網(wǎng)格化技術(shù)在發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心 潘曉 劉憲秋 雷長(zhǎng)征

提升對(duì)電磁環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)控的能力，確保發(fā)射任務(wù)安全，是航天器發(fā)射場(chǎng)迫切需要解決的問題。本文在分析航天發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)有電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和需求的基礎(chǔ)上，引入網(wǎng)格化技術(shù)，提出發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。對(duì)發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能架構(gòu)以及工作模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并針對(duì)網(wǎng)點(diǎn)布局、信號(hào)定位等關(guān)鍵技術(shù)問題給出了解決策略。最后分析了網(wǎng)格化技術(shù)在航天發(fā)射場(chǎng)運(yùn)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)發(fā)射場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了參考。

隨著無線電通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各類用頻裝備在發(fā)射場(chǎng)衛(wèi)星、火箭系統(tǒng)和地面測(cè)控、通信及氣象系統(tǒng)中被廣泛的使用，加之民用廣播電視、移動(dòng)通信等各類專網(wǎng)的迅速發(fā)展，使得發(fā)射場(chǎng)空間電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。另一方面，隨著發(fā)射場(chǎng)職能轉(zhuǎn)變，來自敵對(duì)勢(shì)力的偵查和干擾，將不可避免地對(duì)航天發(fā)射任務(wù)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，如何提高發(fā)射場(chǎng)對(duì)電磁環(huán)境精準(zhǔn)監(jiān)控的能力，確保發(fā)射試驗(yàn)任務(wù)安全，是航天器發(fā)射場(chǎng)應(yīng)對(duì)未來電子戰(zhàn)所面臨的重要課題。

傳統(tǒng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，往往采用“固定站+移動(dòng)站”的模式，這種模式存在系統(tǒng)造價(jià)高、數(shù)據(jù)融合程度低等多種現(xiàn)實(shí)問題。20 世紀(jì)90 年代，國(guó)際電信聯(lián)盟提出了網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)的新理念，近些年，隨著高速通信和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)在許多大中城市的“智慧城市頻譜監(jiān)測(cè)管理”中得以實(shí)踐應(yīng)用，并取得良好效果[1]。本文將網(wǎng)格化技術(shù)引入的發(fā)射場(chǎng)頻譜監(jiān)控工作中，開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)并分析技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)提供新的思路。

1 航天發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

發(fā)射場(chǎng)各類電子設(shè)備應(yīng)用普及，輻射源數(shù)量種類繁多，加之本身地理特性導(dǎo)致電磁環(huán)境較為復(fù)雜。比如，有的發(fā)射場(chǎng)周邊四面環(huán)山，易造成無線傳輸多徑效應(yīng)干擾；有的發(fā)射場(chǎng)緊鄰城市，各類廣播、移動(dòng)基站、港口機(jī)場(chǎng)雷達(dá)數(shù)量較多；有的發(fā)射場(chǎng)緊鄰海洋，海上軍艦、船舶雷達(dá)數(shù)量較多，海上干擾頻繁。

目前，國(guó)內(nèi)大部分發(fā)射場(chǎng)僅依靠單站系統(tǒng)開展電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)。存在以下不足：

（1）系統(tǒng)覆蓋能力弱。單站系統(tǒng)工作半徑窄，只能對(duì)發(fā)射場(chǎng)區(qū)開闊位置內(nèi)一定空間范圍內(nèi)的電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測(cè)精度、覆蓋范圍均不滿足要求。

（2）系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力弱。天線、接收裝置數(shù)量有限，難以在同一時(shí)段對(duì)兩個(gè)頻段進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，限于測(cè)試頻次和時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（3）干擾源定位能力差。對(duì)于發(fā)射場(chǎng)區(qū)外未知的或者時(shí)斷時(shí)續(xù)電磁輻射信號(hào)，單站系統(tǒng)無法快速準(zhǔn)確定位干擾源，不滿足機(jī)動(dòng)響應(yīng)需求。

（4）數(shù)據(jù)采集能力有限。獲取的頻譜數(shù)據(jù)呈片段狀，零散且量少，缺少長(zhǎng)期全面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無法支撐后續(xù)運(yùn)用。

復(fù)雜電磁環(huán)境影響著發(fā)射任務(wù)周期內(nèi)星箭指標(biāo)測(cè)試、測(cè)控通信聯(lián)調(diào)、電磁兼容試驗(yàn)及發(fā)射等各項(xiàng)技術(shù)活動(dòng)，僅僅依靠單一監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行“以點(diǎn)帶面”的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)已經(jīng)不滿足要求，必須對(duì)發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行升級(jí)換代。

結(jié)合發(fā)射任務(wù)需求，發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)應(yīng)具備以下基本特征：系統(tǒng)集約高效、全區(qū)域覆蓋無遺漏、數(shù)據(jù)全面精確可靠、干擾定位快速高效、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全天候、自動(dòng)采集常態(tài)化。綜合考慮發(fā)射場(chǎng)實(shí)際、費(fèi)效比等因素，有必要引入網(wǎng)格化技術(shù)開展新一代發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建更為科學(xué)的頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使頻譜數(shù)據(jù)為發(fā)射任務(wù)電磁安全提供全面的支撐成為現(xiàn)實(shí)。

2 網(wǎng)格化電磁頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)的基本原理

網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)是將監(jiān)測(cè)區(qū)域及周邊按照空間距離和監(jiān)測(cè)重要程度，劃分成若干個(gè)大小不等的網(wǎng)格單元，在每個(gè)網(wǎng)格單元布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，把多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聯(lián)合起來，組成一張頻譜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的頻譜監(jiān)測(cè)全覆蓋[2,3]。同時(shí)，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)上傳到中心站進(jìn)行相關(guān)性技術(shù)處理和分析計(jì)算，獲取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)電磁環(huán)境情況，實(shí)現(xiàn)電磁環(huán)境精細(xì)化管理。

從技術(shù)原理上分析，隨著被監(jiān)測(cè)信號(hào)具有了更高的載頻和更寬的帶寬，它們發(fā)射出來經(jīng)傳播到達(dá)接收機(jī)時(shí)，信噪比降低[4]，測(cè)試效果愈發(fā)不理想，需要監(jiān)測(cè)站點(diǎn)配置中頻帶寬、靈敏度等技術(shù)指標(biāo)更優(yōu)的接收機(jī)。而網(wǎng)格化的頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)利用大范圍多點(diǎn)布設(shè)，有效克服障礙遮擋，使得接收機(jī)更加靠近被監(jiān)測(cè)信號(hào)源。它不以無限追求接收設(shè)備的高靈敏度為目標(biāo)，造價(jià)低，覆蓋范圍大，監(jiān)測(cè)效率高，可以在發(fā)射場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)中加以應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)發(fā)射場(chǎng)實(shí)際情況，我們對(duì)發(fā)射場(chǎng)待監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行了擴(kuò)大，不再局限于發(fā)射陣地（發(fā)射塔架周邊區(qū)域），而將參與任務(wù)的測(cè)控雷達(dá)等用頻裝備所在區(qū)域或站點(diǎn)也納入監(jiān)測(cè)管理范圍。

發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循可延伸、可擴(kuò)展的多層構(gòu)架模式。建立“控制中心——區(qū)域控制中心——監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)”三層結(jié)構(gòu)的頻譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)、分區(qū)域組網(wǎng)和管理[5]。如圖1 所示為系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology diagram of grid spectrum monitoring system in the launch site

第一層是監(jiān)測(cè)控制中心（中心站），主要負(fù)責(zé)對(duì)各站點(diǎn)進(jìn)行控制、指揮，是網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)網(wǎng)的大腦中樞。它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和指令分發(fā)、網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、異常信號(hào)甄別及快速定位、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用等。

第二層是區(qū)域匯聚控制中心（樞紐站），作為區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的匯聚點(diǎn)和樞紐。具有監(jiān)測(cè)和管理的雙重功能，它主要負(fù)責(zé)完成對(duì)下層網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、篩選、過濾及上傳，對(duì)上級(jí)中心站命令的分發(fā)。

第三層為監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)站），是最小的監(jiān)測(cè)單元。主要完成區(qū)域內(nèi)信號(hào)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，用于執(zhí)行中心站指令、上傳設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。每個(gè)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)點(diǎn)使用體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高性能射頻傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行頻譜感知，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期不間斷感知監(jiān)測(cè)，無需建設(shè)顯示終端和專用機(jī)房，無需配置專人值守。

各層級(jí)站點(diǎn)之間的信息傳輸手段以光纖或網(wǎng)絡(luò)通信為主，能夠有效解決頻譜數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時(shí)性要求高的問題。部分不便于架設(shè)光纖的區(qū)域或場(chǎng)合，可采用5G 無線傳輸技術(shù)開展通信組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格執(zhí)行《無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)傳輸協(xié)議》（簡(jiǎn)稱RMTP，Radio Monitoring Network Transfer Protocol），符合業(yè)務(wù)功能、數(shù)據(jù)傳輸格式、監(jiān)測(cè)文件格式和監(jiān)測(cè)站代碼等相關(guān)規(guī)定[6]，搭建標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、接口一致、開放兼容的應(yīng)用平臺(tái)，為后續(xù)擴(kuò)容和實(shí)現(xiàn)與其他無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)兼容運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2.3 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)格化電磁頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由頻譜感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/分析系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)三部分組成。系統(tǒng)功能架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)圖Fig.2 Functional architecture of grid spectrum monitoring system in the launch site

（1）頻譜感知系統(tǒng)。位于監(jiān)測(cè)最前端，主要用于感知網(wǎng)格點(diǎn)所在區(qū)域的頻譜信息、預(yù)處理頻譜數(shù)據(jù)、傳輸頻譜數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格點(diǎn)間的時(shí)間同步和監(jiān)控監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況等。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/分析系統(tǒng)。作為系統(tǒng)的核心部分，主要包括數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。

網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)維度廣、數(shù)據(jù)量大,系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫包含有大量數(shù)據(jù)庫：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)采集到的頻譜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；硬件信息數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)各監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)的基本配置信息以及監(jiān)測(cè)設(shè)備情況；已知信號(hào)數(shù)據(jù)庫中，背景信號(hào)數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)發(fā)射場(chǎng)各監(jiān)測(cè)區(qū)域背景噪聲情況，特征信號(hào)數(shù)據(jù)庫用于存放國(guó)家頻率資源分配使用情況、發(fā)射場(chǎng)各類設(shè)備用頻信息、常見干擾信號(hào)以及異常信號(hào)信息等；業(yè)務(wù)資料庫用于存放歷次頻譜監(jiān)測(cè)任務(wù)的實(shí)施情況；日志數(shù)據(jù)庫用于統(tǒng)計(jì)記錄頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)的工作情況；資料數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)資料。

當(dāng)前，我國(guó)醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革工作進(jìn)入深水區(qū)和攻堅(jiān)期，深層次矛盾和問題凸顯與疊加。由于受到過度?？苹?、技術(shù)化、商業(yè)化的醫(yī)學(xué)文化及醫(yī)學(xué)范式、對(duì)人文教育的重視程度不夠等原因影響,醫(yī)患關(guān)系緊張已成為我國(guó)現(xiàn)階段一個(gè)突出的社會(huì)矛盾[2]。醫(yī)務(wù)人員收紅包、拿回扣、亂收費(fèi)問題屢禁不止；醫(yī)患糾紛乃至惡性傷醫(yī)事件頻發(fā)?！半p輸”的醫(yī)患關(guān)系一定程度上反映了患者對(duì)醫(yī)生是依賴而不是信任。這種狀況不僅使整個(gè)醫(yī)務(wù)界聲譽(yù)受損，更從根本上折射出高等醫(yī)學(xué)教育對(duì)于人文素養(yǎng)和人的健康生命的尊重欠缺。加強(qiáng)和改進(jìn)醫(yī)學(xué)院校人文教育，重塑醫(yī)學(xué)人文精神，乃化解醫(yī)患矛盾、進(jìn)而構(gòu)建和諧醫(yī)患關(guān)系的根本所在。

數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)主要是基于數(shù)據(jù)倉庫開展應(yīng)用。首先是數(shù)據(jù)篩選，對(duì)匯入中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，剔除有瑕疵數(shù)據(jù)；其次是數(shù)據(jù)融合，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、壓縮、轉(zhuǎn)換、加載、聚合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合，為后續(xù)利用奠定基礎(chǔ)，三是有用信息提取，主要包括：結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和已知信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較判別，識(shí)別信號(hào)；利用特定算法進(jìn)行干擾信號(hào)、異常信號(hào)的定位。

（3）人機(jī)交互系統(tǒng)。利用監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與用戶交互的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的管控和監(jiān)測(cè)結(jié)果的展示。用戶根據(jù)權(quán)限對(duì)發(fā)射場(chǎng)所有監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)、聚合點(diǎn)的基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理及配置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、運(yùn)行管理和遠(yuǎn)程診斷；可根據(jù)各類測(cè)試任務(wù)，設(shè)計(jì)測(cè)試流程，開展任務(wù)規(guī)劃并分發(fā)。應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)利用地理信息系統(tǒng)和電子地圖等手段，完成輻射源分布、整體環(huán)境、電磁干擾、可用頻譜、態(tài)勢(shì)評(píng)估結(jié)果等頻譜態(tài)勢(shì)綜合展示，完成對(duì)發(fā)射場(chǎng)內(nèi)用頻裝備電磁兼容性評(píng)估，開展電磁環(huán)境的量化評(píng)分，給出發(fā)射場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜程度等級(jí)評(píng)價(jià)，這些結(jié)果都將傳遞給發(fā)射任務(wù)控制中心供指揮決策使用。

2.4 監(jiān)測(cè)工作模式設(shè)計(jì)

以往發(fā)射場(chǎng)的電磁頻譜環(huán)境監(jiān)測(cè)僅僅是在發(fā)射任務(wù)準(zhǔn)備實(shí)施過程中的重要節(jié)點(diǎn)開展，采用網(wǎng)格化技術(shù)后，監(jiān)測(cè)將從片段式轉(zhuǎn)化為常態(tài)化，點(diǎn)面式轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)化。系統(tǒng)將采用常態(tài)監(jiān)測(cè)、發(fā)射任務(wù)周期監(jiān)測(cè)、專項(xiàng)監(jiān)測(cè)三種工作模式，如表1 所示。

表1 發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三種工作模式Tab.1 Three working modes of grid spectrum monitoring system in the launch site

（1）常態(tài)監(jiān)測(cè)工作模式。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置，定期定點(diǎn)啟動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)對(duì)各區(qū)域進(jìn)行全頻段進(jìn)行掃描，監(jiān)測(cè)結(jié)果作為長(zhǎng)期數(shù)據(jù)資料構(gòu)建發(fā)射場(chǎng)周邊電磁環(huán)境的背景庫。此模式下，不要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，可事后分析處理，以節(jié)約更多的網(wǎng)絡(luò)資源和計(jì)算資源。

（2）發(fā)射任務(wù)周期監(jiān)測(cè)模式。所有監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)處于全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到中心站進(jìn)行處理，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)開展異常及干擾信號(hào)的識(shí)別和定位。這種監(jiān)測(cè)模式利于以單次任務(wù)為單位開展電磁環(huán)境的長(zhǎng)期積累和比較。

（3）專項(xiàng)任務(wù)監(jiān)測(cè)模式。當(dāng)發(fā)射場(chǎng)周邊開展專項(xiàng)任務(wù)時(shí)，比如，測(cè)控站點(diǎn)獨(dú)立執(zhí)行其他發(fā)射場(chǎng)跟蹤任務(wù)、開展用頻裝備的性能試驗(yàn)（飛球試驗(yàn)、對(duì)接試驗(yàn)、空間站跟蹤等）或者區(qū)域正在開展需要通信保障的重要活動(dòng)等。此模式下，控制中心根據(jù)任務(wù)需要，臨時(shí)配置監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)，組成一個(gè)覆蓋特定區(qū)域的監(jiān)測(cè)小網(wǎng)，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)局部地區(qū)和特定頻段進(jìn)行全時(shí)段嚴(yán)密、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，保證專項(xiàng)任務(wù)的順利實(shí)施。

3 網(wǎng)格化運(yùn)用關(guān)鍵問題及解決策略

3.1 網(wǎng)格點(diǎn)布局規(guī)劃

網(wǎng)格是網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基本單元,科學(xué)合理地規(guī)劃網(wǎng)格是無線電控制中心能夠精確感知無線電頻譜信息的前提。網(wǎng)格點(diǎn)的布局是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及電磁環(huán)境、物理環(huán)境、工作條件等諸多因素[7]，能否合理布點(diǎn)實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋的同時(shí)，盡可能的降低建設(shè)成本,是網(wǎng)格化無線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的重難點(diǎn)問題。

發(fā)射場(chǎng)的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)不同于城市無線電管委會(huì)對(duì)整個(gè)城市進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測(cè)區(qū)域面積較小，布設(shè)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量不多，網(wǎng)格化布局問題相對(duì)簡(jiǎn)單化。方法如下：

（2）對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的重要性進(jìn)行分級(jí)處理，采用不同幾何圖形生成網(wǎng)格初始布局。首先根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求和重要性等因素，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行重要度分級(jí)，將發(fā)射陣地（發(fā)射架所在地）作為一級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域，其他區(qū)域作為二級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域?？紤]被監(jiān)測(cè)對(duì)象的重要程度、空間無線電信號(hào)分布密度、費(fèi)效比等因素，一級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域可采用六邊形蜂窩布局；二級(jí)監(jiān)測(cè)區(qū)域可采用相對(duì)較簡(jiǎn)單的正方形網(wǎng)格布局?？紤]到發(fā)射場(chǎng)對(duì)高頻段無線電信號(hào)監(jiān)測(cè)需求較多，可以選定0.8～3 公里（經(jīng)驗(yàn)值）的距離布置網(wǎng)格點(diǎn)，我們?cè)谠摲秶鷥?nèi)選定初始距離值A(chǔ)，做出網(wǎng)格化的布局圖。

（3）利用仿真手段預(yù)估網(wǎng)格點(diǎn)覆蓋范圍，判定是否滿足要求。選取無線電波傳播模型（1.5GHz 以下：Okumura-Hata 模型、1.5GHz 以上：Cost231-Hata 模型）[8]，確定該監(jiān)測(cè)區(qū)域監(jiān)測(cè)信號(hào)的最高頻率和需要識(shí)別的最小功率，計(jì)算一定頻率和功率下信號(hào)傳播的路徑損耗，從而推算出監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的覆蓋范圍。如果各網(wǎng)格點(diǎn)覆蓋范圍重疊較多，可增大A值，范圍較小，可減少A值，反復(fù)計(jì)算，直到理論模型完全覆蓋預(yù)先設(shè)定監(jiān)測(cè)區(qū)域。

（4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境特點(diǎn)，綜合地形特點(diǎn)、天線高度、布設(shè)難度、定位算法精度等因素，對(duì)布局方案進(jìn)行調(diào)整，重新進(jìn)行仿真計(jì)算。

（5）開展路測(cè)驗(yàn)證。建設(shè)階段，開展實(shí)地傳輸接收測(cè)試試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的正確性。如需調(diào)整，則需要改變傳播模型的參數(shù)，重新進(jìn)行仿真計(jì)算。反復(fù)迭代，直至布局方案符合實(shí)際需求。

3.2 網(wǎng)格化信號(hào)定位算法

信號(hào)定位是發(fā)射場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)注重點(diǎn)。在發(fā)現(xiàn)異常干擾信號(hào)影響發(fā)射廠區(qū)用頻裝備正常工作時(shí)，系統(tǒng)必須能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開展計(jì)算，迅速定位信號(hào)來向及位置。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中多采用定向天線開展監(jiān)測(cè)，然后利用多站點(diǎn)聯(lián)合測(cè)向定位技術(shù),采用到達(dá)角度算法（簡(jiǎn)稱AOA 算法：Angle of Arrival）解算出信號(hào)的大致位置。網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)采用造價(jià)較低的全向天線開展監(jiān)測(cè)，硬件設(shè)備改變和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了系統(tǒng)需選用其他技術(shù)來進(jìn)行定位解算。

系統(tǒng)可采用到達(dá)時(shí)差技術(shù)（簡(jiǎn)稱TDOA：Time Difference of Arrival）來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位。該技術(shù)基于雙曲線定位原理，通過測(cè)量同一個(gè)信號(hào)源到達(dá)不同站的時(shí)差，再根據(jù)傳播速度和站點(diǎn)之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的定位[9]。

系統(tǒng)可根據(jù)情況靈活選擇網(wǎng)格點(diǎn)來進(jìn)行定位計(jì)算，至少應(yīng)選擇3 個(gè)（A、B、C），無線電信號(hào)S 到達(dá)網(wǎng)格點(diǎn)A 和網(wǎng)格點(diǎn)B 的時(shí)間差可以通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到。到達(dá)兩個(gè)站都是該時(shí)間差的信號(hào)可能所在點(diǎn)的組合可以繪制出一條雙曲線M。同理信號(hào)S 到達(dá)網(wǎng)格點(diǎn)B 和網(wǎng)格點(diǎn)C 的時(shí)間差也可以測(cè)出來，也可以得到一條雙曲線N，兩條線相交的地方就是信號(hào)S 所在的位置，如圖3 所示。

圖3 到達(dá)時(shí)差技術(shù)（TDOA）示意圖Fig.3 Diagram of time difference of arrival (TDOA).

選用三點(diǎn)CHAN 算法進(jìn)行定位解算，假設(shè)時(shí)差定位主網(wǎng)格點(diǎn)位置為(xB,yB)，A、B 監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置為(xA,yA)、(xC,yC),目標(biāo)信號(hào)位置為(x,y),則定位方程組為如式(1)所示：

式（1）中，ri為目標(biāo)與其他網(wǎng)格點(diǎn)的距離，rB為目標(biāo)與主網(wǎng)格監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離，c 為電磁波傳播速度，di為目標(biāo)到達(dá)第i 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與到達(dá)主監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)的時(shí)間差測(cè)量值，cdi為第i 格監(jiān)測(cè)網(wǎng)格點(diǎn)的TDOA 測(cè)量值。由上面的方程組可推導(dǎo)出如式(2)、式(3)、式(4)所示：

通過矩陣運(yùn)算，就將(x,y)表示成rB的函數(shù)，再代入公式(1)計(jì)算出rB，然后再分別計(jì)算出(x,y)，得到目標(biāo)信號(hào)所在地理位置的解算結(jié)果。

由于時(shí)間測(cè)量的精度已經(jīng)達(dá)到ns 級(jí)別，因此TDOA技術(shù)具有較高的定位精度。在系統(tǒng)建設(shè)中，要求每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)配備有GPS 定位裝置，用于測(cè)算當(dāng)前地理位置和預(yù)防多徑效應(yīng)，還需配備時(shí)鐘同步模塊，確保整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間統(tǒng)一。

在后續(xù)實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)格化頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以與發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)有的車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和已有的固定測(cè)向監(jiān)測(cè)站進(jìn)行“AOA+TDOA”聯(lián)合定位，采用數(shù)據(jù)融合優(yōu)化算法，進(jìn)一步提高快速定位的精度。

4 結(jié)語

網(wǎng)格化技術(shù)運(yùn)用到發(fā)射場(chǎng)電磁頻譜監(jiān)測(cè)中，有著巨大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：（1）系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔、建設(shè)投入成本低，建設(shè)周期短，具有較高的經(jīng)濟(jì)性、可行性；（2）監(jiān)測(cè)無縫覆蓋，定位干擾能力強(qiáng)。監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分更加精細(xì)化，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射場(chǎng)全區(qū)域覆蓋，特別適合發(fā)射場(chǎng)周邊多障礙的地理環(huán)境特點(diǎn)；（3）系統(tǒng)定位準(zhǔn)確度高，滿足發(fā)射場(chǎng)快速精確定位干擾的現(xiàn)實(shí)需求；（4）數(shù)據(jù)全面融合，數(shù)據(jù)挖掘能力強(qiáng)。能夠快速處理海量數(shù)據(jù)，解析并提煉有用頻譜信息，提煉生成頻譜態(tài)勢(shì)，結(jié)果準(zhǔn)確直觀便于發(fā)射任務(wù)指揮輔助決策。

綜上，網(wǎng)格化技術(shù)在發(fā)射場(chǎng)電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中有著良好的應(yīng)用前景，是發(fā)射場(chǎng)頻譜管理實(shí)現(xiàn)由粗放式向現(xiàn)代化、精細(xì)化管理的有效途徑。后續(xù)還需針對(duì)網(wǎng)格布點(diǎn)選址、監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)選型、大數(shù)據(jù)融合處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，為最終建設(shè)好發(fā)射場(chǎng)網(wǎng)格化電磁頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，切實(shí)為提升發(fā)射場(chǎng)無線電監(jiān)測(cè)能力奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

引用

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