国家无线电短波监测系统测向定位功能的设计与实现

四川大学硕士学位论文国家无线电短波监测系统测向定位功能的设计与实现姓名：付翔申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：龚晓峰20060510国家无线电短波监测系统测向定位功能的设计与实现检测技术及自动化装置专业研究生付翔指导教师龚晓峰988126随着无线电事业的迅猛发展，在全球经济一体化的今天，无线电作为信息载体的一种，其合理利用在经济建设和国防建设中有着举足轻重的地位。目前各种无线电业务的广泛应用，使得无线电频谱资源日趋紧张，电磁环境进一步恶化，给管理和分配频率资源带来了很大难度，因此必须借助于先进的无线电监测技术手段建立起科学、规范、高效的无线电管理监测机制，对有限频谱资源进行有效管理以满足社会对无线电频潜资源的需求。本文设计的无线电测向交会定位功能主要完成对非法电台及干扰源测向定位以进行查处等任务，这在无线电监测系统工作中是一个重要的功能。利用该功能，各监测站工作人员能高效、灵活、直观的完成对无线电台站的相关监测，并按国际无线电规则和中华人民共和国无线电管理条例的规定来处理，帮助迅速消除有害干扰，确保各种无线电设备正常运行，为频率指配提供技术依据，使有限的频率资源得到合理的、科学的、经济有效的开发和利用。本论文内容涉及到无线电短波频谱监测及测向定位技术、软件工程思想，地理信息系统等知识。首先系统的介绍了测向定位系统的意义和现状，从短波监测系统开发技术出发，根据国家无线电管理委员会对该项目的具体要求及目前无线电监测行业的前瞻性，论述了相关的基本概念、作用、组成和实现的主要功能。其次，本论文阐述了无线电监测系统中测向原理、定位算法，引起误差的原因及无线电测向校正等关键技术和实施方法。在短波监测站工程项目的搭建和实践应用过程中，积累了相关的实际经验，对铡向定位算法傲了相应的改进，提高了定位精宦。在短波频谱监测中具有较大的意义。结合项目的整体软件框架结构，从硬件组成方案、软件功能需求、软件结构、软件接口设计等方面重点介绍测向定位功能的设计和实现。该软件已在国家无线电短波监测项目中投入使用，具有先进性、实用性和扩展性的测向定位功能模块在执行监测任务中取得了良好的效果。关键词：无线电监测测向交会定位示向度接口面向对象思想模块化The Design and Application ofDirection Finding and Location in the NationalWireless Shortwave Monitoring SystemMajor：Detective Technology and Automatic DeviceGraduate：Xiang Fu Supervhor：Xianfeng GongWitll the rapid development ofradio communication technology,the rational useof wireless，which has been one kind of carriers of information,has been animportant position in the national economic and defense constructionAt the sametimeas the 讲 de lIse of wireless operation,the wireless resource is more and morelimited and the electromagnetic environment becomes worseTo build a scientific，canonical and effective wireless system in order to meet the social requirement，theadvanced monitoring technology is significantThe design of wireless Direction Finding(DF)and Location in this paper,ismainly accomplishes the dimcfion and location of lawless broadcasting stations andunknownjamming sigrlal sourceThis is one ofsignificant function in the momtofingsystemBased on this。the monitor Can fulfill the relative detective work,banish thebad disturbance。provide technology support for the frequency distributing,and makefull use ofthe frequency resourceThis paper relates to knowledge in some kind of subject,such as shortwavemonitoring and wireless direction finding and location technology,softwareengineering thinking，Geographic Information System and voice disposing eteThethesis begins 诵 t1 introducing the meaning and actuality of DF and location systembases on the project requirement mentioned by the national wireless managementcommittee and the foreland of wireless detective profession，and discusses the basicconception,operation,composing and the mainly functionISecondly,the thesis expatiates on the theory of DF and location in the wirelessmonitoring system，the reasons of error and the key technology and implementationmethod of radio DF adjustmentIn the process of building and practice,by thecorrelative practicality experience，the paper made some improvement tO the DF andlocation arithmetic，advanced the precision of location,which is meaningful in thewireless monitoring systemCombined with the whole sothvare frame，the hardware consist scheme，software function demanding,structure and the design of software interface havebeen emphatically presentationIn the course of program proceeding，the directionfinding and location function module which has been used in the national wirelessshortwave monitoring system,is advanced,practicability and expansibility andobtains a sailsfied resultKey Words：Wireless Shortwave MonitOring Direction Finding AzimuthJunction Location Interface Object Oriented Programming Modularization州1 人导 n 兜 t 学 f0 论文1 弓 I 言印111 项目背景近几年来，我国无线电通信雾业处于二高速发展时期，无线电通信业务如移动电话、卫星通信、微波通信和广播电视等都有了很大发展。无线电通信属 f电信中的一种，根据国际电信联盟无线电规则，无线电通信为依靠无线电波的空间辐射传送信息的，其容量受射频频带宽度的限制使用无线电波的电信。随着科技的进步、通信技术的发展，特别是数字技术的广泛应用，人们对无线电通信的需求迅速增长。但随着我国的无线电业务和无线电通信经营部门越来越多，由于较高频率上的无线电波的传播特性，无线电业务不能无限地使用较高频段的无线电频率。目前人类对于 3000GHz 以上的频率还无法开发和利用，无线电台(站)数量大量增加，无线电频率使用不当，就会受到其他无线电台、自然噪声和人为噪声的干扰而无法准确、有效和迅速地传送信息，电磁环境趋于恶化，频率与台(站)管理和无线电监测工作越来越复杂而繁重。如何解决频率资源相对短缺问题，有效合理地开发利用无线电频率资源，维护好空中电波秩序，充分利用和保护无线电频谱资源，保护电磁环境，保障无线电用户对无线电频率的正常使用权益，查处违章、违法设台现象，合理配置和组网监测设备，从而满足各行各业对无线电频率日益增长的需求，已成为我国无线电管理面临的主要课题。无线电监测是对无线电频率资源进行管理和保护的重要手段。通过有效的监测与管理，可以使无线电频率资源有序使用、免受污染，使有限的频率资源得到最充分合理的利用。无线电管理在保证无线电通信正常发展、维护空中电波秩序、维护我国频率使用权益、保证国家安全稳定和促进国民经济发展方面起到了重要作用。避免干扰的一个重要方法就是对无线电发射设备进行管理，使其有关技术指标如使用频率、功率、发射带宽、频道日】隔、收发间隔、杂散发射、频率容限等符合无线电管理的技术规定、国家标准、行业标准，实现无线电台站之间的电磁兼容，防止各种无线电台站和系统之间的相互干扰，提高无线电频率的利用率。因此，根据中华人民共和国无线电管理条例，为了维护国家权益，叫1，、学“扣 I，绝支加强图际日 j 的合作，我【词正在建设一个先进的图家舰波监测嘲，集监听、测量、定位于一体的覆盖令固乃至全球、即町保证水土移动、航空移动、安全救险、广播等短波频段业务 JF 常工作，又可执行困际电联的统一监测活动。为了规划和建设好国家短波监测网，信息产业部规划司根据可行性方案设计，重点解决监测设备覆盖频段窄、数量少、不配套、监测覆盖范围小、没有联网运行的状况，全面提升无线电管理的技术能力，逐步适应无线电事业迅速发展的需要。“九五”期间及“十五”期间共建设 9 个国家级的监测站，达到具有先进的短波监测、监听水平和较高的测向和定位精度，扩大对我国的覆盖范围。该网络是由国家无线电监测管理中心和分布在各地的多个固定监测站及多个移动监测站组成，是一个无中心的网络，经控制中心授权后，网内任一监测单元均可成为指挥操作控制中心。目前已逐步在北京、哈尔滨、成部、乌鲁木齐、上海和广东建设了 6 个监测站(含 HF、VHFUHF 无线电业务监测)，主要负责航空、水上、广播、固定短波和其它无线电业务的监测。其中北京、哈尔滨、成都、乌鲁木齐和上海监测站的建设工作已经完成并进入了运行阶段。国际无线电监测中心建设总控制室，它与国家监测站之间采用遥控和自动化监测手段，建成能实时运作的监测网。同时，它还与省级监测站、省级派出机构监测站联网，全国各个监测站之间及监测站内投资建立了专用局域网，即通过国家无线电短波监测网络软件系统，各地的移动监测站通过本地的固定监测站也一同联接到国家短波监测网络系统中，从而实现全国短波监测站的联网功能。各监测站管理员对不同的监测设备(底层硬件接收机，包括ESMB、EB200、ESVN40 等)操作，全网具有无人值守工作模式下的不间断工作能力，以完成监测控制中心下达的各类监测任务(如信号的记录、信号参数的测量及信号源地址的定位等)。各固定监测单元与配属的移动监测单元可构成区域性的短波监测网，以完成该地域的监听测量、定位及管理工作。各监测单元的超短波系统既是国家监测网的一部份，也可进入所在省、市监测网络，成为该网络的监测单元。实现各地监测站的网络化管理及资源的极大共享，为查处国内外无线电干扰及非法电台提供先进、快速的技术手段：建立用户干扰自动申诉系统、无线电监测数据库和干扰查处应用程序，为频率指配和频率规划等工作提供完整、准确、有效的科学依据；要与国际无线电管理接轨，选择并装备符合国际电联要求的监测站参加国际监测网。2州-1f 人擘砷卜学 f?玲卫12 项目需求为了防止有害干扰，确保备种无线电设备的正常运行，使有限的频谱资源得到合理、科学、有效的开发和利用，并且从技术上保证国家无线电管理条例的执行，“国家无线电短波监测网络系统”采用先进的技术手段和设施，对无线电发射的基本参数，包括频率、电平场强、示向度、仰角、示向度质量等指标测量，对声音信号监听，对发射标识进行识别，对频段利用率和频道占用度进行统计，对信号进行算法分析，以便合理、有效地指配频率。随着无线电使用的增加，频段覆盖范围的不断扩大，无线电测向技术的应用也相应增加。无线电测向技术通过对于扰源测向定位排除干扰、查处非法电台，其业务原则上应包括全部无线电业务的监测，监测的频段包括所有己使用和开发的各个频段。无线电测向的主要目的是借助于电磁波的传播，鉴于每种电磁辐射无论以何种形式出现，都带有方向信息。用适当的测量方法可以从电磁波中提取出方向信息以达到两方面的应用：一方面通过定向接收可以改善自己的接收条件，从而改善接收结果；另一方面可以用来确定辐射源的方向。这两种功能是相互联系在一起的。在测向中独立地和无源地确定目标辐射源的位置及通过处于不同地理位置的测向站对同一辐射源实施测向，通过仪器返回的方向信息(示向度值)计算定位点的坐标，在地图上进行实时交会。如在改善己方公众网和军用无线电通信接收质量的同时，也提出了捕获和分析国外及敌方无线电通信的任务。13 该课题的意义根据全国短波监测网建设工程总体方案在国家无线电短波监测系统中的实施，随着频率占用密度的增加，无线电测向和定位维护空中电波秩序是无线电管理的核心，是无线电科学管理的基础。当前虽然出现了操作简便、定位精度高的手机定位、GPS(卫星测时测距导航全球定位系统，NavigationSatelliteTiming And RangingGlobal Position System)等定位技术，但由于其受地理环境影响较大或成本投入较高，这些技术的使用受到相应限制。而无线电测向设备相对造价低、工作可靠、结构简单、对电台没有特殊要求，在无线电监铡、pqIll 人学馈+学位论上电子对抗和，j 已线电导航等领域酃有广泛地应用。通过对无线电测向技术的使用，加强日常监测，特别是对航空导航、港口安全生产、铁路通信、森林防火等重要频率加强保护，同时及时发现不明信号，为行政执法提供依据。考虑到不明电台对国家可能造成的危害，更要做好军地频率协调工作。按照频率审批权限合理指配频率，确保本区域内的设台单位不使用专用频率；同时，对擅自使用号用频率的单位，要及时审核其相关批文和执照，若影响到地方通信的，要及时与部队协调。14 本文的主要研究内容本文是基于国家无线电短波监测项目中对测向定位及相关模块的功能实现所做的研究，主要内容包括以下四个方面：141 测向定位技术应用删纠 11首先对测向交会定位原理进行概述。依据电磁波在空中的传播特性，可以利用无线电监测技术对电磁波发射源进行定位。文中对测向交会定位技术相关概念，天线技术，测向接收机技术，测向设备的应用，取向、信号处理及定位方法，误差引起的原因和如何消除减小误差，测向地图的使用等方面作了简要的陈述。执行测向定位监测任务时，测向机接收到的信号受周围环境影响很大，如温度，监测场地建筑物，电离层变化等，都会引起示向度游离现象，这严重影响了监测精度。因此在软件工程中加入人工干预，根据在执行监测任务过程中积累的经验，在对大量监测数据进行分析后，对各种情况下的监测数据补偿修正，对测向交会定位算法作了一定的改进(如加权修正值等)，减小了误差，提高了定位精度，这在实际监测工作中具有重大的意义。142 软件工程思想运用刚 01421软件工程思想贯穿于“国家无线电短波监测系统”的整个开发设计过程中。由于在监测系统中涉及到多种监测功能需求，为了使该软件具有最大的灵活性4叫，11 人学硕 1 学位论殳与扩展性，采用向向对象的思想将系统业务抽象为多个功能模块，对各个模块使用同一框架进行统一处理，各个模块间、模块与椎架间通过定义的标准接口及消息传递命令、交换数据。各模块功能实现的细节封装在各个类中，简化了编程和维护，通过封装保证对象的属性只能通过对象的方法进行存取，这样实现了代码的最大复用并保证框架的稳定性。143 地理信息系统的使用1 羽在无线电监测系统中，为形象直观的表现测向定位过程与结果，开发友好的图形化用户界面，应用了 GIS 系统。GIS(GeographicInformationSystem)是基于 ActiveX 技术的组件式产品，具备较强的数据存储、管理和输入输出功能，以数据为中心，能基本完整的表达模拟客观地理世界、进行一定的空间分析“。因此监测系统中应用 GIS 的强大功能，利用其提供的方法、属性和事件对地图信息进行完全可视化的开发和管理，脱离 Maplnfo 的软件平台运行，实现对空间数据的获取、存储、现示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能。144 语音处理由于电离层的变化，短波在传输过程中存在慢快衰减而引起信号严重畸变，因此辨别需测量的信号显得特别重要。往往对有经验的短波测向员来说，主要是依靠声音辨别；而且短波信号错综复杂，当进行长期监测之后会产生大量的原始数据和