基于全國短波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)向定位功能的實(shí)現(xiàn)

 引 言

　　無線電定位技術(shù)起源于軍事科學(xué)研究，在軍事應(yīng)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(duì)配置和調(diào)動(dòng)等情況的重要電子偵察和對(duì)抗手段。 近年來，隨著無線電通信技術(shù)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(diào)的技術(shù)支持的無線電測(cè)向和定位技術(shù)，得到了更深層次的應(yīng)用。尤其在查處未知干擾信號(hào)源方面，無線電測(cè)向和定位技術(shù)已成為我國進(jìn)行無線電科學(xué)管理的技術(shù)基礎(chǔ)、維護(hù)空中電波秩序的重要手段。

　　全國短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由國家無線電監(jiān)測(cè)管理中心和分布在各地的多個(gè)固定監(jiān)測(cè)站及多個(gè)移動(dòng)監(jiān)測(cè)站組成。各地的移動(dòng)監(jiān)測(cè)站通過本地的固定監(jiān)測(cè)站聯(lián)接到全國短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)各地短波監(jiān)測(cè)站的全國網(wǎng)絡(luò)化管理及資源的極大共享。該系統(tǒng)是一個(gè)無中心的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)控制中心授權(quán)后，網(wǎng)內(nèi)任一監(jiān)測(cè)單元均可成為指揮操作控制中心。全網(wǎng)具有無人值守工作模式下的不間斷工作能力，完成監(jiān)測(cè)控制中心下達(dá)的各類監(jiān)測(cè)任務(wù)，如信號(hào)的記錄、信號(hào)參數(shù)的測(cè)量及信號(hào)源地址的定位等。為了確定信號(hào)源的地理位置，常用兩個(gè)或多個(gè)固定測(cè)向站聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)向定位。本文主要涉及信號(hào)源定位功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 技術(shù)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(qiáng)大地圖分析功能的ActiveX控件產(chǎn)品，是一個(gè)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)控件，因而能支持絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)運(yùn)行。MapX采用基于Maplnfo Professional相同的地圖化技術(shù)，可以實(shí)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(gè)快速、易用、功能強(qiáng)大的地圖化組件。在Delphi 7．O開發(fā)環(huán)境中，設(shè)計(jì)階段只需將MapX控件嵌入于窗體，并進(jìn)行編程、設(shè)置屬性、調(diào)用方法和事件，就可以輕松實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)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(duì)MapX進(jìn)行的集成二次開發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用OLE Automation(對(duì)象連接嵌入自動(dòng)化)技術(shù)，用Delphi 7．O開發(fā)前臺(tái)可執(zhí)行應(yīng)用程序，以O(shè)LE自動(dòng)方式啟動(dòng)GIS工具軟件MapInfo在后臺(tái)運(yùn)行。

2．2 Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫

　　Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是目前世界上伸縮性最好，功能最齊全的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。系統(tǒng)具備更靈活的事務(wù)處理能力，更加強(qiáng)健完善的數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)以及智能化的內(nèi)容管理和自我管理及嚴(yán)密的安全性機(jī)制，其分布式數(shù)據(jù)庫管理提供了新的分布式數(shù)據(jù)庫能力。物理上存放于網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)Oracle數(shù)據(jù)庫，邏輯上可以看成一個(gè)單個(gè)的大數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器之間的協(xié)同處理對(duì)于工作站用戶及應(yīng)用程序而言是完全透明的。開發(fā)人員無需關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的連接細(xì)節(jié)、無需關(guān)心數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的具體分布情況、也無需關(guān)心服務(wù)器之間的協(xié)調(diào)工作過程，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)較方便地讀寫遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，似乎遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)就在本地。

　　基于Oracle的以上多種優(yōu)點(diǎn)，為了保存系統(tǒng)實(shí)時(shí)的測(cè)向數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)站內(nèi)、站間各計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)共享及查詢，本系統(tǒng)采用了大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存模塊的后臺(tái)支持。

3 整體構(gòu)架

　　系統(tǒng)采用Boland公司的Delphi 7．0作為前臺(tái)開發(fā)環(huán)境，后臺(tái)則采用Oracle 8．O大型關(guān)系數(shù)據(jù)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(huì)定位功能的構(gòu)成模塊。

4 模塊功能

4．1 發(fā)送命令、數(shù)據(jù)接收模塊

　　發(fā)送命令是中心控制站向監(jiān)測(cè)站(可無人值守)發(fā)送包含目標(biāo)發(fā)射源的頻率、帶寬等參數(shù)的測(cè)向命令的過程。整個(gè)系統(tǒng)的命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收顯示是通過基于Delphi消息系統(tǒng)的消息模塊來實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)現(xiàn)交會(huì)定位任務(wù)時(shí)，由消息模塊把由界面窗口發(fā)出的命令以消息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的服務(wù)模塊，同時(shí)，在數(shù)據(jù)返回時(shí)，消息模塊把底層服務(wù)模塊處理的結(jié)果以消息返回到請(qǐng)求方，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)消息和數(shù)據(jù)的交換，也即是完成用戶的請(qǐng)求。為了方便系統(tǒng)消息的管理和設(shè)計(jì)，在用戶請(qǐng)求服務(wù)時(shí)創(chuàng)建消息，而在用戶要求停止服務(wù)時(shí)釋放消息，為了將請(qǐng)求服務(wù)的消息和停止服務(wù)的消息關(guān)聯(lián)起來，需要設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保存消息、設(shè)備編號(hào)、操作等信息，以便在停止服務(wù)時(shí)查找到相應(yīng)的啟動(dòng)服務(wù)。 4．1．1 創(chuàng)建消息函數(shù)

　　成功后返回一個(gè)TMessage對(duì)象，否則為nil。同時(shí)，界面窗口需要保存消息的標(biāo)志(每個(gè)新建的消息都有一個(gè)惟一的ID標(biāo)志，用以區(qū)分不同的消息)。

4．1．2 發(fā)送消息函數(shù)

　　成功后返回1，其他返回表示失敗。該函數(shù)根據(jù)msg中的dest判斷是本地設(shè)備還是遠(yuǎn)程設(shè)備，若是本地設(shè)備則發(fā)送到底層驅(qū)動(dòng)，若是遠(yuǎn)程設(shè)備，則向網(wǎng)絡(luò)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(wù)模塊發(fā)送回的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為消息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)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(chǎn)生的消息的ID一致，該檢查機(jī)制是通過TBSWindowSessionIDInfo類的CheckSessionId方法完成的。消息傳遞的是數(shù)據(jù)的地址和長(zhǎng)度信息，所以界面窗口收到響應(yīng)的消息后，需要對(duì)消息進(jìn)行解析來獲取數(shù)據(jù)信息，以進(jìn)行處理與顯示。

4．2 測(cè)向、頻譜數(shù)據(jù)顯示模塊和語音模塊

　　在進(jìn)行多站交會(huì)定位時(shí)，為了克服相近頻率的干擾，保證各個(gè)測(cè)向站監(jiān)測(cè)的是同個(gè)發(fā)射源，系統(tǒng)加入了實(shí)時(shí)頻譜顯示和對(duì)比實(shí)時(shí)電臺(tái)聲音兩個(gè)功能。

　　在交會(huì)中，主控站發(fā)送交會(huì)命令mMeasuring(True，DeviceId，F(xiàn)LeftId，F(xiàn)Rightld，mfDirectionCross)到各監(jiān)測(cè)站。各監(jiān)測(cè)站收到命令后，分別向底層發(fā)送測(cè)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(cè)信號(hào)的測(cè)向和頻譜數(shù)據(jù)均返回給主控方，主控方通過對(duì)比頻譜圖來確定目標(biāo)信號(hào)的一致性和準(zhǔn)確性。語音模塊中，系統(tǒng)提供了左右兩個(gè)獨(dú)立的聲道，分別由mMeasuring命令中的FLeftId，F(xiàn)RightId標(biāo)志。Win32 APIs中有一組被稱成多媒體控制接口(即MCI)的函數(shù)，該接口提供了多媒體編程所需的系統(tǒng)級(jí)APIs，這些函數(shù)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(shí)的音頻設(shè)備。該模塊采用線程技術(shù)，利用Windows API函數(shù)，將音頻操作做成一個(gè)服務(wù)AudioServer。從網(wǎng)絡(luò)接收或本地采集得到音頻數(shù)據(jù)，放入開辟的緩沖區(qū)內(nèi)，通過加入時(shí)間標(biāo)簽來保證聲音播放時(shí)的連續(xù)性和左右一致性。該緩沖區(qū)采用循環(huán)存儲(chǔ)和播放的技術(shù)，用戶可以通過左右兩個(gè)聲道來同時(shí)對(duì)比不同監(jiān)測(cè)站的目標(biāo)電臺(tái)的聲音，以保證目標(biāo)源的一致性。

基于全國短波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)向定位功能的實(shí)現(xiàn)
2007/2/28/16:25  來源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》
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4．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用的是靈活、安全的Oracle數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)C／S存儲(chǔ)管理模式。其主要有兩個(gè)方面的功能，一個(gè)是業(yè)務(wù)管理：支持各個(gè)監(jiān)測(cè)方式下的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和回放；另一方面則是數(shù)據(jù)庫本身的管理：數(shù)據(jù)庫的備份、恢復(fù)、查詢、刪除、報(bào)表管理等。因此本系統(tǒng)分為兩個(gè)邏輯子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理維護(hù)模塊和業(yè)務(wù)支持模塊，采用多線程及多進(jìn)程工作方式。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4．4 數(shù)據(jù)處理模塊

4．4．1 數(shù)據(jù)同步模塊

　　在目標(biāo)發(fā)射源移動(dòng)時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞存在延遲甚至中斷的因素，為了保證參加交會(huì)運(yùn)算時(shí)各監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的同步性，系統(tǒng)加入了數(shù)據(jù)同步模塊。該模塊以GPS接收機(jī)作為硬件支持，各監(jiān)測(cè)站發(fā)送測(cè)向數(shù)據(jù)時(shí)加入GPS時(shí)間，中心控制站接收數(shù)據(jù)后，通過比較GPS時(shí)間來拋棄延遲數(shù)據(jù)，篩選出有效的同步數(shù)據(jù)組來進(jìn)行交會(huì)計(jì)算。

4．4．2 數(shù)據(jù)校正

　　短波在反射時(shí)，會(huì)因?yàn)殡婋x層局部的不均勻性而導(dǎo)致電波的散射，所以，被測(cè)信號(hào)是由彼此相互干涉的許多波束構(gòu)成的，且每一個(gè)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(nèi)快速移動(dòng)，其變化周期從幾分之一秒到5秒或更長(zhǎng)。在軟件中，校正的具體做法是：在測(cè)向時(shí)設(shè)定一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間段(該時(shí)間段由用戶根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，默認(rèn)為5 min)，將其平均。主要步驟如下：

　　(1)將測(cè)向機(jī)的示向度平均時(shí)間設(shè)置為5 s或10 s；

　　(2)每隔20 s(用戶可設(shè)置)從測(cè)向機(jī)讀取一次平均值m和測(cè)向質(zhì)量(示向度等級(jí))q，在5 min(用戶可設(shè)置)內(nèi)共得到15個(gè)示向度平均值mi和15個(gè)相應(yīng)的測(cè)向質(zhì)量qi；

　　(3)求5 min平均時(shí)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(dòng)而使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)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(hào)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(jì)算示向度的平均值與方差。

4．4．3 交會(huì)算法

　　為了確定輻射源的位置，除了單站定位，往往需要兩個(gè)以上位置不同的測(cè)向站組網(wǎng)測(cè)向(在目標(biāo)固定時(shí)，也可用移動(dòng)測(cè)向站，在不同位置依次分時(shí)交測(cè))，用各測(cè)向站的示向線進(jìn)行交會(huì)。測(cè)向站越多，定位越精確。

為了保證定位結(jié)果的精確性，系統(tǒng)采用了以原有的思想為基礎(chǔ)，但更加完善的多站交會(huì)算法。該算法中的兩兩交會(huì)部分將各種情況(測(cè)向站和輻射源的不同位置關(guān)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(guān)系及其相應(yīng)公式如下：

　　假定兩個(gè)測(cè)向點(diǎn)為P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，兩個(gè)測(cè)向角為ρ1和ρ2，求信號(hào)輻射源的坐標(biāo)S=(λs，φs)。

　　坐標(biāo)經(jīng)度λs：
為了保證定位結(jié)果的精確性，系統(tǒng)采用了以原有的思想為基礎(chǔ)，但更加完善的多站交會(huì)算法。該算法中的兩兩交會(huì)部分將各種情況(測(cè)向站和輻射源的不同位置關(guān)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(guān)系及其相應(yīng)公式如下：

　　假定兩個(gè)測(cè)向點(diǎn)為P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，兩個(gè)測(cè)向角為ρ1和ρ2，求信號(hào)輻射源的坐標(biāo)S=(λs，φs)。

　　坐標(biāo)經(jīng)度λs：
為了保證定位結(jié)果的精確性，系統(tǒng)采用了以原有的思想為基礎(chǔ)，但更加完善的多站交會(huì)算法。該算法中的兩兩交會(huì)部分將各種情況(測(cè)向站和輻射源的不同位置關(guān)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(guān)系及其相應(yīng)公式如下：

　　假定兩個(gè)測(cè)向點(diǎn)為P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，兩個(gè)測(cè)向角為ρ1和ρ2，求信號(hào)輻射源的坐標(biāo)S=(λs，φs)。

　　坐標(biāo)經(jīng)度λs：

除此以外，為了真實(shí)反映測(cè)向誤差的影響，詳細(xì)標(biāo)識(shí)定位結(jié)果的精確程度，在交會(huì)算法模塊中加入了概率橢圓長(zhǎng)、短軸及偏轉(zhuǎn)角的計(jì)算。該誤差橢圓直觀地表明了最佳交會(huì)點(diǎn)以一定的概率位于其中的位置范圍。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，該算法的準(zhǔn)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(shù)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(huì)城市5個(gè)圖層作為加載圖層。采用了刷新速度快的動(dòng)態(tài)圖層(Animation Layer)技術(shù)的電子地圖除了能實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)測(cè)向站，繪畫示向線，顯示最佳交會(huì)點(diǎn)和誤差概率橢圓外，還能顯示MapInfo格式的地圖數(shù)據(jù)，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(jiǎn)單的地理查詢等等。實(shí)例如圖4所示。

5 結(jié)語
　　
　　全國短波監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)施，通過對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行監(jiān)聽，對(duì)頻譜進(jìn)行對(duì)比來對(duì)干擾源進(jìn)行測(cè)向定位，查處非法電臺(tái)，從技術(shù)上保證國家無線電管理?xiàng)l例的貫徹執(zhí)行，防止有害干擾，確保各種無線電設(shè)備正常運(yùn)行，使有限的頻譜資源得到合理、科學(xué)、有效的開發(fā)和利用。