一个基于云的地图解决方案（cloud-based mapping solution），目前处于 alpha 测试阶段，网址为 map.krakenrf.com。

UI显示

一共有两个，KrakenSDR Android App和KrakenSDR Web Interface

KrakenSDR Android App

除了网页界面，我们还开发了一款配套的无线电测向 Android 应用程序（radio-direction finding Android app），可以自动确定发射源的位置。由于普通的 Android 手机通常配备了所需的传感器和功能，例如 GPS、电子指南针（compass）、移动数据（mobile data） 和 地图功能（mapping），我们充分利用这些特性，打造了一套高性价比的无线电测向系统。

一个典型的使用场景是：将天线阵列安装在汽车车顶，车内放置 KrakenSDR、Raspberry Pi 4 和一部 Android 手机。
当车辆行驶时，KrakenSDR 软件会持续输出相对于天线阵列的方位角（bearing）。Android 应用通过 Wi-Fi 接收这些方位数据，并结合手机的 GPS 传感器获取的移动方向信息，自动修正后即可计算出该位置上指向发射源的准确地图方位角。

应用程序会将这些数据记录并绘制在地图网格上（log and plot），从而实现多个测向线的自动交汇定位。
通常只需几分钟的行驶时间，就可以精确定位一个持续发射强信号的发射源。

更进一步，这款应用还能提供自动导航（turn-by-turn navigation），在驾驶过程中无需分心查看地图，就能直接引导你前往发射源的位置！

这些强大功能在过去只出现在价格高昂的高端测向系统中，而大多数用户往往难以承受这样的成本。现在，KrakenSDR 让这一切变得可负担且可实现。

KrakenSDR Web Interface

我们的 KrakenSDR 核心软件配备了一个易于使用的网页界面，用于搭建无线电测向系统。

通过该界面，用户可以设置频率、增益以及与数据采集（DAQ）代码相关的其他高级参数。同时，还可以实时查看频谱图以及方向测量算法输出的图形数据。

树莓派主控使用说明

相关文章

KRAKENSDR产品介绍

什么是 KrakenSDR?

KrakenSDR测向背景理论

KrakenSDR 天线阵列设置