基于无线电定位技术的全频段电磁频谱监测系统

基于无线电定位技术的全频段电磁频谱监测系统

童岩,郭景阳,宋佩盈,占海,王争儿

宁夏无线电管理委员会办公室   755000

摘要：由于进行全频段电磁频谱监测的过程中，没有对原始电磁频谱信号去噪、归一化预处理，导致系统虚警率较高，为此设计基于无线电定位技术的全频段电磁频谱监测系统。系统硬件方面对监测器进行了选型与设计；软件方面，对原始电磁频谱信号去噪、归一化预处理，根据预处理结果，提取全频段电磁频谱变化特征，利用无线电定位技术对异常频带定位，以此实现全频段电磁频谱监测。经实验证明，设计系统虚警率低于传统系统，具有良好的可行性。

关键词：无线电定位技术；全频段；电磁频谱；监测系统；监测器；

中图分类号:TN98文献标识码:A

0引言

近几年，无线通信技术飞速发展，无线电通信业数量与日倍增，在有限的无线电频段资源下，随着通信数量的增加，使得频谱资源越发拥挤，频段通信环境越发恶劣，受到某些因素的干扰，频段内噪声较高，会直接影响到无线通信质量，因此要采取有效的手段和技术，对频段电磁频谱进行实时监测，开展对用频设备的辐射信号采集、统计分析、异常信号识别以及定位等一系列监测工作，及时发现异常现象，对其采取有效的措施，保障频段无线通信质量和安全。由于无线电通信设备种类和数量较多，并且电磁环境比较复杂，导致全频段电磁频谱监测具有较高的难度。此外，国内对于全频段电磁频谱监测系统研发与设计起步比较晚，相关的系统研发技术还不够成熟，现有的系统在实际应用中虚警率较高，经常出现虚假报警，已经无法满足实际需求，为此提出基于无线电定位技术的全频段电磁频谱监测系统。

1全频段电磁频谱监测系统硬件设计

系统硬件主要为监测设备，其功能是通过对频段扫描获取到电磁频谱信号。监测设备主要由天线、侧向天线阵、主机、电缆、GPS、三脚架、功分器以及笔记本电脑组成，下图为系统硬件拓扑图。

图1系统硬件拓扑图

如图1所示，根据系统电磁频谱信号采集功能需求，此次选择型号为HFIAG-4646监测器，根据实际情况对监测器进行安装，并按照说明书对监测器各个技术参数进行校准[1]。系统在执行监测任务时，由监测主机中的处理器控制开关，选择侧向天线和监测天线，由天线接收到频段电磁波信号，并由功分器将接收到的模拟量信号转换为数字量信号，将其传输到监测主机上，由监测主机内置的IHYF-4741芯片对测量信号的频率、电平、带宽等信号进行分析，最后通过网线将获取到的信息发送到显示控制终端上，对数据进行存储，为系统全频段电磁频谱异常定位提供数据依据。

2全频段电磁频谱监测系统软件设计

2.1电磁频谱信息预处理

考虑到在电磁频谱信号采集过程中可能受到某些因素干扰，获取的原始信号中可能存在一些重复信号或者噪声信号，因此在数据预处理中首先将原始信号中重复信号和噪声信号去除。为了提升系统的收敛速度，以原始电磁频谱信号中最大值作为上限，以最小值作为下限，对电磁频谱数据进行归一化处理[2]。由于一个频段内包含多个电磁频谱信号，因此原始数据会呈现出强弱不同的多个频带，由于频带边缘和交接频点的数据变化比较快，数据可预测性比较弱，而频带内的数据变化比较慢，可预测性比较强，因此在完成归一化处理后，再将数据中处于频带边缘和交接频点的数据去除掉，以此提高数据精度[3]。最后，在上述基础上提取到电磁频谱信号变化特征，频谱变化特征主要表现在时域和频域两个方面，从数据样本中随机选取任意时间段频段所有频点的电磁频谱信号，利用电磁频谱信号时域均值和频域均值，提取到时域变化特征和频域变化特征，其用公式表示为：

（1）

式中，表示全频段电磁频谱时域变化特征；表示电磁频谱数据；表示电磁频谱时域均值；表示全频段电磁频谱频域变化特征；表示电磁频谱频域均值[4]。通过以上对电磁频谱信号预处理，提取到全频段电磁频谱变化特征。

2.2基于无线电定位技术的电磁频谱异常监测

正常情况下电磁频谱变化是呈规律性变化，频谱波动幅值比较小，但是当出现异常时电磁频谱会发生突变，时域变化幅度和频域变化幅度比较大，因此根据提取到的电磁频谱变化特征，判断频段是否正常，其用公式表示为：

（2）

式中，表示全频段电磁频谱异常概率；表示时刻；表示电磁频谱时域变化特征权重；表示电磁频谱频域变化特征权重。在系统中设定一个阈值，如果公式（2）计算结果大于阈值，则表示电磁频谱状态异常，反之电磁频谱状态正常[5]。当监测结果为异常时，采用无线电定位技术对异常频带进行定位，该技术根据无线电定位基站与监测目标的几何位置关系，确定监测目标空间坐标，按照图1搭建4-5个无线电定位基站，随机选取其中两个基站，用、表示，将电磁频谱异常点作为两个无线电定位基站的测向交叉点，根据异常点与两个无线电定位基站之间的几何关系，计算出电磁频谱异常点位置，其用公式表示为：

（3）

式中，、表示电磁频谱异常点横坐标和纵坐标；、表示无线电定位基站横坐标和纵坐标；

、表示无线电定位基站横坐标和纵坐标；表示两个无线电定位基站距离；表示无线电定位基站测向角；表示无线电定位基站测向角。利用上述公式计算出电磁频谱异常点位置，以此实现基于无线电定位技术的电磁频谱异常监测，进而完成系统设计。

2实验验证

为了检验本次提出的全频电磁频谱监测系统设计方法的可行性与多频段适用性，选取GKH800UL、GKH800DL、GKH800FL、GKH800EL、GKH800AL五个无线电频段为监测对象，利用设计系统与传统系统对五个无线端频段进行电磁频谱监测。实验准备了15台监测器，搭建了三个监测站，监测站坐标分别为（126.36，206.48）、（102.58，165.95）、（104.95，104.89），共获取到12.62GB电磁频谱信号，按照上文监测流程对信号处理和计算，共监测到564个异常频带。实验以虚警率作为两种系统监测功能评价指标，虚警率是指系统监测结果中虚假预警次数占比，虚警率越高表示系统监测精度越低，使用OHYFD软件统计到两种系统虚警率，具体数据记录如下表所示。

表1两种系统虚警率对比（%）

通过对上表中数据分析可以得出以下结论：设计系统在全频段电磁频谱监测中虚警率较低，最大虚警率仅为0.05%，最小虚警率为0.01%，数值较小基本可以忽略不计，设计系统可以将虚警率控制在0.1%以内，小于规定限值，说明设计系统对全频段电磁频谱监测精度较高，监测结果基本与实际情况一致；而传统系统在全频段电磁频谱监测中虚警率较高，最大虚警率为8.19%，最小虚警率为5.39%，不仅高于设计系统，而且还超出了规定限值。因此实验结果表明了，在监测精度方面设计系统优于传统系统，在全频段电磁频谱监测中具有较好的可行性与适用性，监测结果具有较高的可信度。

3结束语

此次采用无线电定位技术对全频段电磁频谱监测，提出了一个新的监测系统设计方法，实现了对传统系统的优化和创新，有效提高了全频段电磁频谱监测精度。

参考文献

[1]张伟军,郭怡惠,李涛,等. 基于E3238S的电磁环境监测系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制,2021,29(04):10-13+18.

[2]易波,毕术龙,耿西伟. 基于实时频谱分析的电磁频谱监测技术研究[J]. 舰船电子对抗,2021,44(03):96-99+119.

[3]李奎,张侹,高扬, 等. 一种嵌入式软件无线电频谱监测系统[J]. 电讯技术,2020,60(05):596-601.

[4]李培林,王文兵,钟立俊, 等. 基于机器学习的频谱监测数据与装备事件关联方法[J]. 电子信息对抗技术,2020,35(06):32-36.

[5]吴敏,王学良. 基于力位协同控制的航天器多路射频频谱监测系统设计[J]. 计算机测量与控制,2021,29(12):13-16+21.