简单测向原理及测向设备的选择和安装架设.docx

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简单测向原理及测向设备的选择和安装架设

第十三章简单测向原理和测向设备的选择与安装及干扰查找

一、无线电测向的历史

无线电测向的历史已有近百年了，1908年德国制成了世界上第一台无线电测向仪（无线电罗盘），1926年出现了第一个地面无线信标，供航海、航空事业中的无线电导航用，在航行中的舰船和飞机利用其自身安装的测向机，通过对地面的已知无线电信标台进行测向，就可以确定其自身的空间位置。

最早无线电测向用于导航，后来在军事方面发挥了很重要的作用并得到了快速发展。

测向在我国已有50多年的历史（不算MF、LF航空导航和航海导航在我国的历史），开始时是用于军事HF测向，VHF/UHF测向在我国也有近40年的历史。

目前无线电测向在无线电管理中也在发挥着重要作用。

二、无线电测向技术基础

无线电测向技术是现代通信、导航、国防、无线电管理和科研等领域中的重要组成部分。

无线电测向，是依靠测量空间电磁波的无线电设备来完成的。

对被测的发射台的方向判断是否准确，除了要求无线电测向设备有良好的性能之外，还依靠人们对电磁波传播规律的认识，因此电磁波传播的情况，电磁波的各种极化及多径效应和接收特点都是我们在工作中遇到需分析的。

由于电波在传播途中，经过各种不同的障碍，如地面建筑、高山、森林、湖泊等（短波还有电离层反射）使电磁波产生反射、折射、绕射或二次辐射等现象，从而使电磁波产生畸变，它都会对测向误差产生一定的影响。

1．各波段电波传播特点

短波—主要靠地波、天波（受电离层影响）和反射波

超短波--直射波和反射波，特殊情况还有散射和折射

微波、卫星—都是直射波，频率高时受天气变化的影响较大（如雾、雨雪等，有些寻呼链路产生干扰）

各波段的电波传播特点：

超长波和长波：

3KHz——30KHz、30KHz——300KHz

长波传播特点，绕射能力强，大地（土壤）的吸收不显著（与传播的地面几乎无关），在陆地上可传2000—3000Km以上，在海面上更远。

中波：

300KHz——3MHz（波长1000m——100m）

中波传播有地波和天波，特点是白天靠地波，而晚上则既靠天波又靠地波（白天D层吸收，晚上D层消失，E层反射）有衰落现象。

中波除广播外多用于船舶、飞机的各种航标电波（导航）。

短波：

——30MHz

短波传播也是靠地波和天波。

地波传播的距离取决于频率和地面的电参数。

因为地面对短波的吸收较强，绕射能力较差，一般地波传播距离在几十公里。

天波传播主要是靠电离层反射，F层反射，E层损耗。

短波传播的一个最主要的特点是地波衰减快，天波的稳定性差。

短波传播的另一个特点是有寂静区（越距区）存在，既地波传不到，天波反射不到（一般在50～300Km之间）。

短波传播：

有衰落现象

短波传播：

有回波现象1000Km地球一周

F2层还会形成滑行波。

短波传播当反射仰角大于45°时形成高角波，测向时示向度摆动很大，取向困难，误差也很大。

100～350Km是测向的难点。

短波测向难度大，示向游动，模糊。

超短波：

30MHz——3GHz

由于频率很高，地波的衰减很大。

天波一般都穿透电离层不反射，因此超短波传播主要靠空间波。

在不考虑绕射和大气的影响时，直射传播的距离r可按下式计算。

r=（√h1＋√h2）km

h1h2分别为地面上的收发天线的高度。

超短波在实际传播中，大气层起着重要的作用，包括大气层的折射作用、吸收作用、散射作用等还有雨、雪、雾、风暴等因此传播状态也是复杂多变的。

另外，由于超短波的波长短，地面上山丘、高大建筑物产生回波反射，地面的各种物体，凹凸不平所产生的电波散射也是不可忽视的因素。

超短波传播电场强度的计算

E=√PDh1h2r2λ

P：

辐射功率（千瓦）D:

是天线的方向系数h1h2:

是两天线的高度r（km）:

是收发两天线的距离λ:

工作波长（m）

在超短波范围内调频广播和电视的发射极化是水平极化，目前使用的测向机大多为垂直极化的测向机，对水平极化的电波是测不准的。

早期无线电测向用旋转环状天线，使用这样简单的环状天线测量经电离层反射的高角波的示向度时，会产生误差，这种误差称为极化误差。

1918年发明了Adcock天线，极化误差得到了很大改善。

1930年以后，对Adcock天线进行了深入的研究。

在第二次世界大战中，测向发挥了很大的作用，也促使了人们对它的研究，逐步搞清了各种场地误差和设备误差产生的原因。

当测向机本身的误差被减小后，场地的不理想和电波干涉引起的就变得更加突出。

人们又研究出大基础测向天线阵。

2．测向中基本名词的定义和含义

测向：

为了确定某一目标相对于已知座标点的方向，就必须测量出该目标到已知座标点的连线与某一个参考方向线之间的夹角，我们将这测出该夹角的过程叫测向。

无线电测向：

就是利用无线电测量设备来确定要测的无线电发射源到已知座标点的连线与某一个参考方向线之间的夹角的过程。

用来实现无线电测向的测量设备就称之为无线电测向机。

单站无线电测向，以真北夹角给出被测电台的示向度。

示向度：

是指从观测点的地球子午线真北的方向，顺时针旋转到观测点到被测无线电发射源的连线方向之间的夹角。

（在无线电测向技术中，对所测目标测出的方向角通常以示向度这一术语来描述）示向度又称方位角。

示向度和真实方位角的概念是有区别的，简单地说：

真实方位角就是没有误差的示向度。

交叉定位：

一个单一的示向度可以指明被测无线电发射源的方向，但不能指出无线电发射源的位置。

为了确定一个无线电发射源的位置，就必须至少用两部测向机，在两个不同的地方测出两个以上的示向度，然后在同一张地图上作出各个示向度，用直线交叉法来测定无线电发射源的位置。

2个以上的测向站交叉定位都是以真北为夹角给出示向度。

短波示向线要考虑到地球的大圆弧。

短波测向交叉

定位区域

组网测向定位：

根据任务选中的各测向站，对测向指挥机（或监听中心）通过通信指挥网络（监测网）发出的测向指令进行同步测向。

然后各站将所测得示向度等参数再通过监测网络回传到指挥中心（或监听中心）在地图或电子地图上进行各示向线的交叉定位，经量判得出被测信号发射源所在的位置或区域。

命令测向：

是根据监听中心听到某一可疑或不明信号提出测向请示，监听中心直接向各参与测向的测向站发出提测指令，随测随交。

任务测向：

是根据指挥中心下达的测向任务，由指挥中心将提测的信号频率、参数特征、时间、次数等传给各测向站随时发现信号立即测向。

三、简单测向原理

接收机可以说是一种接点的艺术，不同的接点可以连成放大器或震荡器并组合成各种各样的接收机。

而测向则是一种对称及平衡的艺术，测向天线阵有园阵、直角阵、三角阵等但都是有一定的对称关系和平衡条件，多通道接收机也要求对称一致，天线阵周围的环境也是尽可能的平衡一致。

破坏了这些平衡或对称，就会出现误差或错误。

不同的测向设备与电波的极化有很大关系，电磁场的极化有三种：

直线极化、圆极化、椭圆极化。

直线极化：

直线极化分垂直极化和水平极化两种。

垂直极化是指电场矢量垂直于地面的极化，水平极化则是指电场矢量平行于地面的极化。

　圆极化：

圆极化指电场矢量只有恒定的幅度且以恒定的角速度围绕着传播方向旋转，在一射频周期内，电场矢量端点的轨迹是一个圆。

　椭圆极化：

椭圆极化的轨迹是一个椭圆，又分为右旋转椭圆极化和左旋转椭圆极化。

右旋转椭圆极化是指传播方向与电波传播方向成右手螺旋，左旋转椭圆极化是指传播方向与电波传播方向成左手螺旋。

我们目前所接触的测向机大都是测垂直极化波的。

无线电测向：

旋转方向性天线就可以简单地定向，收音机中的磁棒天线（双向）、电视接收的八木天线（单向）这些都是具有最简单的定向功能。

旋转环（或框式）天线锐角8字型方向图可定双向（电波的来波方向或反方向）。

8字型方向图和心型方向图

旋转环（或框式）天线锐角8字型方向图加中央天线变成心型方向图，相移90°利用心型方向性图就可定出单向（电波的来波方向）。

各种环形和框形天线

Adcock型天线的基本结构是有两根相同并且对称的天线间隔一定距离组成，其基本原理是利用天线体系在电磁场中的感应电动势（或相位）之差来确定辐射源方向。

Adcock型天线体系因天线振子的不同可分为U型天线和H型天线和U型天线，是由两根非对称垂直接地振子组成，因其外形象字母‘U’而得名。

一般在实际应用中常由五元、九元等非对称垂直接地振子，均匀分布或按一定规则分布在一个适当的圆周上，由馈线连成两付、四付U型天线再加上一中央天线组成测向天线阵。

U型天线需要良好的接地，镜面反射到地下一个U型天线，相当于增高了的H型天线。

短波常用此类天线。

H型天线，是由两根对称垂直偶极子组成，其外形象字母‘H’不需接地。

一般由四元、六元、八元对称偶极子组成，与U型天线相比再同样高度时比U型天线有效高度低。

超短波天线多用H型天线，以解决高楼接地难的问题。

Adcock型天线

Adcock型天线体系因天线振子的不同可分为U型天线和H型天线

Adcock型H天线

间隔双环天线，主要用于高交波测向。

干

涉

仪

测

向

天

线

多谱勒（Doppler）：

PA055当一天线沿直径为D的圆周旋转时，根据多谱勒效应，当天线运动方向与电波方向相向时频率升高，当天线运动方向与电波来波方向相同时频率降低，天线运动方向与电波来波方向成法线方向时不产生多谱勒频移。

电波的传播方向与参考方向的夹角θ，多谱勒频移Δf=πD/λ，Sin（ωtθ）当ωtθ=0、π…时，与Δf=0时刻的天线位置的连线所指方向即为电波的来波方向。

ω=2πfR时天线旋转的角频率D为直径

干涉仪：

05M是通过测量天线各端口信号的相位差实现的。

旋转H天线：

手动2025

旋转对数周期和差天线阵：

C016C019

旋转开关对数周期天线阵：

57所新兴

时间分割6401

时间分割单信道测向机方框图

四、测向机的分类

按工作频段中波短波超短波

按工作方式固定（半固定）移动（半移动）便携式

按天线基础小基础（λ<<1）中基础（1<λ<3）

大基础（λ>5）

按天线阵形式圆阵三角阵直角阵

按测量方式比幅法比相法比幅比相法

按取样方式听觉视觉（极坐标直方图）数字

按测向体制比幅时间分割瓦森瓦特多谱勒干涉仪等

按天线类型环天线间隔环阿德考克（HU）对数周期等

按接收机分单信道双信道多信道

测向机分类示意图

五、测向机的主要技术指标

鉴别测向机的质量的优劣是通过测向机的技术指标来实现的。

虽然各种用途的测向机对其技术指标的要求不尽相同，但是一般来说，都是有以下几个主要技术指标。

1、准确度

测向机的准确度又称测向精度，它是用来衡量测向机测出的示向度与被测目标的真实方位角接近的程度的一个参量。

测向机的准确度是用可能出现的测向误差来表示的。

通常误差有四种表达方式：

最大误差、平均误差、统计概率误差和均方根误差。

所谓误差是指所测出的示向度与被测目标的真实方位角之间的差值。

一般测量一部测向机的误差是在标准测量场地上进行。

2、测向灵敏度

测向机的灵敏度是用来衡量测向机测量远地电台、小功率电台的弱信号的能力的一个参量。

对于不同体制的无线电测向机的灵敏度也会有所不同。

测向灵敏度即测向机给出满意的示向度时所需要的入射波的最小电场强度。

所谓满意的示向度是指示向度的读数准确到其不超过允许误差时的示向度（通常规定允许误差≤10），也可以认为是当示向度左右摆动≤30时。

3、测向时效（最短测向时间）

测向时效是指完成一次测向任务的全过程所需要的最少时间。

主要是对测脉冲信号、跳频信号、瞬发信号、快速漂移信号的能力。

4、工作频率范围

其工作频率范围愈宽愈好，但必须做到在给定的频率范围内，测向机可以对其任一频率进行测向，而且其各项技术指标均可达到要求，。

除上述4个指标之外，还有作用距离、抗干扰性、可靠性、稳定性、体积、重量、电源等技术要求。

这些指标随测向机的用途不同，对其要求也不同。

例如对固定的测向站来说，测向设备的体积、重量就不是很重要的，而对移动测向来说则对体积、重量有较高的要求；又如测量快速短信号，测向时效性的要求就显得特别重要。

测向技术主要涵概

天线体系：

测向天线阵体系的原理与计算；

测向原理和测向设备：

测向的理论基础、测向的基本原理、测向方法和各类测向机的原理；

测向误差分析：

分析本机误差，场地环境引起的误差及电波传播引起的误差。

六、如何判断一部测向设备的好坏

1、首先是能否听到信号，就要看系统灵敏度。

2、其次是听到信号后能否测出信号的方向，就要看系统测向灵敏度如何。

3、最后是测出信号的来波方向是否准确，就要看系统测向精度（测向准确度）。

七、VHF/UHF测向设备主要技术指标的测试方法

随着无线电事业的发展，对于我国无线电监测工作就提出了更高的要求，为满足无线电监测工作的需要，各省及地市无线电监测站相继购买了各种不同的无线电监测设备。

由于监测设备价格昂贵（尤其是外国进口的），所以在订货购买时一定要按照技术说明书上提供的技术指标严格验收，以确保设备质量的可靠。

因测向（DF）设备的测试方法比较特殊，下面简单介绍一下VHF/UHF测向设备主要技术指标的测试方法。

1．V/UHF测向设备主要技术指标

（1）系统接收灵敏度（带天馈线系统）

（2）测向灵敏度

（3）测向误差（测向准确度或测向精度）

2．测试方法

首先要选择一平坦开阔场地（15λ长和10λ宽，λ指最低测试频率的波长），周围没有高大遮挡物（钢筋水泥建筑）和高压线、高压线铁塔。

（1）系统接收灵敏度

定义：

以系统最窄的接收带宽检测其灵敏度，当（信号+噪声）/噪声=3时的接收点场强为系统接收灵敏度。

测量系统结构

①等腰三角形结构（图略）

FSM和DF天线要架高≥6m（以100MHz为最低频率）并对准G（信号源）

②旋转式结构

DF和FSM天线呈180°架在旋转平台上（距地面高≥6m）

测量方法：

被测系统调至准确发射源频率之后，关闭发射源的射频输出，记下系统的输出噪声，然后接通射频信号，并调节输出强度，直到满足（信号+噪声）/噪声=3为止，此时用FSM（场强仪）测量等效点的场强，即为系统接收灵敏度。

通常对一个系统测试需选工作频率的最低、最高和中间值三点进行测量。

（在超短波或每隔50MHz～100MHz测一个点，在短波每隔1MHz）

系统接收灵敏度的单位是×××dbμv/m或μv/m。

（2）测向灵敏度：

定义：

任意方位，以强信号时示向度为基准，逐步减弱信号源的幅射值，直到示向摆动并偏离基准值≤3°（RMS）时，此时场强仪接收的场强值，为测向灵敏度。

（即指测向误差不超过某一规定数值时，能够进行测向所需要的来波最小场强值。

）

对于数字取向的测向机，当测向时间为1秒时，取8次结果做RMS统计。

测量系统的结构同系统接收灵敏度。

（3）测向误差（测向准确度）：

定义：

无线电测向机的误差值是在不同频率，不同方位和距离上大量的测向次数所获得的角度误差的均方根平均值。

（即测向差值的均方根RMS为测向误差）

RMS=√（θ12+θ22+…θn2）/（n+1）

测向误差分类

①天线误差—一组测向天线要平衡、对称、一致性好，测好后天线应编号，安装时编号不能错，一般讲差值最大的不能放到对称的位置上。

测向天线昂贵主要是一致性要求高（全频段），以前5根杆给6根，9根杆给10根，坏1根换1根，坏2根全部报废

U型天线阵天气潮时天线绝缘不一致或接地不一致时回产生误差和模糊。

②测向单元误差--多通道测向机全频段内的相移、延时的一致性好坏，决定了误差大小。

③操作误差--视觉取向时人为的视觉误差及极坐标显示器的显示误差。

以上是固有误差，可在在标准天线场地进行测试。

70年代，我们验收某外国公司的VHF/UHF测向（DF）设备，就发现其高端测向精度指标达不到，但外国公司不承认，发来传真首先问是用什么测试方法测的、在什么样的环境条件下测的、用什么仪表测的。

将我们的测试方法等给外国公司发出传真后，外国公司什么也不问了很快就重新发来一套天线阵（原天线阵中的一付天线是被压变形，只经机械校正后未经场地测试）。

④环境误差--传播介质不同（短波测向天线阵周围种的时麦子，因麦地收割了一半，另一半还未割产生了2度误差）、反射（地面、建筑物、汽车、飞机、高压线等）、遮挡、俯仰角和电离层的变化等。

⑤传播误差--电波的极化畸变、信号的调制影响。

示向度产生轴曲

示向度产生模糊，小音点不清或示向度摆动

测试方法

系统测试结构（场地环境要求同上）

①信号发射源沿以测向天线中心为圆心，半径≥50m（超短波）的圆周上每隔10°间隔10MHz，全频段，全方位，测试方位误差，将差值做RMS统计，信号源强弱不作要求。

②旋转平台式，测向天线架于平台上，信号发射源距旋转平台≥50m处。

平台每次旋转10°,间隔10MHz全频段测试，直到平台转动360°将差值做RMS统计。

③介绍一种简易的检验方法

先在标准方位0°统计全频段，间隔10MHz的测向误差，尔后任意指定一个方位重复测试，将两个均方根值的算术平均值，作为检验测试结果。

测向车的测试和验收

灵敏度、测向灵敏度、测向精度与固定站测试方法基本相同。

要考虑到不同的车体对测向系统的影响是不一样的，一般车头和车尾测向误差小一些。

车载测向天线一般为有源天线，它的动态范围是个关键指标，也是车载测向的一大问题，在靠近大功率发射易产生假信号。

在城市的街道和楼群中的多径反射，是影响测向精度的最大难点。

在实际工作中往往要将测向示向度与现场环境及信号场强相结合来判断信号的真实方位。

测向车经过高压线、无轨电车线底下，示向线也可能乱摆。

测向时与被测目标仰角过高，也会产生较大误差。

再强调一下测向设备的测试和校准

（1）不含测向天线的测试—可利用假天线产生8个方位或某个方位的信号，对测向天线以后部分进行测试。

（2）利用标准场地的测试--是鉴定整个系统唯一有效方法。

（3）安装后的测试

A：

近校测试，利用震荡器或信号源在近处进行8方位或4方位测试。

B：

远校测试，利用远方已知台或在已知地方发射信号，进行测试校准。

八、V/UHF测向站选址和架设应注意的几个问题

首先要确定监测覆盖区的大小和重点区域，再根据监测设备的系统灵敏度及建站高度合理布局。

（纯技术角度讲）

1、地理环境:

地形、地貌、周围建筑物和传播介质（周围传播介质不一样的地区，会产生折射）、短波还要考虑地质情况（如有无铜矿、铁矿等金属矿）。

建设一固定测向站必须进行方位角测试

2、电磁环境:

电磁环境的好坏，直接影响系统灵敏度的发挥。

测向站的选址应避免附近有大功率发射（有源天线更要注意，城市固定测向站尽可能不用有源天线）、繁华公路（汽车火花、及反射）。

同样建设一固定监测站也必须进行电磁环境测试。

3、确定真北：

有真北、磁北和坐标北三种北。

在建设一固定测向站时要确定测向天线与真北的误差夹角，因为几个测向站在测向交绘中，每个测向站所报的示向度都应该是以真北为0°的方位角。

这样在地图上进行测向交绘时才能避免各种地图坐标系带来的交绘误差（在建短波测向站时是非常重要的）。

利用磁北定出真北，磁北0°加减磁偏角可得到真北0°。

每个地区的磁偏角是不一样的，每年可能还有一些变化。

利用北极星（上中天、下中天、东大距、西大距）来确定真北。

利用坐标纵线偏角（以真子午线为准，与坐标纵线之间的夹角）。

利用用已知台确定，此方法不太好，它可能已含有了环境误差（有一些误差不可预知且无法修正）。

利用磁偏角定真北

利用北极星定真北

利用北极星定真北

超短波测向站的环境保护区域

4、沿海城市架设天线要防海雾腐蚀和防飓风。

5、架设尽量与周围环境对称平衡，系统接地良好，避雷可靠。

6、天线加高时要考虑馈线长度对系统灵敏度的影响（主要是高频馈线的馈损）

7、测向方位校准：

近校～～用震荡器四方位或八方位测试

远校～～用已知台或在已知地方发射信号校准

8、监测测向站的布局考虑：

在一个地区要完成交叉测向定位工作，一般要由三个或更多的测向站参加。

监测测向站的有效作用距离是由监测测向系统灵敏度（还要考虑监测站周边的电磁环境）和接收天线的高度及发射功率大小和发射天线高度等多种因素决定的。

就超短波而言一个架设在20层楼顶上的测向站可有效地对20-30km地面上10W电台监测和测向，若是发射天线也架设在高楼和高山上其监测距离会更远。

也要考虑到市区环境电波传播的衰减要比在郊区、平地上传播大的多。

我们曾对距15km左右，一部1W的地面移动电台（在郊区）进行有效的测向定位。

大城市的测向站最好建在城市周边的郊区，一是电磁环境好，有利于充分发挥测向系统灵敏度的作用；二是地理环境好控制，减少环境对测向天线的多径影响，市区城建变化太快；三是测向基线长线性误差小，测向交绘交角处在30～150°之间是最好的，如果交角小于20°或大于160°误差将增大很多，同时远距离测向也减小了测向的俯角误差。

有时应考虑将监测和测向分开，将要求环境条件高的测向站建在郊区以无人遥控来实现。

测向设备的选择：

不同类型和体制的测向机，其作用距离、固定与移动、极化方式、响应速度、取向方式、工作频段、对环境的要求、抗干扰能力等技术性能指标也是不完全相同的，需要综合考虑，以得到最佳选择。

九、干扰查找的一些问题

一些省和地区的无线电监测站，这些年查处了不少干扰，取得很多经验，也可以说，在中国查干扰是很有特殊性和复杂性的，有些情况在发达国家是见不到的。

例如民航反映，外航飞行员非常不适应在中国飞行，就是因为地空通信受干扰。

反过来讲，干扰信号强度大、时间长，又是我们查找的有利因素。

查找无线电干扰源，很重要的手段是利用测向。

但是非常好的测向车，为什么在城市里测向时示向度乱七八糟，或者偏差很大，原因有钢筋水泥的高大建筑物、高压线、铁塔、公路上的汽车、电车、无轨电车线等的反射，以及仰角过高、电波极化畸变等等，也有操作人员的实际经验不足和选用的设备不适有关。

固定测向站测已知台时，有的正偏有的负偏，除测向系统固定有的（不同的频率和方位）误差外还有环境的误差（接收环境、发射环境）、电波极化误差、仰角（或俯角）、死角（直射波被遮挡）等等。

例如:

某单位申诉，所用的一对频率143/149MHz受到干扰。

干扰信号为数传信号且幅度很强，经我们测试一个频率每半分钟发一次24°A等级；一个频率一分钟发一次26°A等级。

两个示向差2度且很稳定，以为是在2个不同位置的电台在对通试验，最后查清两个天线是在一个天线塔上。

原因是设备固有的误差、是不同频率传播产生的误差还是环境所造成的误差，都有可能。

有时EB100天线无论指哪没有什么变化，主要是接收环境不好，场强过高，天线方向图不够尖锐，接收机动态范围小。

外出查找干扰应注意

通信、场强测试、设备检测可利用计算机自动化完成，但查干扰只能是计算机辅助，因为很多干扰是非正常发射，需要人工识别（如同频干扰）。

查干扰首先要到受干扰地区了解情况。

1、选择地势高的地方；

2、选择环境开阔无遮挡的地方，熟悉和了解周围地形环境；

3、根据干扰频率、极化、调制方式、功率大小、通带宽度及所在地区的地理环境等，来选择查干扰的天线和监测设备（自动、人工、听、视、频谱）要尽量合理好用；

4、正确设置仪表参数（RF、IF通带宽度和分辨率）；

5、在城区要考虑到地面有遮挡，高楼有死角等因素；

6、远离高压线、高金属塔、高楼有反射物体；

7、用一部移动测向设备变换位置进行测向交绘，要合理选择横切点的位置。

要注意高压线、铁塔等的影响，发射天线的方向性也会造