一種新算法的干擾信號偵測、追蹤與定位系統(tǒng)設(shè)計

在大型集會場合，武警、公安在復雜電磁環(huán)境下要求快速準確傳遞信息，完成執(zhí)勤、處突和反恐等任務(wù)，而自然環(huán)境和人為干擾將直接影響信息傳輸。準確偵測定位干擾信號?？梢约皶r了解干擾環(huán)境的組成、特點和電磁態(tài)勢，有助于做出正確的應對措施。目前，國內(nèi)外雖均有用于電磁檢測的設(shè)備，但價格昂貴，因此提出一種新算法的干擾信號偵測、追蹤與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計的硬件設(shè)備、電路設(shè)計簡單。并具有小型靈活、簡單實用、性價比高等特性。

新算法與經(jīng)典算法比較

　　傳統(tǒng)目標源定位中，計算目標源經(jīng)度和緯度的經(jīng)典算法主要有2種：一是“兩點定位法”，即2條相對干擾源的定向射線(由測量時，定向天線給出的方向)交于一點，則這一交點，就是所要求的目標點，如圖l所示。

　　這種算法缺點是在求解干擾源C的經(jīng)、緯度過程需考慮的情況較多。例如求解過程中，以測量點A為例，A點的經(jīng)度可能比B點高，或比B點低；A點的緯度可能比 B點高，或比B點低，這共有4種情況，再加上干擾點C的每一種情況對應的2種不確定性，那么實際C點在求解過程中可能性共有4×4=16種。那么至少要編寫16個子程序，其編程過程異常復雜，且易于出錯。

　　二是“雙曲線定位法”，該定位法是以三個測量點中的任意兩個為雙曲線的焦點，并作兩對雙曲線，這兩對雙曲線必然有交點，該交點就是所求的干擾點。但這種方法也存在多種情況，分析比較復雜。因此基于該系統(tǒng)設(shè)計的要求，提出了一種新的定位算法。

　　該新算法主要優(yōu)點：建立數(shù)學模型，簡潔、明了和直觀地分析問題；極大改進“兩點定位法”，避免各種復雜、繁瑣情況的出現(xiàn)，避免因南北半球或者經(jīng)、緯度的矢量性而產(chǎn)生的計算錯誤；簡化系統(tǒng)程序的復雜程度，提高程序的運行速率，縮短程序運行的周期，從而加快干擾源的追蹤和定位；精簡系統(tǒng)設(shè)備，降低設(shè)備成本，擴展原有系統(tǒng)功能。

 系統(tǒng)算法

　　該系統(tǒng)設(shè)計的核心算法可分成兩部分，一是干擾點的跟蹤和定位，也就是求解干擾源經(jīng)、緯度；二是求解距離，即求解干擾源C與測量點A和B的距離。軟件設(shè)計時，以模塊化的設(shè)計思想，結(jié)合TMS320F2812的指令及其硬件的結(jié)構(gòu)特點，系統(tǒng)軟件設(shè)計分為算法主程序和A/D轉(zhuǎn)換程序。

　　3．1 干擾偵測系統(tǒng)的基本原理

　　圖 2為干擾偵測與定位系統(tǒng)原理圖。為了直觀，把整個系統(tǒng)的主要原理圖抽象到二維平面坐標系中，其中：A點為偵測的主機位置；B點為偵測的從機位置；C點為待測干擾源；Jl為主機測試點A和干擾源C點之間的連線與正北方向的夾角；J2為從機測試點B和干擾源C點之間的連線與正北方向的夾角。以A點為坐標參考點，令A點坐標為(AJ，AW)，則B點和C點的坐標分別是(BJ—AJ，BW—AW)、(CJ—AJ，CW—AWl：坐標X軸定義為經(jīng)度，Y軸定義為緯度。

　　假定坐標系XOY中，在A點進行干擾測試，當頻譜儀的探測天線轉(zhuǎn)到與正北方向成J1角度時，干擾信號強度最大、干擾信號最強，因此可以確定干擾源就在射線 AA’上，其干擾信號與主機測量點(以正北方向為參考方向)的夾角就是Jl；同理，在從機探測點B點測量時，干擾源就在射線BB’上，其干擾信號與從機測量點(以正北方向為參考方向)的夾角就是J2；兩條射線AA’和BB’的交點就是干擾源C點，即完成干擾源的偵測和定位。假如測量過程中，干擾源不停移動，由于整個系統(tǒng)在定位時，干擾源的定位時間非常短暫，因此，經(jīng)過多次偵測和定位，可形成無數(shù)個C點組成的干擾源軌跡，從而發(fā)現(xiàn)干擾源的運動參數(shù)，完成對干擾信號的追蹤。

　　3．2 計算干擾源經(jīng)度和緯度

　　在平面直角坐標系XOY中，令干擾源C點的坐標為(X，Y)，則直線AC的斜率為：

　　由上可知，坐標系XOY中，求解C點的坐標(X，Y)。令C點的經(jīng)度坐標為CJ，緯度坐標為CW，則最終C點的坐標為(AJ+X，AW+Y)。干擾源C點的坐標表達式中各項參數(shù)，均可由已知條件和測量結(jié)果獲得，因此該算法完成干擾源的追蹤與定位。

　　3．3 干擾源C點與偵測點A和B的距離

　　已知兩點的經(jīng)度和緯度，利用式(3)求解出這兩點之間的距離。通過計算得出主機偵測點A和干擾源C的經(jīng)度和緯度坐標分別是(AJ,AW)和(AJ+x，AW+y)，則A和C的實際距離DAC可表示為：

算法應用

　　WJ- 1型電磁干擾測量儀是基于該新算法而設(shè)計的，已應用于北京奧運會。該電磁干擾測量儀不僅能夠?qū)Ω蓴_信號進行全方位偵測、追蹤、定位、計算出其移動中干擾信號運動軌跡和尋找到干擾源最佳路徑，且還大大簡化原有抗干擾系統(tǒng)的設(shè)備的復雜度。而該設(shè)備中基于此算法由STCl2C5410AD單片機控制的自旋式超寬帶方向天線很好地解決抗干擾，簡化系統(tǒng)復雜度，節(jié)約成本。WJ-1型抗干擾偵測系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

　　整個系統(tǒng)分為主機和從機兩大部分，主機和從機配合工作，掃描干擾信號的自旋式超寬帶方向天線，計算模擬信號處理A／D轉(zhuǎn)換在主從機的各自數(shù)值。在從機中干擾信號經(jīng)頻譜儀分析處理后，得到的各項參數(shù)傳輸給主機，有CPU統(tǒng)一處理。中角度傳感器主要用于記錄自旋式超寬帶方向天線的旋轉(zhuǎn)角度，STC單片機用于控制角度傳感器和步進電機，其中步進電機轉(zhuǎn)動其精度達0．05°/步，即平面方向精度可以達0．05°／步。CPU綜合主機、從機中對干擾信號分析的各項參數(shù)和地理坐標信息，經(jīng)計算得到干擾源的經(jīng)度、緯度，GPS導航后，顯示尋找干擾源的最佳路徑，同時也可在電子地圖上顯示干擾源周圍的地形地貌特征。
 

　　提供了一種極優(yōu)算法，通過把復雜的干擾信號追蹤與定位問題抽象到數(shù)學模型中，大大簡化信號求解過程中的計算量，同時也簡化程序軟件設(shè)計。