基于全國短波監(jiān)測系統(tǒng)測向定位功能的實現(xiàn)

 引 言

　　無線電定位技術起源于軍事科學研究，在軍事應用上，是一種捕獲和分析敵方無線電通訊、以此了解敵方指揮中心位置、部隊配置和調動等情況的重要電子偵察和對抗手段。 近年來，隨著無線電通信技術的飛速發(fā)展和頻段覆蓋密度的增加，作為無線電頻率指配程序的重要部分，為無線電管理部門提供頻率規(guī)劃、指配和協(xié)調的技術支持的無線電測向和定位技術，得到了更深層次的應用。尤其在查處未知干擾信號源方面，無線電測向和定位技術已成為我國進行無線電科學管理的技術基礎、維護空中電波秩序的重要手段。

　　全國短波監(jiān)測網絡系統(tǒng)由國家無線電監(jiān)測管理中心和分布在各地的多個固定監(jiān)測站及多個移動監(jiān)測站組成。各地的移動監(jiān)測站通過本地的固定監(jiān)測站聯(lián)接到全國短波監(jiān)測網絡系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)各地短波監(jiān)測站的全國網絡化管理及資源的極大共享。該系統(tǒng)是一個無中心的網絡，經控制中心授權后，網內任一監(jiān)測單元均可成為指揮操作控制中心。全網具有無人值守工作模式下的不間斷工作能力，完成監(jiān)測控制中心下達的各類監(jiān)測任務，如信號的記錄、信號參數的測量及信號源地址的定位等。為了確定信號源的地理位置，常用兩個或多個固定測向站聯(lián)網進行測向定位。本文主要涉及信號源定位功能的設計與實現(xiàn)。

2 技術背景

2．1 Delphi 7．0和MapX的集成開發(fā)

　　MapX是MapInfo公司向用戶提供的具有強大地圖分析功能的ActiveX控件產品，是一個當今普遍使用的ComGIS(組件式地理信息系統(tǒng))組件。他是一種基于Windows操作系統(tǒng)的標準控件，因而能支持絕大多數標準的可視化開發(fā)環(huán)境，如：Visual C++，Visual Basic，Delphi，PowerBuilder等。編程人員可以選擇熟悉的開發(fā)環(huán)境，脫離Maplnfo的軟件平臺運行。MapX采用基于Maplnfo Professional相同的地圖化技術，可以實現(xiàn)Maplnfo Professional所具有的絕大部分地圖編輯和空間分析功能。MapX為開發(fā)人員提供了一個快速、易用、功能強大的地圖化組件。在Delphi 7．O開發(fā)環(huán)境中，設計階段只需將MapX控件嵌入于窗體，并進行編程、設置屬性、調用方法和事件，就可以輕松實現(xiàn)地理空間數據的可視化，完成空間查詢、地理編碼、專題分析等豐富的地圖信息系統(tǒng)功能。

　　本系統(tǒng)是基于Delphi 7．0對MapX進行的集成二次開發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用OLE Automation(對象連接嵌入自動化)技術，用Delphi 7．O開發(fā)前臺可執(zhí)行應用程序，以OLE自動方式啟動GIS工具軟件MapInfo在后臺運行。

2．2 Oracle關系數據庫

　　Oracle關系數據庫系統(tǒng)是目前世界上伸縮性最好，功能最齊全的關系數據庫管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具備更靈活的事務處理能力，更加強健完善的數據倉庫技術以及智能化的內容管理和自我管理及嚴密的安全性機制，其分布式數據庫管理提供了新的分布式數據庫能力。物理上存放于網絡的多個Oracle數據庫，邏輯上可以看成一個單個的大數據庫，服務器之間的協(xié)同處理對于工作站用戶及應用程序而言是完全透明的。開發(fā)人員無需關心網絡的連接細節(jié)、無需關心數據在網絡節(jié)點中的具體分布情況、也無需關心服務器之間的協(xié)調工作過程，用戶可通過網絡較方便地讀寫遠端數據庫里的數據，似乎遠端的數據就在本地。

　　基于Oracle的以上多種優(yōu)點，為了保存系統(tǒng)實時的測向數據、頻譜數據、語音數據和實現(xiàn)站內、站間各計算機的數據共享及查詢，本系統(tǒng)采用了大型關系型數據庫Oracle作為系統(tǒng)數據保存模塊的后臺支持。

3 整體構架

　　系統(tǒng)采用Boland公司的Delphi 7．0作為前臺開發(fā)環(huán)境，后臺則采用Oracle 8．O大型關系數據庫系統(tǒng)，以Maplnfo公司的地理信息系統(tǒng)控件(ActiveX)MapX作為地圖控件。圖1是交會定位功能的構成模塊。

4 模塊功能

4．1 發(fā)送命令、數據接收模塊

　　發(fā)送命令是中心控制站向監(jiān)測站(可無人值守)發(fā)送包含目標發(fā)射源的頻率、帶寬等參數的測向命令的過程。整個系統(tǒng)的命令的發(fā)送和數據的接收顯示是通過基于Delphi消息系統(tǒng)的消息模塊來實現(xiàn)的。在實現(xiàn)交會定位任務時，由消息模塊把由界面窗口發(fā)出的命令以消息轉發(fā)到相應的服務模塊，同時，在數據返回時，消息模塊把底層服務模塊處理的結果以消息返回到請求方，進而實現(xiàn)消息和數據的交換，也即是完成用戶的請求。為了方便系統(tǒng)消息的管理和設計，在用戶請求服務時創(chuàng)建消息，而在用戶要求停止服務時釋放消息，為了將請求服務的消息和停止服務的消息關聯(lián)起來，需要設置相應的數據結構來保存消息、設備編號、操作等信息，以便在停止服務時查找到相應的啟動服務。 4．1．1 創(chuàng)建消息函數

　　成功后返回一個TMessage對象，否則為nil。同時，界面窗口需要保存消息的標志(每個新建的消息都有一個惟一的ID標志，用以區(qū)分不同的消息)。

4．1．2 發(fā)送消息函數

　　成功后返回1，其他返回表示失敗。該函數根據msg中的dest判斷是本地設備還是遠程設備，若是本地設備則發(fā)送到底層驅動，若是遠程設備，則向網絡發(fā)送。

　　function BSSendMessage(msg：TBSMessage)：TBSType；

4．1．3 界面窗口接收消息

　　消息模塊收到底層服務模塊發(fā)送回的數據后，將數據轉化為消息轉發(fā)給相應的界面窗口。界面窗口只處理自己發(fā)送出的消息，也就是該消息ID與在本窗體中產生的消息的ID一致，該檢查機制是通過TBSWindowSessionIDInfo類的CheckSessionId方法完成的。消息傳遞的是數據的地址和長度信息，所以界面窗口收到響應的消息后，需要對消息進行解析來獲取數據信息，以進行處理與顯示。

4．2 測向、頻譜數據顯示模塊和語音模塊

　　在進行多站交會定位時，為了克服相近頻率的干擾，保證各個測向站監(jiān)測的是同個發(fā)射源，系統(tǒng)加入了實時頻譜顯示和對比實時電臺聲音兩個功能。

　　在交會中，主控站發(fā)送交會命令mMeasuring(True，DeviceId，F(xiàn)LeftId，F(xiàn)Rightld，mfDirectionCross)到各監(jiān)測站。各監(jiān)測站收到命令后，分別向底層發(fā)送測向命令mMeasuring(True，DeviceId，F(xiàn)LeftId，F(xiàn)RightId，mfDirectionFind)和頻譜命令mMeasuring(True，Deviceld，F(xiàn)LeftId，F(xiàn)RightId，mfSpectrum)，并將被監(jiān)測信號的測向和頻譜數據均返回給主控方，主控方通過對比頻譜圖來確定目標信號的一致性和準確性。語音模塊中，系統(tǒng)提供了左右兩個獨立的聲道，分別由mMeasuring命令中的FLeftId，F(xiàn)RightId標志。Win32 APIs中有一組被稱成多媒體控制接口(即MCI)的函數，該接口提供了多媒體編程所需的系統(tǒng)級APIs，這些函數也就是Windows多媒體編程的最低層接口，由這些代碼直接操作真實的音頻設備。該模塊采用線程技術，利用Windows API函數，將音頻操作做成一個服務AudioServer。從網絡接收或本地采集得到音頻數據，放入開辟的緩沖區(qū)內，通過加入時間標簽來保證聲音播放時的連續(xù)性和左右一致性。該緩沖區(qū)采用循環(huán)存儲和播放的技術，用戶可以通過左右兩個聲道來同時對比不同監(jiān)測站的目標電臺的聲音，以保證目標源的一致性。

基于全國短波監(jiān)測系統(tǒng)測向定位功能的實現(xiàn)
2007/2/28/16:25  來源：《現(xiàn)代電子技術》
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4．3 數據存儲模塊

　　數據庫系統(tǒng)采用的是靈活、安全的Oracle數據庫實現(xiàn)C／S存儲管理模式。其主要有兩個方面的功能，一個是業(yè)務管理：支持各個監(jiān)測方式下的測量數據實時存儲和回放；另一方面則是數據庫本身的管理：數據庫的備份、恢復、查詢、刪除、報表管理等。因此本系統(tǒng)分為兩個邏輯子系統(tǒng)：數據庫管理維護模塊和業(yè)務支持模塊，采用多線程及多進程工作方式。

　　數據存儲模塊的結構如圖2所示。

4．4 數據處理模塊

4．4．1 數據同步模塊

　　在目標發(fā)射源移動時，由于網絡數據的傳遞存在延遲甚至中斷的因素，為了保證參加交會運算時各監(jiān)測站數據的同步性，系統(tǒng)加入了數據同步模塊。該模塊以GPS接收機作為硬件支持，各監(jiān)測站發(fā)送測向數據時加入GPS時間，中心控制站接收數據后，通過比較GPS時間來拋棄延遲數據，篩選出有效的同步數據組來進行交會計算。

4．4．2 數據校正

　　短波在反射時，會因為電離層局部的不均勻性而導致電波的散射，所以，被測信號是由彼此相互干涉的許多波束構成的，且每一個反射波束一般都伴隨著圓錐形的散射波束，這使得示向度在很大范圍內快速移動，其變化周期從幾分之一秒到5秒或更長。在軟件中，校正的具體做法是：在測向時設定一個足夠長的時間段(該時間段由用戶根據實際情況設置，默認為5 min)，將其平均。主要步驟如下：

　　(1)將測向機的示向度平均時間設置為5 s或10 s；

　　(2)每隔20 s(用戶可設置)從測向機讀取一次平均值m和測向質量(示向度等級)q，在5 min(用戶可設置)內共得到15個示向度平均值mi和15個相應的測向質量qi；

　　(3)求5 min平均時間的示向度平均值與方差。由于示向度的范圍是O～360°，為了避免在0°附近擺動而使計算結果不準確，所以采用公式：

求取平均值mp，由分式的分子與分母的符號決定其所在象限。

(4)剔除離散大的示向度：將mi與mp比較，將與Mp相差大的示向度剔除，然后按步驟(3)重新計算示向度的平均值與方差。

4．4．3 交會算法

　　為了確定輻射源的位置，除了單站定位，往往需要兩個以上位置不同的測向站組網測向(在目標固定時，也可用移動測向站，在不同位置依次分時交測)，用各測向站的示向線進行交會。測向站越多，定位越精確。

為了保證定位結果的精確性，系統(tǒng)采用了以原有的思想為基礎，但更加完善的多站交會算法。該算法中的兩兩交會部分將各種情況(測向站和輻射源的不同位置關系)具體表示成了了8種不同的球面定位三角形，其中一種位置關系及其相應公式如下：

　　假定兩個測向點為P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，兩個測向角為ρ1和ρ2，求信號輻射源的坐標S=(λs，φs)。

　　坐標經度λs：
為了保證定位結果的精確性，系統(tǒng)采用了以原有的思想為基礎，但更加完善的多站交會算法。該算法中的兩兩交會部分將各種情況(測向站和輻射源的不同位置關系)具體表示成了了8種不同的球面定位三角形，其中一種位置關系及其相應公式如下：

　　假定兩個測向點為P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，兩個測向角為ρ1和ρ2，求信號輻射源的坐標S=(λs，φs)。

　　坐標經度λs：
為了保證定位結果的精確性，系統(tǒng)采用了以原有的思想為基礎，但更加完善的多站交會算法。該算法中的兩兩交會部分將各種情況(測向站和輻射源的不同位置關系)具體表示成了了8種不同的球面定位三角形，其中一種位置關系及其相應公式如下：

　　假定兩個測向點為P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，兩個測向角為ρ1和ρ2，求信號輻射源的坐標S=(λs，φs)。

　　坐標經度λs：

除此以外，為了真實反映測向誤差的影響，詳細標識定位結果的精確程度，在交會算法模塊中加入了概率橢圓長、短軸及偏轉角的計算。該誤差橢圓直觀地表明了最佳交會點以一定的概率位于其中的位置范圍。經過實際應用，該算法的準確性已得到了高度肯定。

4．5 電子地圖顯示模塊

　　模塊以MapX作為地圖控件，嵌入中國地圖2002-2003年數字化電子地圖版作為系統(tǒng)加載的地圖，取國界、面省界、線省界、海岸線、省會城市5個圖層作為加載圖層。采用了刷新速度快的動態(tài)圖層(Animation Layer)技術的電子地圖除了能實時標識測向站，繪畫示向線，顯示最佳交會點和誤差概率橢圓外，還能顯示MapInfo格式的地圖數據，支持地圖的放大、縮小、平移和選擇等操作，圖層的自由控制，簡單的地理查詢等等。實例如圖4所示。

5 結語
　　
　　全國短波監(jiān)測網絡系統(tǒng)采用先進的技術手段和設施，通過對聲音信號進行監(jiān)聽，對頻譜進行對比來對干擾源進行測向定位，查處非法電臺，從技術上保證國家無線電管理條例的貫徹執(zhí)行，防止有害干擾，確保各種無線電設備正常運行，使有限的頻譜資源得到合理、科學、有效的開發(fā)和利用。