CN104486015B - 海上电磁空间频谱态势构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上电磁空间频谱态势构建方法及系统，所述方法包括：根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备；对所述待观测区域进行网格划分，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值；将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，得到所述待测区域中的电磁空间能量分布。本发明通过选择特定的电磁信号传播模型，采用空间网格化的能量计算方式，能够精确地计算海面电磁空间的能量值，并且通过等值线进行可视化绘制，从而可以清楚地观察到海上电磁空间的能量分布。

Description

海上电磁空间频谱态势构建方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种海上电磁空间频谱态势构建方法及系统。

背景技术

随着电磁技术和用频设备的广泛应用，海面电磁环境变得日益复杂、电磁频谱资源越来越重要，这在很大程度上体现在对电磁环境认知和全面电磁态势的需求。电磁态势覆盖了从辐射源信息融合到频谱资源调配，准确认识海面电磁环境，并在态势理解和态势展现的基础上生成全面的电磁态势，便于保障海面各类船只上多种用频设备的可靠工作。

复杂海面电磁环境下，各类信息化船只将产生的多样式、全频域、高密度、大功率的电磁辐射信号，构成时空交错、频率拥挤、功率分布不均匀的复杂电磁空间。通常这些信号是由雷达、通信、导航电子设备辐射出的，随着装备系统的发展，辐射出的信号样式多样，信号幅度也更加复杂多变，从而使得电磁环境变得日益复杂多变。

目前国内外对于电磁态势的研究主要集中在辐射源识别、雷达覆盖范围展现、电磁环境可视化、电磁环境复杂度评估等几个方面。这些技术手段大多立足于电磁态势生成中的某些关键技术的研究，如雷达覆盖范围只针对雷达用频效能进行分析，电磁环境可视化也大多以频域或覆盖范围的方式进行展示，不能充分体现电磁态势各种域上的要素与关联特征。

一篇专利号为CN 103149457 A的专利提出的空间电磁强度分布分析方法，具体为根据测试点的位置，计算该点与每一部设备之间的相对距离和相对方位，根据合成信号的公式计算测试点的时域信号，进而通过对时域信号进行傅里叶变换，获得测试点处空间合成信号的频域能量分布。此方法考虑的前提是基于信号自由空间传播，属于相对理想的传播环境，既没有针对陆地环境或者海洋环境进行修正，因此路径损耗计算上与实际传播相比出入较大，计算结果存在一定程度的不准确。

目前对于电磁空间频谱态势的可视化展现，更多采用的是基于自由空间传播模型，计算往往不够准确，误差较大。另外，现有技术更多关注的是陆地环境下电磁空间的频域能量分布，对于海面环境情况则缺少相关研究。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种海上电磁空间频谱态势构建方法及系统，通过选择特定的电磁信号传播模型，采用空间网格化的能量计算方式，能够精确地计算海面电磁空间的能量值，并且通过等值线进行可视化绘制，从而可以清楚地观察到海上电磁空间的能量分布。

根据上述目的，本发明提供了一种海上电磁空间频谱态势构建方法，其特征在于，所述方法包括：

根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备；

对所述待观测区域进行网格划分，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值；

将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，得到所述待测区域中的电磁空间能量分布；

其中，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值的具体过程包括：

计算当前无线电设备到每个所述网格的网格中心的距离；

使用预设的电波传播模型，根据所述当前无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比以及所述距离，计算所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强；

根据所述场强与所述当前无线电设备的频率，计算所述当前无线电设备到每个所述网格中心的路径损耗；

根据所述当前无线电设备的发射功率、发射天线增益以及所述路径损耗，计算所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值；

其中，所述方法还包括：

通过等高线方法将所述待测区域的电磁空间能量分布形成电磁空间频谱态势图。

其中，所述路径损耗的计算公式为：

L_b＝139.3-E+20logf

其中，E为所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强，f为所述当前无线电设备的工作频率。

其中，所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值的计算公式为：

P＝P_t+G_t-L_b

其中，P_t为所述当前无线电设备的发射功率，G_t为所述当前无线电设备的发射天线增益，L_b为所述路径损耗。

其中，所述电波传播模型为国际电联ITU-R P.1546建议书。

根据本发明的另一个方面，提供一种海上电磁空间频谱态势构建系统，其特征在于，所述系统包括：

查找模块，用于根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备；

网格划分模块，用于对所述待观测区域进行网格划分；

能量值计算模块，用于计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值；

累加模块，用于将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，得到所述待测区域中的电磁空间能量分布；

其中，所述系统还包括：

频谱态势图生成模块，用于通过等高线方法将所述待测区域的电磁空间能量分布形成电磁空间频谱态势图。

其中，所述能量值计算模块具体包括：

距离计算单元，用于计算当前无线电设备到每个所述网格的网格中心的距离；

场强计算单元，用于使用预设的电波传播模型，根据所述当前无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比以及所述距离，计算所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强；

路径损耗计算单元，用于根据所述场强与所述当前无线电设备的频率，计算所述当前无线电设备到每个所述网格中心的路径损耗；

能量值计算单元，根据所述当前无线电设备的发射功率、发射天线增益以及所述路径损耗，计算所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值。

根据本发明的有一个方面，提供一种无线电设备的信号覆盖范围的计算方法，其特征在于，所述方法包括：

根据上述方法计算选定的无线电设备在设定区域的能量分布；

根据所述无线电设备的接收天线增益、接收机灵敏度计算所述无线电设备的最小接收信号强度；

根据所述最小接收信号强度、所述无线电设备的发射功率、发射天线增益计算所述无线电设备到最小接收信号强度的位置的路径损耗；

利用所述路径损耗，采用设定的电波传播模型计算所述最小接收信号强度的位置到所述无线电设备的距离。

本发明所述的海上电磁空间频谱态势构建方法及系统，通过选择针对海洋环境进行修正的电磁信号传播模型，并对带观测区域的网格化划分，能够更加精确地计算海上电磁空间的能量值，同时，通过等值线进行可视化绘制，从而可以清楚地观察到海上电磁空间的能量分布，并且可视化结果更适用于真实环境。另外，根据本发明的电磁空间频谱态势可视化构建方法还可以计算无线电设备的信号覆盖范围。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明的海上电磁空间频谱态势构建方法的流程图。

图2示出了本发明的海上电磁空间频谱态势构建方法的步骤S2的流程图。

图3示出了本发明的一个实施例的电磁空间频谱态势图。

图4示出了本发明的海上电磁空间频谱态势构建系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的海上电磁空间频谱态势构建方法，首选针对海上环境选择合适的电磁信号传播模型，在本实施例中，计算海上电磁空间的能量分布，使用了一种适用于海面环境的电磁信号传播模型，采用电波传播模型是国际电联ITU-R P.1546建议书。该建议书适用的对象是地面业务，针对的场景是点对面，即以一点向空间中辐射，同时支持频率范围30MHz至3000MHz、有效发射天线高度小于3000m、路径长度在1-1000km的海面路径电磁信号传播。内插和外推公式是该建议书对于数学模型的构建方法，内插和外推公式是用于计算场强与频率、天线高度、时间百分比和距离四个参量的关系。内插的前提是要知道在这四个参量不同组合的情况下的一些已测数据，然后通过比对所要计算的不确定点的区间位置，然后根据两个已测的两个端点拟合出当前不确定点的场强大小。而外推就是表示当前需要计算的数据已经大于已测数据边界值，然后根据边界值进行拟合计算的方法。

在计算过程中，待观测区域中的无线电设备指的是带观测区域中的船只上的各种无线电设备，每个设备都必须根据出航需要详细记录设备信息。

因此，必须从预先建立的数据库中选择相应设备的数据，包括：舰船编号、舰船型号、设备编号、设备型号，用频设备信息包括舰船设备型号、功能分类、工作频带、天线高度、时间百分比、平均功率、工作状态、作用距离、天线是否具有方向性(如果天线具有方向性，需明确指向方向、波束角大小)。其中，设备型号和功能分类是用来区分和识别不同种类的设备，并明确归属舰船编号。设备作用距离用来展示舰船设备覆盖范围的影响。工作状态这里采取的是规定舰船设备的开始和结束时间。平均功率用于计算每个设备对于空间中每一点的能量影响情况。方向性是由设备自己本身决定的，只在波束指向范围之内才会有信号存在，范围之外不存在，方向性对于整个无线信号空间能量分布的影响明显。

然后考虑需要确定电磁频谱态势的展现形式，对于描述电磁环境的基本属性的参量较多，包括：场强、频率、幅度、信号能量、调制方式等。根据不同的需要，参数需求也完全不同。本发明的方法采用能量(功率)来构建并展示频谱态势图，其优点是若发现空间中某一区域内信号能量很强，证明此区域内存在大功率信号，那么此时小功率信号的发射和接收就会受到大功率信号严重干扰甚至湮没。因此，在发现大信号的位置后，可以有效避免或减少小信号被大信号湮没的情况。另外，针对不同类型的辐射源，可以依据其发射功率和其他相关因素绘制其作用范围。

在连续空间中定量表征电磁场效应在理论上是可行的，但受计算开销和存储开销的制约，实现起来难度很大，离散化分区可以解决这一问题。为了简化模型，本发明以网格的方式划分二维空间，将对整个电磁环境的表征转化为对离散点电磁效应集合的表征。由于网格划分的粒度越细，电磁环境模拟的精度越高，但是会增加计算开销和存储开销。因此，针对不同的应用场景制定合适的网格划分颗粒度，以达到计算开销和展现精度的平衡。

在本实施例中，频谱态势图表现得是某个预设的频点，即工作频率，按照上述要求将二维平面网格化，通过二维坐标表征地理位置，用以模拟当前状态下船只在海面的分布情况。接收到输入的船只位置(经纬度)后，首先确定网格化的二维平面参考点所对应的经纬度，然后根据舰船位置信息换算出舰船在网格化的二维平面中所对应的坐标,将船只的位置信息标记在二维平面中。对于频谱态势图的区域能量展示采用等高线方法利用不同颜色标记不同高度的方法标记能量大小，相当于将第三维坐标用不同颜色来展现。这样可以展现出当前船只各种用频设备对当前空间场强分布的影响，获得整个空间的电磁频谱分布图，准确判断空间中不同区域的能量大小。

确定展示的频点后，根据这些数据并结合电波传播模型即可得到每个设备的无线电信号在二维平面每个点处的能量大小。

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明的海上电磁空间频谱态势构建方法的流程图。图3示出了本发明的一个实施例的电磁空间频谱态势图。

参照图1，本发明的海上电磁空间频谱态势构建方法包括：

S1，根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备。

在实施例中，待观测区域中的无线电设备指的是带观测区域中的船只上的各种无线电设备。在查找无线电设备时，首先需要判断设定的工作频率是否在此设备的工作频段中，如果不在的话，就不需要考虑此设备对于整个空间的能量分布，如果在，需要对设备的工作状态进行判定，判断设备此时是否正在工作，若设备没有工作则无需考虑，只有当前时刻此设备正在工作时才被考虑。因此查找的无线电设备必须满足上述条件，才可以作为有效的无线电设备进行计算。

S2，对待观测区域进行网格划分，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值。

在查找到无线电设备后，需要计算每个无线电设备在每个网格中心的能量值，以下为一个无线电设备为例，进行详细描述。

图2示出了本发明的海上电磁空间频谱态势构建方法的步骤S2的流程图。

参照图2，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值的具体过程包括：

S21，计算当前无线电设备到每个所述网格的网格中心的距离；

在确定无线电设备满足以上两个条件之后，首先需要从数据库中取出该无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比这三个参数。其次需要将观测区域根据频谱态势展示精度进行网格化划分，以中心点坐标代替划分后的小网格，以当前设备所在船只的位置为辐射源发射位置，计算出待观测区域中各网格中心点到辐射源发射位置的实际距离。

S22，使用预设的电波传播模型，即国际电联ITU-R P.1546建议书，根据当前无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比以及上述距离这四个参数，计算当前无线电设备在辐射源1kW有效辐射功率(e.r.p)场强值下各网格中心点的场强大小。

S23，根据所述场强与所述当前无线电设备的工作频率，计算所述当前无线电设备到每个所述网格中心的路径损耗；

针对从辐射源到各点处的等效路径损耗，弱信号传播距离相同，其路径损耗也相同，因此，从辐射源，即当前无线电设备到空间中各网格中心点的路径损耗的计算公式为：

L_b＝139.3-E+20logf

其中，E为所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强，f为所述当前无线电设备的工作频率。

S24，根据当前无线电设备的发射功率、发射天线增益以及所述路径损耗，计算所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值；其计算公式为：

P＝P_t+G_t-L_b

其中，P_t为当前无线电设备的发射功率，G_t为当前无线电设备的发射天线增益，L_b为路径损耗。

通过上述公式，计算出在一个无线电设备影响下各网格中心点的能量值，由此得到了船上单个设备对电磁空间无线信号能量分布的影响。

S3，依据以上计算原则遍历带观测区域中的所有无线电设备，将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，计算出所有设备对于观测区域的电磁空间无线信号能量分布的影响。

S4，通过等高线方法将所述待测区域的电磁空间能量分布形成电磁空间频谱态势图，如图3所示。

图4示出了本发明的海上电磁空间频谱态势构建系统的结构框图。

参照图4，在本发明的另一实施例中，提供一种电磁空间频谱态势可视化构建系统，具体包括：

查找模块10，用于根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备；

网格划分模块20，用于对所述待观测区域进行网格划分；

能量值计算模块30，用于计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值；

累加模块40，用于将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，得到所述待测区域中的电磁空间能量分布；

频谱态势图生成模块50，用于通过等高线方法将所述待测区域的电磁空间能量分布形成电磁空间频谱态势图。

其中，所述能量值计算模块30具体包括：

距离计算单元301，用于计算当前无线电设备到每个所述网格的网格中心的距离；

场强计算单元302，用于使用预设的电波传播模型，根据所述当前无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比以及所述距离，计算所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强；

路径损耗计算单元303，用于根据所述场强与所述当前无线电设备的频率，计算所述当前无线电设备到每个所述网格中心的路径损耗；

能量值计算单元304，根据所述当前无线电设备的发射功率、发射天线增益以及所述路径损耗，计算所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值。

在本发明的另一个实施例中，使用上述海上电磁空间频谱态势构建方法可以计算无线电设备的信号覆盖范围，其计算方法具体包括：

当需要计算某个设备的信号覆盖范围时，可以从后台数据库中获取该设备的工作频率、发射功率、天线增益、方向性(发射信号的方向以及天线的方向性衰减)、天线高度、接收机灵敏度等信息。

其次，利用上述方法，根据发射功率、天线增益、方向性结合传播模型可以得到该设备信号在整个海面空间内的能量分布。

然后，根据接收天线增益、接收机灵敏度可以得到该设备能够承受的最小接收信号强度。

根据这个最小接收信号强度和发射功率、发射天线增益即可计算得到从辐射源(即该无线电设备)到达当前空间中最小接收信号强度的位置的路径损耗。

利用得到的路径损耗采用电波传播模型ITU-R P.1546-4可以计算出空间中最小接收信号强度的位置到距离辐射源的距离，从而可以得到当前无线电设备的覆盖范围。

本发明所述的海上电磁空间频谱态势构建方法及系统，通过选择针对海洋环境进行修正的电磁信号传播模型，并对带观测区域的网格化划分，能够更加精确地计算海上电磁空间的能量值，同时，通过等值线进行可视化绘制，从而可以清楚地观察到海上电磁空间的能量分布，并且可视化结果更适用于真实环境。另外，根据本发明的电磁空间频谱态势可视化构建方法还可以计算无线电设备的信号覆盖范围。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种海上电磁空间频谱态势构建方法，其特征在于，所述方法包括：

根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备；

对所述待观测区域进行网格划分，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值；

将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，得到所述待测区域中的电磁空间能量分布；

其中，计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值的具体过程包括：

计算当前无线电设备到每个所述网格的网格中心的距离；

使用预设的电波传播模型，根据所述当前无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比以及所述距离，计算所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强；

根据所述场强与所述当前无线电设备的频率，计算所述当前无线电设备到每个所述网格中心的路径损耗；

根据所述当前无线电设备的发射功率、发射天线增益以及所述路径损耗，计算所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值；

所述路径损耗的计算公式为：

L_b＝139.3-E+20logf

其中，E为所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强，f为所述当前无线电设备的工作频率；

所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值的计算公式为：

P＝P_t+G_t-L_b

其中，P_t为所述当前无线电设备的发射功率，G_t为所述当前无线电设备的发射天线增益，L_b为所述路径损耗。

2.根据权利要求1所述的海上电磁空间频谱态势构建方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过等高线方法将所述待测区域的电磁空间能量分布形成电磁空间频谱态势图。

3.根据权利要求1所述的海上电磁空间频谱态势构建方法，其特征在于，所述电波传播模型为国际电联ITU-R P.1546建议书。

4.一种海上电磁空间频谱态势构建系统，其特征在于，所述系统包括：

查找模块，用于根据设定的待观测区域，查找所述待观察区域中的无线电设备；

网格划分模块，用于对所述待观测区域进行网格划分；

能量值计算模块，用于计算每个所述无线电设备在每个网格中心的能量值；

累加模块，用于将所述待观测区域中的所有无线电设备在每个网格中心的能量值分别地累加，得到所述待测区域中的电磁空间能量分布；

所述能量值计算模块具体包括：

距离计算单元，用于计算当前无线电设备到每个所述网格的网格中心的距离；

场强计算单元，用于使用预设的电波传播模型，根据所述当前无线电设备的工作频率、天线高度、时间百分比以及所述距离，计算所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强；

路径损耗计算单元，用于根据所述场强与所述当前无线电设备的频率，计算所述当前无线电设备到每个所述网格中心的路径损耗；

能量值计算单元，根据所述当前无线电设备的发射功率、发射天线增益以及所述路径损耗，计算所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值；

所述路径损耗的计算公式为：

L_b＝139.3-E+20logf

其中，E为所述当前无线电设备在每个所述网格中心的场强，f为所述当前无线电设备的工作频率；

所述当前无线电设备在每个网格中心的能量值的计算公式为：

P＝P_t+G_t-L_b

其中，P_t为所述当前无线电设备的发射功率，G_t为所述当前无线电设备的发射天线增益，L_b为所述路径损耗。

5.根据权利要求4所述的海上电磁空间频谱态势构建系统，其特征在于，所述系统还包括：

频谱态势图生成模块，用于通过等高线方法将所述待测区域的电磁空间能量分布形成电磁空间频谱态势图。

6.一种无线电设备的信号覆盖范围的计算方法，其特征在于，所述方法包括：

根据权利要求1-3任一项所述的方法计算选定的无线电设备在设定区域的能量分布；

根据所述无线电设备的接收天线增益、接收机灵敏度计算所述无线电设备的最小接收信号强度；

根据所述最小接收信号强度、所述无线电设备的发射功率、发射天线增益计算所述无线电设备到最小接收信号强度的位置的路径损耗；

利用所述路径损耗，采用设定的电波传播模型计算所述最小接收信号强度的位置到所述无线电设备的距离。