CN100368822C - 无线电发射源定位方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线电发射源定位方法与系统，所述方法包括：a.通过方向性天线接收飞机对发射源的散射信号；b.记录散射信号的频谱及其对应的时间，并根据所述的频谱及时间信息，获取多普勒频移；c.根据所述多普勒频移及飞机的飞行状态，计算发射源的位置，从而实现对所述发射源的定位。根据本发明的方法和系统，有效解决了民航通信频率干扰源的查找问题，不仅覆盖范围大，而且不需要对飞机进行改动，也不会影响民航正常飞行，节约了投资；并且采用单站即可实现定位，机动性强，又节约了维护成本。

Description

无线电发射源定位方法与系统

技术领域

本发明涉及无线电监测技术，具体的讲，涉及一种飞机的无线电发射源定位方法与系统。

背景技术

自2004年4月以来，民用航空频段时常受到地面的人为恶意无线电信号的干扰，严重威胁到民航客机的飞行安全。人为恶意干扰的查找难度很大，目前针对这种干扰源的定位主要采用在地面布设监测站的方法，通过多个监测站测向系统的测向结果实现交叉定位，确定干扰源的位置。

然而在实际应用中，由于监测测向系统的天线架设高度有限，受地球曲率、地表建筑物和树木植被等的影响，导致监测测向系统的监测覆盖范围为一个非常小的区域内(监测覆盖半径一般小于30平方公里)；而高空飞行的民航飞机假如受到同频干扰，干扰源可能存在的区域范围极大(约为半径200公里的圆形区域)。因此如果利用现有的监测测向系统定位干扰源，就必须采取大面积布设监测测向站的方法，带来的问题一是投资巨大，二是系统运行维护成本很高。如果在飞机上安装监测、测向设备进行空中监测，由于飞机改造成本非常高，同样存在投资巨大的问题；不仅如此，由于干扰的出现是随机的，必须多次重复执行飞行任务，整个系统的运行维护成本也非常高，而且有可能影响正常的空中飞行秩序。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线电发射源定位方法与系统，尤其是针对所述发射源为无线电干扰源的情况，通过捕捉干扰信号经民航飞机散射后落到地面的信号，利用飞机运动产生的多普勒频移等信息计算确定干扰源的位置，从而解决现有的地面无线电干扰系统难以直接接收到地面干扰信号、覆盖范围小，费用高的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种无线电发射源定位方法，其包括如下步骤：

a.通过方向性天线接收飞机对发射源的散射信号；

b.记录散射信号的频谱及其对应的时间，并根据所述的频谱及时间信息，获取多普勒频移；

c.根据所述多普勒频移及飞机的飞行状态，计算发射源的位置，从而实现对所述干扰源的定位。

其中，步骤a还包括：根据飞机散射截面积选择地面监测点、方向性天线的水平方向角度及仰角。

步骤a之后、步骤b之前还包括：对接收的散射信号进行滤波与放大处理；

所述多普勒频移包括：发射源信号到达飞机时的多普勒频移与到达飞机的发射源信号再散射到地面时的多普勒频移。

步骤c中飞机的飞行状态包括：飞行高度、速度和位置。

所述飞行状态根据飞机发射的信号到达地面时的多普勒频移计算得到。

一种无线电发射源定位系统，其包括：

方向性天线、接收机及数据处理装置；

所述方向性天线，用于接收飞机对发射源的散射信号；

所述接收机，用于记录所述散射信号的频谱及其对应的时间，所述接收机具有数据输出接口，用于输出数据；

所述数据处理装置，用于对接收机输出的频谱及时间数据进行数字处理，计算干扰信号的多普勒频移，并根据所述多普勒频移及飞机的飞行状态计算发射源的位置，从而完成发射源的定位。

所述系统还包括：滤波器和低噪声放大器，所述方向性天线接收的所述散射信号经滤波器滤波和低噪声放大器放大后输入到所述接收机。

所述方向性天线的增益大于12dBi。

所述接收机的频率分辨率优于1Hz。

本发明的有益效果在于，根据本发明的无线电发射源定位方法和系统，有效解决了民航通信频率干扰源的查找问题，本发明的干扰源定位不仅覆盖范围大，仅需要一个监测站即可覆盖飞机所有可视区域；而且不需要对飞机进行改动，也不会影响民航正常飞行，节约了投资；并且采用单站即可实现定位，机动性强，又节约了维护成本。

附图说明

图1为本发明的无线电干扰源定位系统的结构框图；

图2为物体散射的示意图；

图3为本发明实施例中计算飞机位置建立的坐标系；

图4a与图4b分别为本发明实际测量得到的散射信号的瀑布图。

具体实施方式

为了更深入的了解本发明，下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

在本发明的实施例中以无线电干扰源为例进行说明，但本发明的发射源并不限定于干扰源，还包括任何通过本发明的方法和装置可以监测到的发射源。

本发明是通过接收飞机对干扰源的散射信号，从接收到的散射信号中提取其多普勒频移信息，利用多普勒频移信息对干扰源进行定位。本发明所述的飞机不仅包括传统定义上的飞机，还包括其它的空中飞行器。

图1为本发明的无线电干扰源定位系统的结构框图。如图1所示，本发明的地面架设的无线电干扰源定位系统包括：

天线，用于接收飞机对干扰源的散射信号，由于要实现信号的远距离接收，因此本实施例采用的是高增益方向天线，例如对数周期天线或天线阵，要求增益大于12dBi；

滤波器，用于对天线接收的散射信号进行滤波，滤除通带之外的无用信号，本实施例采用的是民航专用频段(108MHz至137MHz)的专用带通滤波器，要求具有较低的插入损耗以及良好的波形系数和抑制比；

低噪声放大器，用于放大所述的散射信号，本实施例采用的是民航频段(108MHz至137MHz)的专用放大器，要求绝对低噪和一定的放大倍数。

高灵敏度数字接收机，要求在民航专用频段内具有很高的接收灵敏度，能够以极高的频率分辨率(至少优于1Hz)显示并长时间记录信号的频谱，在记录的同时对每一时刻的频谱打上时间标记，同时提供数字通道，以与计算机等装置相连，便于后期分析和处理。

数据处理装置，本实施例中为高性能计算机，用于完成数字接收机输出信号的数字处理，包括计算输入信号的多普勒频移和干扰源位置，并提供良好的人机界面。

通过所述的系统，便可以实现无线电干扰源的定位。本发明的无线电干扰源定位方法包括：

1)选择地面监测点并确定监测范围

接到民航部门的干扰申诉后，根据民航部门报告的干扰出现位置确定干扰源的大致范围，然后根据飞机的散射截面积，结合航线分布和地面情况，选择地面监测点和方向性天线的水平方位角度及仰角。

选择的依据为：保证在所选择的地点和对应的天线角度上能够以尽可能大的概率捕捉到覆盖区域内干扰源的散射信号，即对于覆盖区域内大多数点对应的入射角度，以及相应的散射角度下的散射截面积(RCS)较大。例如，民航客机在120MHz频率受到干扰，我们可以调用120MHz频率处的雷达散射截面积资料，针对每一个散射角度(例如每隔5度为一个步进)，统计在该频率、该散射角度下所有入射角度对应的RCS，检查这些RCS大于某个预定门限值的概率。可以穷举所有的散射角度，找出概率最大的那一个，于是得到最佳地面监测站位置相对于飞机的角度；结合民航飞机受到干扰的位置，通过上述最佳角度就可以得到地面监测站的位置。

飞机散射截面积可以事先通过计算机仿真软件计算得到。下面介绍飞机散射截面积的计算。

当物体被电磁波照射时，能量将朝各个方向散射。能量的空间分布依赖于物体的形状、大小和结构以及入射波的频率和特性。能量的这种分布称为散射，物体本身通常称为目标和散射体。如图2所示，当散射方向不是指向辐射源时，称为双站散射，本发明主要考虑双站散射的情况。

飞机雷达散射截面的定义是基于平面波照射下目标各向同性散射的概念，对于这样一种波，其入射能量密度是 $W_i=\frac{1}{2}{E}_i{H}_i=\frac{1}{2}{Y}_0{\left|E_i\right|}^2;$ 式中E_i和H_i分别是入射电磁波的电场强度和磁场强度，Y₀是自由空间的导纳。因此，目标截取的总功率为 $P=\mathrm{\σ}{W}_i=\frac{1}{2}\mathrm{\σ}{Y}_0{\left|E_i\right|}^2.$ 式中σ代表目标的散射截面。

如果现在这些功率各向同性地辐射出去，则在距离目标为R的远处，其散射功率密度为：

$W_s=\frac{P}{{4\mathrm{\πR}}^2}=\frac{{\mathrm{\σY}}_0{\left|E_i\right|}^2}{{8\mathrm{\πR}}^2}---\left(I\right)$

然而，散射功率密度又可由散射电场E_s表示：

$W_s=\frac{1}{2}{Y}_0{\left|E_s\right|}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

令式(I)和(II)式相等，可得到 $\mathrm{\σ}={4\mathrm{\πR}}^2\frac{{\left|E_s\right|}^2}{{\left|E_i\right|}^2}.$

因为入射波是平面波，并且由于假定目标等效于点散射体，所以距离R应该趋于无穷大。因而，雷达散射截面公式可更严格地写为 $\mathrm{\σ}=\underset{R\→\∞}{\lim }{4\mathrm{\πR}}^2\frac{{\left|E_s\right|}^2}{{\left|E_i\right|}^2}.$ 这就是雷达散射截面的基本定义。

我们采用现有的计算散射截面的计算机仿真软件(如有限元仿真软件)，选择典型的民航飞机机型，在民航专用频段内来计算民航客机在不同的入射、散射角度下的雷达散射截面积(RCS)：

①建立准确的飞机模型，来仿真民航飞机散射电磁场的特性。对于有限元算法，需要设置辐射边界，即限定有限元迭代计算的空间区域，该边界与我们建立的飞机模型的距离必须大于1/4波长(波长可通过所选择的频率进行折算)，辐射边界最好与模型的形状相似；

②设置入射波(干扰信号)的方向，并设置入射波的性质，我们选择的是垂直极化的球面波；

③设定需要计算的特定频率点；

④设定迭代步骤和相应的终止条件(误差范围)；

⑤开始迭代计算过程，求得飞机模型的表面电流；

⑥迭代计算结束后，设置散射波的方向范围并开始RCS的计算，可以一次性计算出前面设置的入射波方向情况下所有散射方向的RCS。

⑦保存结果。

⑧改变频率、入射波方向等参数，重复上述计算。

通过上述过程，我们可以得到不同型号的民航客机、不同入射角度、不同频率下的各散射方向雷达散射截面积。

2)多普勒频移获取

选定地面监测点后，在相应位置架设地面监测站。首先通过精确的时间参考源(例如GPS)对所有接收、记录分析设备进行时间校准，保证时间上的完全同步性。当出现干扰信号时，通过高增益方向性天线接收干扰信号经飞机散射后落到地面的散射信号，经本发明定位系统的专用滤波器滤波并经专用放大器放大后，由所述高灵敏度数字接收机观察并记录干扰出现期间散射信号的频谱，同时记录相应的精确时间。记录结果如图4a和图4b所示。

图4a和图4b为两次试验测得的飞机散射信号随时间变化的瀑布图，横轴为频率，纵轴为时间(已经过GPS时间校准)。其中，标注了点的曲线才是有用数据，其为实测数据，是由于飞机高速运动产生的多普勒效应，地面干扰信号到达飞机后再散射到地面监测站的信号的频率随时间变化的轨迹。而未用点标注的曲线在本发明中为无关接收信号。通过读取上图中频率随时间变化的轨迹，可以得到不同时间点对应的频率，该频率是飞机高速运动的多普勒效应引起的。

3)干扰源定位

定位地面干扰源一共需要两个步骤，第一步是确定飞机在任意时刻的位置，第二步是确定地面干扰源的位置。下面分别阐述。

(1)确定飞机在任意时刻的位置。

为了定位地面干扰源，首先需要确定飞机的飞行状态，包括飞行高度、速度和位置。如果能从其他途径获取飞机在任意时刻的飞行状态(如民航部门提供)，则不需要进行下面关于飞机位置的计算；否则，我们将通过飞机自身发射信号带来的多普勒频移对飞机进行定位，关于飞机位置的计算如下。

通过下面的分析可以看出，对于匀速直线运动的飞机，已知飞行高度时，通过对飞机自身发射信号进行4次采样，则可以利用多普勒频移计算出飞行速度和位置。

建立图3所示的坐标系。设原点为监测站位置，xy平面为地面；假设飞机匀速直线飞行，航线平行于x轴，飞行高度为h[米]，航线在地面投影与监测站的偏离量为y_p[米]，第i时刻飞机的坐标为(x_i[米]，y_p[米])，干扰源坐标为(x_g[米]，y_g[米])；图中角度α_i为第i时刻飞机和干扰源连线与飞行方向的夹角，β_i为第i时刻飞机和监测站连线与飞行方向的夹角。

假设飞机在飞行过程中发射频率为f₀[赫兹]的信号。由于存在直射波，从监测站可以很容易地接收到这些信号(f_0geti[赫兹])：

f_0geti＝f₀+Δf_0i                  (1)

其中Δf_0i为第i时刻频率f₀的信号到达地面时的多普勒频移。

$\mathrm{\Δ}{f}_{0i}=\frac{v}{c}\·\cos {\mathrm{\β}}_i\·f_0=\frac{v}{c}\·\frac{-x_i}{\sqrt{x_i^2+h^2+y_p^2}}\·f_0---\left(2\right)$

其中v[米/秒]为飞行速度，x_i[米]为第i时刻飞机位置的x坐标，c为电磁波传播速度(3×10⁸米/秒)。将(2)代入(1)式得到：

$\frac{v}{c}\·\frac{-x_i}{\sqrt{x_i^2+h^2+y_p^2}}\·f_0=f_{0\mathrm{geti}}-f_0---\left(3\right)$

为了减少未知数的个数，将x_i＝x₀+v×t_0i代入(3)。其中x₀[米]为0时刻飞机的x坐标，t_0i[秒]为f₀频率第i个采样时刻。由于f₀准确值未知，通过消元法去掉未知数f₀，得到下列三元方程组：

$\frac{\frac{c}{v}+\frac{-(x_0+v\·t_{01})}{\sqrt{{(x_0+v\·t_{01})}^2+h^2+{y_p}^2}}}{\frac{c}{v}+\frac{-(x_0+v\·t_{0i})}{\sqrt{{(x_0+v\·t_{0i})}^2+h^2+{y_p}^2}}}=\frac{f_{0\mathrm{get}1}}{f_{0\mathrm{geti}}},$ 其中i＝2，3，4               (4)

求解方程组(4)，可得x₀、y_p、v。根据x₀和v，可以求得任意时刻飞机的位置。

(2)确定地面干扰源的位置

通过前面的计算，我们获得了任意时刻飞机的位置及飞行速度。利用上述信息和对干扰频率f_g三次采样的信息便可以计算地面干扰源的位置。

①第j时刻干扰信号到达飞机时的多普勒频移为：

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{gj}}=\frac{v}{c}\·\cos a_i\·f_g=\frac{v}{c}\·\frac{x_g-x_j}{\sqrt{{(x_j-x_g)}^2+{(y_g-y_p)}^2+h^2}}\·f_g---\left(5\right)$

其中，f_g[赫兹]为干扰信号的频率，(x_g[米]，y_g[米])为干扰源坐标，(x_j[米]，y_p[米])为第j时刻飞机的坐标，其他参数的意义同前。

②第j时刻(t_j)到达飞机的干扰信号再散射到地面时，造成的多普勒频移为：

$=\frac{v}{c}\·\frac{-x_j}{\sqrt{x_j^2+h^2+y_p^2}}\·[f_g+\frac{v}{c}\·\frac{x_g-x_j}{\sqrt{{(x_j-x_g)}^2+{(y_g-y_p)}^2+h^2}}\·f_g]$

$=f_g[\frac{v}{c}\·\frac{-x_j}{\sqrt{x_j^2+h^2+y_p^2}}+{\left(\frac{v}{c}\right)}^2\text{\·}\frac{x_g-x_j}{\sqrt{{(x_j-x_g)}^2+{(y_g-y_p)}^2+h^2}}]$

由于(v/c)远小于1，略去上式中方括号内带有(v/c)²的第二项，得到：

③建立方程组求解干扰源位置：

对于频率为f_g的干扰信号，在第j时刻经过飞机散射后到达地面时的接收频率为：

其中f_getj[赫兹]为第j时刻(t_j)在地面接收到干扰源散射信号的频率。

将(5)、(6)式代入，得到：

$f_g\·[1+\frac{v}{c}\·\frac{x_g-x_j}{\sqrt{{(x_j-x_g)}^2+{(y_g-y_p)}^2{h}^2}}+\frac{v}{\text{c}}\text{\·}\frac{-x_j}{\sqrt{x_j^2+h^2+y_p^2}}]{=f}_{\mathrm{getj}}---\left(7\right)$

其中j＝1，2，3。

上述方程组中只有x_g、y_g、f_g三个未知数，其余参数均已知。求解此三元方程组，可以获得地面干扰源的位置(x_g，y_g)。

由于匀速直线运动的对称性，求得的干扰源位置必然有两组，分别对称分布在航线两侧。通过实际排查，从两个位置中找到实际干扰源的位置。

2005年5月，国家无线电监测中心相关研究人员在河北霸州成功地多次捕获民航飞机散射信号，证明了利用散射信号对地面干扰源进行定位的可行性。

2005年8，国家无线电监测中心技术人员组成的研究小组在河北霸州民航飞行航线附近，利用飞机散射信号对民航频段无线电干扰源进行现场可行性定位测试验证，连续捕获机场气象同播和地面通信频率的飞机散射信号，并通过对采集的数据进行分析和处理，成功地对位于首都机场的气象同播信号进行了定位。

对干扰源的定位结果表明，定位误差小于20km(最大误差18km)，这表明利用民航飞机散射信号对地面干扰源进行定位的方法已经取得成功。

本发明的干扰源定位方法及系统并不限于实施例中所述的对飞机的干扰源进行定位，同样适用于其他飞行器可视范围内的地面干扰。

由于监测站与高空飞行的民航飞机之间无遮挡物存在，其监测飞机散射的信号覆盖范围远远大于现有的普通地面监测测向站，其最大覆盖半径可以达到150公里左右，彻底解决了现有的地面监测测向站覆盖范围小的问题。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、覆盖范围大。

由于干扰源到达飞机的路径以及飞机到达监测站的路径都不存在遮挡，理论上只需要一个监测站即可覆盖飞机所有可视区域。

2、不需要对飞机进行改动，不影响民航正常飞行，节约了投资。

本监测系统仅需要接收民航飞机这个金属体散射到地面的信号，因而不需要对民航飞机进行任何改动，也不会影响民航的正常飞行，系统的建设成本较低。

3、采用单站即可实现定位，机动性强，节约运行维护成本。

本系统只需要在地面布置一个监测站即可实现干扰源的定位工作，具有灵活机动、便于拆装的优点。相对于在监测区域内广泛布置多个监测站，大大节约系统的运行维护成本。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (12)

1.一种无线发射源定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.通过方向性天线接收飞机对发射源的散射信号；

b.记录散射信号的频谱及其对应的时间，并根据所述的频谱及时间信息，获取多普勒频移；

c.根据所述多普勒频移及飞机的飞行状态，计算发射源的位置，从而实现对所述发射源的定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤a还包括：根据飞机散射截面积选择地面监测点、方向性天线的水平方向角度及仰角。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤a之后、步骤b之前还包括：对方向性天线接收的散射信号进行滤波与放大处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述飞机的飞行状态包括：飞行高度、速度和位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述飞行状态根据飞机发射的信号到达地面时的多普勒频移计算得到。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述多普勒频移包括：发射源信号到达飞机时的多普勒频移与到达飞机的发射源信号再散射到地面时的多普勒频移。

7.一种无线发射源定位系统，其特征在于包括：

方向性天线，用于接收飞机对发射源的散射信号；

接收机，用于记录所述散射信号的频谱及其对应的时间，所述接收机具有数据输出接口，用于数据输出；

数据处理装置，用于对接收机输出的频谱及时间数据进行数字处理，计算发射源信号的多普勒频移，并根据所述多普勒频移及飞机的飞行状态计算发射源的位置，从而完成发射源的定位。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于还包括：滤波器和低噪声放大器，所述方向性天线接收的所述散射信号经滤波器滤波和低噪声放大器放大后输入到所述接收机。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述方向性天线的增益大于12dBi。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述接收机的频率分辨率优于1Hz。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述多普勒频移包括：发射源信号到达飞机时的多普勒频移与到达飞机的发射源信号再散射到地面时的多普勒频移。

12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

所述飞机的飞行状态包括：飞行高度、速度和位置。

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