CN106134454B - 电波环境综合监测预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电波环境综合监测预警装置。该装置设置于车/船载工作方舱内，具体包括：数据采集与预处理模块，用于对电波环境数据进行采集和预处理，并进行入库前处理；电波环境综合分析预警模块，用于根据电波环境数据，获取监测现报信息、预报警报信息、和/或效应分析信息，并进行入库前处理；电波环境数据库，用于存储和管理电波环境数据、监测现报信息、预报警报信息、和/或效应分析信息；显示控制模块，用于显示监测现报信息、预报警报信息、和/或效应分析信息；通信模块，用于实现电波环境综合监测预警系统内部的通信，以及电波环境综合监测预警系统与外部的通信；供电模块，用于为电波环境综合监测预警系统进行供电。

Description

电波环境综合监测预警装置

技术领域

本发明涉及电波传播与空间环境研究领域，特别是涉及一种电波环境综合监测预警装置。

背景技术

目前，信息技术的发展已使得现代战争向以信息平台为中心进行转变，形成了集战场指挥(Command)、控制(Control)、通信(Communication)、计算机(Computer)、情报(Intelligence)、监视(Surveillance)以及侦察(Reconnaissance)等功能于一体的电子信息网络系统(C⁴ISR系统)，制信息权已成为战争双方空间攻防对抗的最重要内容。

在空间对抗中，通信、导航、雷达、测控等电子装备信息系统将运用从短波、超短波直至微波等不同频段的无线电手段来完成信息的获取、分发、传输，这些电波信号将穿越广阔的星地空间环境，以电离层、对流层构成的空间电波环境是战场各种无线电信息的传输通道。空间电波环境将给无线电信号传播带来折射、衰减、闪烁、极化等多种影响效应，显然，空间电波环境不仅是武器装备系统设计的重要考量依据，也是在复杂电磁环境下确保其发挥最佳作战性能的重要保障条件。

目前，以美国为首的世界主要大国都在不断加强对空间电波环境的监测预警能力建设，用以支撑其武器装备电子信息系统。我国已在大陆境内建成了由十四个固定站构成的电波环境观测网，配备有电离层垂直探测、电离层斜向探测、特高频(Ultra High Frequency，简称为UHF)和L频段卫星信号监测等电波环境观测手段，可以获取多种电波环境参数。但其在支撑保障能力方面仍存在以下不足：1、观测站点有限，站间距离过大，特别是西部地区站点稀少；2、对广阔领海的空间电波环境监测保障能力尚是空白；3、机动能力缺乏，不能满足对指定区域电波环境的实地监测保障需求；4、还未能形成对区域电波环境的综合监测预警能力，因此，目前的电波环境观测网还不能够满足特殊任务对指定区域空间电波环境的实时实地综合监测预警需求。

发明内容

本发明提供一种电波环境综合监测预警装置，以解决现有技术还不能够满足特殊任务对指定区域空间电波环境的实时实地综合监测预警需求的问题。

本发明提供一种电波环境综合监测预警装置，电波环境综合监测预警装置设置于车/船载工作方舱内，电波环境综合监测预警装置具体包括：

数据采集与预处理模块，用于对电波环境数据进行采集和预处理，并对预处理后的电波环境数据进行入库前处理；

电波环境综合分析预警模块，用于根据电波环境数据，获取空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息，并对空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息进行入库前处理；

电波环境数据库，用于存储和管理电波环境数据，并存储和管理空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息；

显示控制模块，用于显示空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息，并对电波环境综合监测预警系统进行管理和控制；

通信模块，用于实现电波环境综合监测预警系统内部的通信，以及电波环境综合监测预警系统与外部的通信；

供电模块，用于为电波环境综合监测预警系统进行供电。

本发明有益效果如下：

本发明通过集成数据采集与预处理模块，可以获取电离层、对流层等二十余种电波环境参数，并基于这些参数实现了监测现报、预报警报、效应分析等电波环境监测预警功能。同时，以车/船载为机动平台，可以快速地到达指定区域对其空间电波环境态势进行实时实地监测预警，满足了在远离地面固定站或监测空白区域的电波环境监测需求的保障。由于各种电波环境参数对通信、导航、雷达、测控等信息化武器装备的无线电信号有着不同的传播效应，利用本发明实施例的多频段多手段的机动式电波环境综合监测预警装置，可以生成空间电波环境的多种监测预警信息，能够有效提升对各类武器装备系统的支撑保障能力。

附图说明

图1是本发明实施例的电波环境综合监测预警装置的结构示意图；

图2是本发明实施例电波环境综合监测预警装置的按功能模块进行划分的优选结构示意图；

图3是本发明实施例的电波环境综合监测预警装置的优选硬件集成结构示意图；

图4是本发明实施例的电波环境综合监测预警装置的电波环境综合监测预警处理的流程图。

具体实施方式

确保空间攻防对抗中的信息优势和信息安全，需要及时掌握区域空间电波环境态势，这就必须提升对空间电波环境的综合监测预警能力，为了解决现有技术还不能够满足特殊任务对指定区域空间电波环境的实时实地综合监测预警需求的问题，本发明提供了一种电波环境综合监测预警装置，该电波环境综合监测预警装置为车/船载形式的机动式，在提升信息化装备的支撑保障能力方面具有重要的应用价值和应用前景。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种电波环境综合监测预警装置，图1是本发明实施例的电波环境综合监测预警装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例的电波环境综合监测预警装置设置于车/船载工作方舱内，根据本发明实施例的电波环境综合监测预警装置具体包括：数据采集与预处理模块10、电波环境综合分析预警模块11、电波环境数据库12、显示控制模块13、通信模块14、供电模块15，以下对本发明实施例的各个模块进行详细的说明。

数据采集与预处理模块10用于对电波环境数据进行采集和预处理，并对预处理后的电波环境数据进行入库前处理；

在实际应用中，数据采集与预处理模块10需要进行本地数据采集与预处理、外部数据采集与预处理以及监测数据入库预处理，其中，本地数据是指自身监测设备所能获取的电波环境数据，包括UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC监测数据、数字测高仪探测数据、电离层斜测仪探测数据、Ku频段卫星信号监测数据、微波辐射计监测数据；外部数据是指通过各种通信手段获取的其它电波环境固定站观测数据、以及太阳、地磁活动等数据；监测数据入库是指根据机动式系统数据库管理要求，对所获取的本地和外部数据进行入库前加工。

具体地，数据采集与预处理模块10包括：本地数据采集与预处理模块、外部数据采集与预处理模块、以及数据入库处理模块，其中，外部数据采集与预处理模块用于通过通信设备获取电波环境固定监测站的观测数据，并对获取的观测数据进行预处理；数据入库处理模块用于根据电波环境数据库的要求，对本地的电波环境数据和外部的观测数据进行入库前处理。本地数据采集与预处理模块具体包括：

车/船载式小型化数字测高仪，用于垂直向上发射第一短波信号，并接收经电离层反射回来的第二短波信号；

车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置(也可以称为UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪)，用于接收不同频段的卫星下行信号；

车/船载式电离层斜向探测仪，用于接收其它电离层数字测高仪辐射的短波信号；

车/船载式Ku频段卫星信号监测仪，用于接收Ku频段的卫星下行信标；

车/船载式微波辐射计，用于测量空间水汽和液水通道的亮温；

集成监测终端，用于根据车/船载式小型化数字测高仪发送的第一短波信号和接收的第二短波信号获取电离层特性参数，根据车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置接收的卫星下行信号获取电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量，根据车/船载式电离层斜向探测仪接收的短波信号获取信号传播路径上的电离层环境信息，根据车/船载式Ku频段卫星信号监测仪接收的卫星下行信标获取卫星下行信标路径上的信号强度参数、和/或雨衰值参数，根据车/船载式微波辐射计测量的空间水汽和液水通道的亮温获取空间雨衰值参数。

在实际应用中，本地数据采集与预处理模块中的各个机动式电波环境观测设备是通过对现有的设备进行改造而获取的，以下对本地数据采集与预处理模块中的各个机动式电波环境观测设备的改造研制进行详细说明。

一、数字测高仪的小型化改造研制(即上述车/船载式小型化数字测高仪)：

数字测高仪是一种应用最为广泛的电离层环境探测手段，它通过接收其垂直向上发射经电离层反射回来的短波信号，可以获取电离层的临界频率、最小虚高等十余种电离层特性参数。

本发明实施例的车/船载式小型化数字测高仪在TYC-1型电离层垂直探测仪的基础上，重点对其发射天线系统进行技术改造，极大地降低通常用于地面固定站观测的发射天线架高(约为30米)和尺寸，改造成满足车/船载机动式观测需求的车/船载式小型化数字测高仪。车/船载式小型化数字测高仪主要技术指标包括：1、发射天线形式：Δ型天线；2、发射天线架高：约12米；3、探测频率范围：2～30MHz。

二、UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪研制(即，上述车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置)：

车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置通过接收不同频段的卫星下行信号，来获取电离层闪烁、电离层TEC等电离层环境特性参数。主要包括四频段的接收天线单元、信号接收单元以及一体化信息处理单元等部分。车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置主要技术指标包括：1、监测频率：350MHz(UHF频段)、1575.42MHz/1227.60MHz(L频段)、2491.75MHz(S频段)、3.4GHz～4.2GHz(C频段)；2、闪烁指数输出率：1个/分钟；3、TEC输出率：1个/15秒。

三、电离层斜向探测仪改造(即，上述车/船载式电离层斜向探测仪)：

电离层斜向探测仪是通过接收电离层垂直探测仪辐射的短波信号，可以反演获取信号传播路径上的电离层环境信息，包括最大可用频率(MUF)、最低频率、电离层临频和虚高值等。

车/船载式电离层斜向探测仪在电离层斜向探测仪的基础上，重点通过对其接收天线进行技术改造，改造研制成满足车/船载机动式观测需求的电离层斜向探测仪。车/船载式电离层斜向探测仪主要技术指标包括：1、接收天线形式：倒V天线(四线)；2、接收天线架高：约8米；3、接收频率范围：2～30MHz。

四、Ku频段卫星信号监测仪研制(即，上述车/船载式Ku频段卫星信号监测仪)：

车/船载式Ku频段卫星信号监测仪通过接收Ku频段的卫星下行信标，可以反演获取路径上雨衰值等参数。车/船载式Ku频段卫星信号监测仪主要包括接收天线、接收机以及信号处理等部分。车/船载式Ku频段卫星信号监测仪主要技术指标包括：1、工作频率范围：12.25GHz～12.75GHz；2、雨衰值输出率：1个/秒。

五、微波辐射计改造研制(即，上述车/船载式微波辐射计)。

车/船载式微波辐射计是一种双通道微波(Ka频段)遥感探测设备，通过直接测量水汽和液水通道的亮温，可以反演获取水汽、液水积分量、大气参数剖面、雨衰减、云衰减等。

本发明实施例的车/船载式微波辐射计在QFM-2双通道微波辐射计的基础上。通过改造研制一套具有升降云台的微波辐射计，满足了车/船载的机动式观测需求。车/船载式微波辐射计主要技术指标包括：1、工作频率：23.8GHz和31.65GHz；2、测量范围：方位角0～360度可设，俯仰角0～90度可设；3、雨衰值输出率：1个/秒。

从上述描述可以看出，本发明实施例通过改造研制五种适于车/船载的不同类型电波环境观测设备，对区域空间电波环境的机动式观测，进而可以获取多种类型的电波环境特征参数信息。

电波环境综合分析预警模块11，用于根据电波环境数据，获取空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息，并对空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息进行入库前处理；

具体地，电波环境综合分析预警模块11基于本系统实地观测数据，近/实时给出空间电波环境状态监测现报信息。具体地，电波环境综合分析预警模块11需要进行如下处理：

1、基于车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置观测，每1分钟给出区域电离层闪烁监测现报信息；

2、基于车/船载式小型化数字测高仪和车/船载式电离层斜向探测仪联合观测，每15分钟给出区域电离层foF2监测现报信息；

3、基于车/船载式小型化数字测高仪观测，每15分钟给出电离层电子浓度剖面监测现报信息；

4、基于车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置观测，每5分钟给出区域电离层TEC监测现报信息；

5、基于车/船载式Ku频段卫星信号监测仪和车/船载式微波辐射计观测，实时给出对流层雨衰监测现报信息。

随后，电波环境综合分析预警模块11基于本装置实地观测数据和其它空间环境数据，结合有关预报预警算法和模型，给出空间电波环境态势的预报警报信息。电波环境综合分析预警模块11具体进行如下处理：

1、基于电离层闪烁的实时观测数据，利用电离层闪烁短期预报方法模型，可提前给出未来1～2小时的电离层闪烁状态预报警报信息；

2、基于电离层环境观测数据和其它日地环境数据信息，利用电离层骚扰警报方法模型，可给出未来1～3天电离层暴扰动的警报信息；

3、基于电离层foF2的实时观测数据，利用电离层foF2短期预报方法模型，可每15分钟给出未来1～24小时的电离层foF2短期预报信息；

4、基于电离层TEC的实时观测数据，利用电离层TEC短期预报方法模型，可每15分钟给出未来1～24小时的电离层TEC短期预报信息。

随后，电波环境综合分析预警模块11结合各类电子信息装备系统具体特征参数和空间电波环境的现报/预报信息，给出相应的空间电波环境影响效应分析信息。电波环境综合分析预警模块11具体执行如下处理：

1、基于本系统电波环境实测数据，实时给出区域电波环境对雷达系统信号传播的路径偏移、波束展宽、法拉第旋转等影响效应信息；

2、基于本系统电波环境实测数据，实时给出区域电波环境对卫星导航系统的定位误差等影响效应信息；

3、基于本系统电波环境实测数据，实时给出区域电波环境对卫星通信系统信号传播的误码率等影响效应信息；

4、基于本系统电波环境实测数据，实时给出区域电波环境对短波通信系统的最大可用频率等影响效应信息。

最后，电波环境综合分析预警模块11根据机动式系统数据库管理要求，对所有监测现报、预报警报及效应分析等预警信息数据进行入库前加工。

电波环境数据库12，用于存储和管理电波环境数据，并存储和管理空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息；优选地，电波环境数据库为主备形式的数据库。电波环境数据库还用于：对其存储的电波环境数据进行查询，并定期备份电波环境数据。

在实际应用中，电波环境数据库12的数据管理基于Oracle 9i数据库系统，采用服务器和客户端的开发模式，实现对数据实时入库、对已有数据进行查询、定期备份数据库等功能。

显示控制模块13，用于显示空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息，并对电波环境综合监测预警系统进行管理和控制；

优选地，显示控制模块具体包括：系统管理与控制终端、KVM控制器、以及大屏幕显示器；其中，显示控制模块具体用于：系统管理与控制终端通过KVM控制器控制大屏幕显示器完成监测设备状态信息的显示，空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息的显示，历史电波环境数据的查询控制和显示，并进行显示切换控制、以及数据通信与交换的控制。

也就是说，显示控制模块13需要执行以下功能：

1、基于机动式系统各种监测数据，以图形、数据列表和文本等形式显示各监测设备主要观测参数信息和设备状态信息；

2、基于上述综合分析预警结果，以图形、数据列表和文本等形式显示监测现报、预报警报和效应分析等信息；

3、基于电波环境数据库，根据查询请求，以数据表格、文本等形式显示历史数据信息的查询结果；

4、基于KVM控制器，根据操作要求，进行各种显示需求的自由切换控制；

5、基于网络通信协议，根据数据通信需求，进行数据通信与交换的控制。

通信模块14，用于实现电波环境综合监测预警系统内部的通信，以及电波环境综合监测预警系统与外部的通信；

优选地，通信模块14具体包括：局域网络交换机，用于实现电波环境综合监测预警装置内部的通信；外部通信设备，用于通过通信接口实现电波环境综合监测预警装置与外部的通信；路由器，用于为外部通信设备提供路由服务。

供电模块15，用于为电波环境综合监测预警系统进行供电。优选地，供电模块具体包括：1台市电配电箱、2台蓄电池、2台柴油发电机。图2是本发明实施例的电波环境综合监测预警装置的优选硬件集成结构示意图。在实际应用中，根据本发明实施例的电波环境综合监测预警装置如图2所示。

图3是本发明实施例电波环境综合监测预警装置的按功能模块进行划分的优选结构示意图，如图3所示，包括数据采集与预处理模块、电波环境综合分析预警模块、显示控制模块、以及数据库管理与维护模块，其中，数据采集与预处理模块的功能包括：处理外部数据、处理本地数据、以及监测数据入库，其中，本地数据的来源包括：UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪监测数据、数字测高仪探测数据、Ku频段卫星信号监测仪监测数据、电离层斜测仪探测数据、微波辐射计监测数据。电波环境综合分析预警模块包括如下功能：监测现报、预报警报、效应分析、以及预警信息数据入库。其中，监测现报包括：电离层闪烁监测现报、电离层F2层临频监测现报、电子浓度剖面监测现报、电离层TEC监测现报、对流层雨衰监测现报，预报警报包括：电离层闪烁短期预报警报、电离层骚扰短期预报警报、电离层F2层临频短期预报、电离层TEC短期预报，效应分析包括：雷达信号传播效应分析、卫星导航传播效应分析、卫星通信传播效应分析、短波通信传播效应分析。显示控制模块包括以下功能：监测设备状态信息显示、电波环境监测预警信息显示、显示切换控制、数据通信与交换控制、历史数据信息查询控制。图3揭示了电波环境综合监测预警装置中各个功能模块所需要具备的功能，即，图3同时揭示了电波环境综合监测预警应用软件的结构。

从图3可以看出，本发明实施例的电波环境综合监测预警装置基于电波环境的实地观测数据，结合其它日地环境数据信息，能够生成区域空间电波环境态势的监测预警信息。

在实际应用中，本发明实施例的电波环境综合监测预警装置需要通过将多手段监测、数据处理与控制、网络通信等子系统及工作方舱和综合电源等辅助保障设施的硬件系统集成，并嵌入如图3所示的电波环境综合监测预警应用软件，进而构成完整的机动式电波环境综合监测预警系统。

优选地，首先需要将工作方舱、供电模块(综合电源)等辅助保障设施进行集成；具体地，将工作方舱分为微波辐射计观测区、设备机柜区和操作控制区三个功能区。其中：微波辐射计观测区用于安装集成该观测设备及其升降云台；设备机柜区用于安装集成各监测设备主机、集成监测终端、数据库服务器、网络通信设备、综合电源控制器等；操作控制区用于安装集成工作台、综合分析预警终端、系统管理与控制终端、大屏幕显示器等。综合电源由市电配电箱、2台蓄电池、2台3kW柴油发电机所组成，前两者安装集成于设备机柜区，柴油发电机安装集成于操作控制区的工作台下。

也就是说，工作方舱包括微波辐射计观测区、设备机柜区、以及操作控制区，其中，微波辐射计观测区安装有车/船载式微波辐射计及其升降云台，设备机柜区安装有数据采集与预处理模块中各监测设备的主机、集成监测终端、通信模块中的各个网络通信设备、电波环境数据库的服务器、以及供电模块，操作控制区安装有电波环境综合分析预警模块和显示控制模块。车载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置的卫星接收天线以及车载式Ku频段卫星信号监测仪的卫星接收天线安装集成在工作方舱的顶棚上方；车/船载式小型化数字测高仪的发射天线和车载式电离层斜向探测仪的天线悬挂于短波探测天线升降杆中，短波探测天线升降杆安装于工作方舱的外后侧。

随后，将监测子系统进行集成，其中，监测子系统主要由上述五类监测设备的天线、主机和集成监测终端所组成；具体地，1、卫星接收天线安装集成：包括UHF、L、S、C、Ku五个频段卫星信号接收天线，上述天线安装集成在工作方舱的顶棚上面。2、短波探测天线升降杆安装集成：升降杆安装集成在工作方舱的外后侧，用于悬挂数字测高仪和电离层斜向探测仪的天线，其升起时的离地最大高度可达16米，降下时的高度与方舱顶棚齐平。3、微波辐射计安装集成：该观测设备安装在其升降云台上，升起时可将微波辐射计完成升出舱外，可实现360度自由旋转；降下时能将观测设备完全收于工作方舱内。4、监测终端安装集成：五种监测设备共用一套集成监测终端，监测设备主机和监测终端安装集成在设备机柜区。

随后，将数据处理与控制子系统进行集成。其中，数据处理与控制子系统主要由数据库服务器、综合分析预警终端、系统管理与控制终端、监测预警信息显示器等组成。具体地，1、数据库服务器集成：数据库服务器采用一主一备份的形式，由服务器计算机和数据库管理软件组成，安装集成于设备机柜区，负责各类电波环境的观测数据、监测预警数据等信息入库管理。2、综合分析预警终端集成：综合分析预警终端由一台加固式笔记本计算机和综合监测预警应用软件组成，安装集成于操作控制区的工作台上，承担空间电波环境监测预警的各项计算、显示等任务。3、系统管理与控制终端集成：系统管理与控制终端由一台加固式笔记本计算机和系统管理与控制应用软件，安装集成于操作控制区的工作台上，承担系统管理与控制的各项操作任务。4、监测预警信息显示集成：监测预警信息显示器为一台46寸大屏幕液晶显示器，安装集成在操作控制区工作台正前方的方舱内壁上，通过VGA矩阵和KVM等控制设备完成各种信息的显示。

最后，将网络通信子系统进行集成，网络通信子系统主要由负责系统内部数据交换的局域网络交换机以及负责与外部数据信息交互的路由器、通信接口等所组成。

下面结合附图，对本发明实施例电波环境综合监测预警的处理流程进行说明，图4是本发明实施例的电波环境综合监测预警装置的电波环境综合监测预警处理的流程图，如图4所示，包括如下处理：

步骤401，采集电波环境的多种类型观测数据：

利用本装置的电波环境观测设备和网络通信能力，采集所在区域空间的电波传播环境特征参数以及太阳、地磁活动参数，具体包括：

(1)采集多种类型电波环境观测数据。

基于本系统配置的数字测高仪、UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪、电离层斜测仪、Ku频段卫星信号监测仪以及微波辐射计等观测设备，可以实地采集电离层、对流层等多种类型电波传播环境观测数据，包括电离层E、F层的临界频率和虚高、四个频段电离层闪烁指数、电离层TEC、电离层E、F层的最大可用频率以及对流层雨衰减等。

(2)采集周边地区电波环境数据和太阳、地磁活动参数。

基于本系统的网络通信能力，通过与电波环境观测网数据中心的信息交互，可以获取本系统所在周边地区的电波环境参数以及相应的太阳、地磁活动参数。

步骤402，对电波环境观测数据进行预处理：

所采集的电波环境观测数据在使用前必须进行预处理，以满足后续的预警分析要求，具体包括：

(1)异常值剔除。

由于观测环境或观测设备多径、低仰角、背景噪声等等因素影响，观测数据可能会存在一些异常值，例如，数据跳变、数据缺失等，通过设置合理数值门限和采取数据处理算法，剔除异常的观测数据。

(2)电波环境参数反演。

根据后续预警分析需求，部分电波环境观测数据还需进一步反演，如从多条路径的电离层斜向TEC转换为所测位置上空的电离层垂直TEC。

步骤403，获取监测预警所需的输入数据集：

根据不同类型的监测预警算法和模型需求，获取相应的输入数据集，主要包括电波环境观测数据、预警时间和位置信息、太阳和地磁活动数据等。

步骤404，驱动综合分析预警算法和模型，进行计算：

下面根据不同分析预警算法和模型，进行具体阐述：

(1)电离层闪烁监测现报。

基于本系统的UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪的电离层闪烁观测数据，实时对区域电离层闪烁状态进行监测现报，主要步骤包括：

(a)提取不同频段的电离层闪烁指数；

(b)给出系统有效可视空间内(仰角大于25度)的每条星地链路的电离层闪烁信息；

(c)计算系统有效可视空间内的电离层闪烁情况区域分布，并以伪彩图给出闪烁分级现报信息。表1为闪烁分级信息描述。

表1

闪烁级别	1	2	3	4
					闪烁指数S4	S4≥0.8	0.6≤S4＜0.8	0.3≤S4＜0.6	S4＜0.3
色度类型	红色	黄色	橙色	蓝色

(2)电离层foF2监测现报。

基于本系统的数字测高仪和电离层斜测仪的观测数据，实时对区域电离层foF2状态进行监测现报，主要步骤包括：

(a)提取数字测高仪探测的foF2数据和位置信息；

(b)提取电离层斜测仪探测距离不大于1000km的每条电波链路上电离层反射点的foF2数据和位置信息；

(c)由上述获取的多个位置的foF2数据，采用Kriging区域重构方法，计算出区域内每个网格点(采用0.5°×0.5°)的电离层foF2值；

(d)利用等值线方法，用伪彩图给出区域电离层foF2现报信息。

(3)电离层电子浓度剖面监测现报。

基于本系统的数字测高仪的观测数据，实时对电离层电子浓度剖面状态进行监测现报，主要步骤包括：

(a)提取数字测高仪获取的电离层虚高h′及其对应频率f(h′)信息；

(b)按下式将频率f(h′)转换为电子浓度值N_e(h′)；

N_e(h′)＝f(h′)²/80.6

(c)基于电离层虚高h′及其电子浓度N_e(h′)的数据对，重构出电离层电子浓度随高度变化的剖面图。

(4)电离层TEC监测现报。

基于本系统的UHF/L/S/C多频段电离层闪烁及TEC一体化监测仪的实地TEC观测数据，实时对区域电离层TEC状态进行监测现报，包括：

(a)提取观测设备有效视野内(仰角大于30度)的每条星地链路的电离层斜向TEC数据和穿刺点位置信息；

(b)按单层电离层薄壳模型(电离层高度取350km)，将每个穿刺点的电离层斜向TEC转换为垂直TEC；

(c)由上述获取的多个穿刺点位置的垂直TEC数据，采用Kriging区域重构方法，计算出区域内每个网格点(采用0.5°×0.5°)的电离层TEC值；

(d)利用等值线方法，用伪彩图给出区域电离层TEC现报信息。

(5)对流层雨衰监测现报。

主要是基于本系统的Ku频段卫星信号监测仪和微波辐射计的实地观测数据，实时对区域对流层雨衰状态进行监测现报，主要步骤包括：

(a)基于Ku频段卫星信号监测仪观测数据，计算Ku频段(12.25GHz～12.75GHz)雨衰值；

(b)基于微波辐射计观测数据，计算Ka频段两个频点(23.8GHz和31.65GHz)雨衰值，提取相应的方位角、仰角信息；

(c)利用等值线方法，用伪彩图给出区域对流层雨衰现报信息。

(6)电离层闪烁短期预报警报。

基于本系统获取的电离层闪烁实测数据，根据中低纬地区电离层闪烁短期预报方法(具体见国防专利申请《中低纬地区电离层闪烁短期预报方法》，受理号为200910121260.3)，对未来1～2小时区域电离层闪烁态势进行预报，并给出相应的电离层闪烁分级警报信息(分级方法参见电离层闪烁监测现报)。

(7)电离层骚扰短期预报警报。

基于太阳、地磁活动观测数据，驱动电离层骚扰短期预报方法模型，进而对未来1～3天的电离层骚扰态势进行预报警报，主要步骤包括：

(a)输入(或读取)待预报的时间和地理位置信息；

(b)输入(或读取)太阳、地磁活动数据信息，包括：当天和前1天最大太阳耀斑活动级别；前2天的最大太阳黑子的位置和类型；当天和前1天太阳10.7厘米射电流量；地磁Dst指数的前24小时最小值；地磁Ap指数的前24小时最大值与总和值、前3天和前27天的平均值。

(c)驱动预报警报方法模型，进行预报警报信息计算：

输入上述的预报时间、地理位置、太阳及地磁活动参数等数据信息，就可驱动预报警报方法模型计算出未来1～3天电离层骚扰的发生情况，并给出相应的分级警报信息。

电离层骚扰短期预报警报方法模型是基于我国大陆9个电波环境观测站长达14年的电离层foF2连续观测数据和相应的太阳、地磁活动数据，采用神经网络方法获得一组电离层骚扰预报模型参数。

用电离层foF2的相对偏差df来描述电离层扰动强弱，df由下述表达式计算得出：

$df=\frac{foF{2}_{obs}-foF{2}_{med}}{foF{2}_{med}}\×100\%$

其中，foF 2_obs是电离层foF2的观测值，foF 2_med是电离层foF2的27天滑动中值。

只有当连续6小时以上的|df|值大于15％，且期间小于15％的持续时间不长于2小时，就判定为电离层骚扰事件发生，否则为无电离层骚扰。而骚扰级别划分是根据在一次电离层骚扰事件期间，其最大扰动幅度值A进行分级，表2为分级标准描述。

表2

骚扰级别	无	弱	中	强
					正相骚扰	A≤15％	15％＜A≤50％	50％＜A≤80％	A＞80％
负相骚扰	A＞-15％	-35％＜A≤-15％	-50％＜A≤-35％	A≤-50％

(8)电离层foF2短期预报。

基于本系统获取的foF2数据和太阳活动数据，驱动短期预报方法模型，进而实时对未来1～24小时的电离层foF2态势进行预报，主要步骤包括：

(a)输入(或读取)预报的时间信息；

(b)实时读取前5小时的电离层foF2数据信息；

(c)输入(或读取)前太阳黑子数据信息；

(d)驱动短期预报方法模型，进行预报信息计算

输入上述的预报时间、电离层foF2、太阳黑子等数据信息，就可驱动短期预报方法模型计算出未来1～24小时的电离层foF2值。而电离层foF2短期预报方法模型是基于前27天的电离层foF2连续观测数据和相应的太阳黑子数据，采用神经网络方法获得一组电离层foF2预报模型参数。

(9)电离层TEC短期预报。

基于本系统获取的TEC数据和太阳活动数据，驱动短期预报方法模型，进而实时对未来1～24小时的电离层TEC态势进行预报，主要步骤包括：

(a)输入(或读取)预报的时间信息；

(b)实时读取前5小时的电离层TEC数据信息；

(c)输入(或读取)前太阳黑子数据信息；

(d)驱动短期预报方法模型，进行预报信息计算。

输入上述的预报时间、电离层TEC、太阳黑子等数据信息，就可驱动短期预报方法模型计算出未来1～24小时的电离层TEC值。而电离层TEC短期预报方法模型是基于前27天的电离层TEC连续观测数据和相应的太阳黑子数据，采用神经网络方法获得一组电离层TEC预报模型参数。

(10)雷达信号传播效应分析。

雷达信号在穿越电离层传播时，将会引起信号路径偏移、波束展宽及法拉第旋转的传播效应。基于本系统实时获取的电离层TEC数据，进而可计算出区域内雷达信号传播效应影响结果，主要步骤包括：

(a)输入雷达工作频率f和信号带宽B等信息；

(b)读取区域电离层TEC分布值；

(c)计算出雷达信号传播效应。

其中：路径偏移量S：

波束展宽ρ：ρ＝2SB/f；

法拉第效应Ω：Ω＝1.08×10²·TEC/f²

(11)卫星导航信号传播效应分析。

卫星导航信号在穿越电离层传播时，将会带来系统定位误差等传播效应。基于本系统实时获取的电离层TEC和闪烁数据，进而可计算出区域内卫星导航系统定位误差结果，主要步骤包括：

(a)获取区域内可视卫星的仰角(Ek)、方位角(Ak)信息；

(b)读取区域可视卫星链路的电离层斜向TEC和闪烁指数S4值；

(c)计算出卫星导航系统定位误差D_X。

D_X＝(G^TWG)^-1

其中，G为状态矩阵，由每颗可视卫星的仰角和方位角来确定；W为对角线矩阵，主要由电离层环境测量误差(σ_i)决定，包括电离层TEC引起的路径传播延迟误差(σ_TEC)和电离层闪烁带来的接收机测量误差(σ_S4)。

(12)卫星通信信号传播效应分析。

卫星通信信号在穿越电离层传播时，电离层闪烁环境将会引起信噪比恶化、误码率增大等传播效应。基于本系统实时获取的电离层闪烁数据，进而可计算出区域内卫星通信信号传播效应影响结果，主要步骤包括：

(a)输入卫星通信系统发、收端的特性参数，包括：卫星发射系统等效全向辐射功率[EIRP]；系统工作频率f和信号带宽[B]；接收系统品质因数[G/T]；信号比特速率[Rb]；发收端距离d。

(b)选择系统信号解调器类型(BPSK/QPSK)；

(c)读取电离层闪烁指数S4；

(d)计算出卫星通信信号传播效应。

其中：信号闪烁衰落A：

信噪比

误码率P_e：

$\begin{array}{cc}{P}_e=erfc\sqrt{{10}^{(\[C/N\]-\[R_b\]+\[B\])}}& \left(QPSK\right)\end{array}$

(13)短波通信信号传播效应分析。

短波通信是经电离层反射传播，电离层环境将影响信号传播的最大可用频率(MUF)等。基于本系统实时获取的电离层foF2和虚高h′等数据，进而可计算出区域内短波通信信号传播效应影响结果，主要步骤包括：

(a)输入短波通信系统发、收端的位置信息；

(b)读取电离层foF2和虚高的区域分布数据；

(c)计算区域内短波通信的最大可用频率。

其中：d为收发端间大圆距离。

步骤405，制备电波环境的各类监测预警信息：

基于上述综合分析预警的计算结果，以图形、表格和文本等形式制备成监测预警信息，并根据用户需求进行发布。

综上所述，借助于本发明实施例的技术方案，通过集成数据采集与预处理模块，可以获取电离层、对流层等二十余种电波环境参数，并基于这些参数实现了监测现报、预报警报、效应分析等电波环境监测预警功能。同时，以车/船载为机动平台，可以快速地到达指定区域对其空间电波环境态势进行实时实地监测预警，满足了在远离地面固定站或监测空白区域的电波环境监测需求的保障。由于各种电波环境参数对通信、导航、雷达、测控等信息化武器装备的无线电信号有着不同的传播效应，利用本发明实施例的多频段多手段的机动式电波环境综合监测预警装置，可以生成空间电波环境的多种监测预警信息，能够有效提升对各类武器装备系统的支撑保障能力。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (9)

1.一种电波环境综合监测预警装置，其特征在于，所述电波环境综合监测预警装置设置于车/船载工作方舱内，所述电波环境综合监测预警装置具体包括：

数据采集与预处理模块，用于对电波环境数据进行采集和预处理，并对预处理后的所述电波环境数据进行入库前处理；

电波环境综合分析预警模块，用于根据所述电波环境数据，获取空间电波环境状态监测现报信息、空间电波环境态势预报警报信息、和/或空间电波环境影响效应分析信息，并对所述空间电波环境状态监测现报信息、所述空间电波环境态势预报警报信息、和/或所述空间电波环境影响效应分析信息进行入库前处理；

电波环境数据库，用于存储和管理所述电波环境数据，并存储和管理所述空间电波环境状态监测现报信息、所述空间电波环境态势预报警报信息、和/或所述空间电波环境影响效应分析信息；

显示控制模块，用于显示所述空间电波环境状态监测现报信息、所述空间电波环境态势预报警报信息、和/或所述空间电波环境影响效应分析信息，并对所述电波环境综合监测预警装置进行管理和控制；

通信模块，用于实现所述电波环境综合监测预警装置内部的通信，以及所述电波环境综合监测预警装置与外部的通信；

供电模块，用于为所述电波环境综合监测预警装置进行供电。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据采集与预处理模块具体包括：本地数据采集与预处理模块以及外部数据采集与预处理模块；

所述本地数据采集与预处理模块包括：

车/船载式小型化数字测高仪，用于垂直向上发射第一短波信号，并接收经电离层反射回来的第二短波信号；

车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置，用于接收不同频段的卫星下行信号；

车/船载式电离层斜向探测仪，用于接收其它电离层数字测高仪辐射的短波信号；

车/船载式Ku频段卫星信号监测仪，用于接收Ku频段的卫星下行信标；

车/船载式微波辐射计，用于测量空间水汽和液水通道的亮温；

集成监测终端，用于根据所述车/船载式小型化数字测高仪发送的第一短波信号和接收的第二短波信号获取电离层特性参数，根据所述车/船载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量一体化监测装置接收的所述卫星下行信号获取电离层闪烁指数和/或电离层电子总含量，根据所述车/船载式电离层斜向探测仪接收的所述短波信号获取信号传播路径上的电离层环境信息，根据所述车/船载式Ku频段卫星信号监测仪接收的所述卫星下行信标获取卫星下行信标路径上的信号强度参数、和/或雨衰值参数，根据所述车/船载式微波辐射计测量的空间水汽和液水通道的亮温获取空间雨衰值参数；

所述外部数据采集与预处理模块，用于通过通信设备获取其它电波环境观测数据，并对获取的所述观测数据进行预处理；

数据入库处理模块，用于根据所述电波环境数据库的要求，对本地的电波环境数据和外部的观测数据进行入库前处理。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电波环境数据库为主备形式的数据库。

4.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电波环境数据库还用于：对其存储的电波环境数据进行查询，并定期备份所述电波环境数据。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述工作方舱包括微波辐射计观测区、设备机柜区、以及操作控制区，其中，所述微波辐射计观测区安装有车/船载式微波辐射计及其升降云台，所述设备机柜区安装有所述数据采集与预处理模块中各监测设备的主机、所述集成监测终端、所述通信模块中的各个网络通信设备、所述电波环境数据库的服务器、以及所述供电模块，所述操作控制区安装有所述电波环境综合分析预警模块和显示控制模块。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述车载式多频段电离层闪烁及电离层电子总含量监测装置的卫星接收天线以及所述车载式Ku频段卫星信号监测仪的卫星接收天线安装集成在所述工作方舱的顶棚上方；

所述车/船载式小型化数字测高仪的发射天线和所述车载式电离层斜向探测仪的接收天线悬挂于短波探测天线升降杆上，所述波探测天线升降杆安装于所述工作方舱的外后侧。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示控制模块具体包括：系统管理与控制终端、KVM控制器、以及大屏幕显示器；

所述显示控制模块具体用于：

所述系统管理与控制终端通过所述KVM控制器控制所述大屏幕显示器完成监测设备状态信息的显示，所述空间电波环境状态监测现报信息、所述空间电波环境态势预报警报信息、和/或所述空间电波环境影响效应分析信息的显示，历史电波环境数据的查询控制和显示，并进行显示切换控制、以及数据通信与交换的控制。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述供电模块具体包括：1台市电配电箱、2台蓄电池、2台柴油发电机。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通信模块具体包括：

局域网络交换机，用于实现所述电波环境综合监测预警装置内部的通信；

外部通信设备，用于通过通讯接口实现所述电波环境综合监测预警装置与外部的通信；

路由器，用于为所述外部通信设备提供路由服务。