CN106850104A - 基于无源监测的nvis快速选频系统及其方法 - Google Patents

基于无源监测的nvis快速选频系统及其方法 Download PDF

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李国军
何世彪
周晓娜
贾昕杰
李高峰
张德平
王雄
胡明辉
徐小飞
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Abstract

本发明提供了一种基于无源监测的NVIS快速选频系统及其方法，包括NVIS天线、天线共用器、通信设备以及频谱实时监测模块，频谱实时监测模块与通信设备通过天线共用器共用NVIS天线，当通信设备空闲时，频谱实时监测模块通过NVIS天线接收射频信号并分析其频谱特征，当通信设备工作时，天线共用器将NVIS天线切换至通信设备连接状态，从而实现选频与通信设备的一体化，本发明在不发射无线电探测信号的前提下，通过接收外界电离层反射信号来跟踪电离层F2层临界频率f0F2的变化趋势，实现了在通信间隙对“频谱空穴”快速捕捉，并实时对通信频率进行调整，具有选频精度高、速度快、隐蔽性强等特点。

Description

基于无源监测的NVIS快速选频系统及其方法
技术领域
本发明涉及短波通信技术领域，具体涉及一种基于无源监测的NVIS快速选频系统及其方法。
背景技术
天波与地波是高频通信的两种基本传播途径。理论条件下，地波传播距离通常不会超过80km(在实际应用中这一距离受地形限制会更短，甚至只有几公里)，而天波的传播距离通常不会低于200km。因此，距离发射点约80～200km的区域是短波电波无法覆盖的，称之为“盲区”(寂静区)，如图1所示。
NVIS(Near-Vertical Incidence Sky-wave，近垂直入射天波)是一种使用高仰角天线的传播模式，如图2所示，通过采用近90°的发射仰角并选择低于临界频率的适合频率，可建立半径为0～500公里左右的有效通信，是目前解决短波“盲区”效应的重点研究领域。但NVIS系统的有效性与选频密切相关，且与普通短波通信相比较，对选频具有更高的要求，因此选频的可靠性与时效性一直是制约NVIS系统发展的瓶颈问题之一。
按照国际惯例，NVIS的工作频率通常选择低于F2层临界频率(f0F2)10％～15％附近的频谱空穴位置。而电离层信道属于典型的时变色散信道，f0F2和频谱空穴随时都处于变化之中，因此动态的捕获f0F2和频谱空穴并实时推送给NVIS系统对其工作的有效性至关重要。目前对这两个数据的获取采用的方法及存在问题如下：
(1)临界频率
①实时探测。采用电离层脉冲探测、Chirp探测等方式获取当前电离层参数状态。优点是可以准确地获得整个频段的信道质量状况，具有较高的选频性能。但该类选频系统通常比较复杂庞大，频繁的发送探测信号，在战场环境下 对设备和人员都会带来极大的安全隐患。且通信和探测彼此分离，通信终端用户往往难以实时获得该类选频系统的发布结果，导致其时效性大大降低。
②互联网获取。分布在全球范围内的电离层探测站会将本站的探测数据周期性的发布在互联网上，通过对这些数据进行插值换算可获取本地的f0F2值。该方法精度相对较高，但需要以接入互联网为前提，军事应用的安全性较低。且从互联网上所获取的探测数据通常不是实时数据，许多站点的数据是隔日的，因此更准确的说法是“准实时”数据。
③基于统计规律的长期预报。该方法简便易行，可方便地应用到机动工作台站，但精度较低，应用到具体某一线路时往往不能取得理想的效果。
(2)频谱空穴
对短波频谱空穴的位置追踪通常采用全频段快速扫频的方式来实现，只要扫频速度足够快，就可以实现对全频段频谱空穴的快速锁定和跟踪。但此类频谱监测设备通常比较复杂庞大，且与用频设备相互分离，机动台站(尤其是背负式台站)无法实时获取监测台站数据，因此难以满足实际工作需要。由此可见，有效解决目前NVIS系统的选频问题，需要重点解决选频精度与时效性相统一的难题。即在保证选频可靠性的同时，尽量缩短选频与用频之间的时差。
发明内容
本申请通过提供一种基于无源监测的NVIS快速选频系统及其方法，在不发射无线电探测信号的前提下，通过接收外界电离层反射信号来跟踪电离层F2层临界频率f0F2的变化趋势，实现了在通信间隙对“频谱空穴”快速捕捉，并实时对通信频率进行调整，以解决现有技术中一直制约NVIS系统发展的选频可靠性和时效性的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
一种基于无源监测的NVIS快速选频系统，包括NVIS天线、天线共用器、通信设备以及频谱实时监测模块，所述频谱实时监测模块与所述通信设备通过所述天线共用器共用所述NVIS天线，当所述通信设备空闲时，所述频谱实时 监测模块通过所述NVIS天线接收射频信号并分析其频谱特征，当所述通信设备工作时，所述天线共用器将所述NVIS天线切换至所述通信设备连接状态，其中，所述频谱实时监测模块包括放大滤波单元、A/D采样器、数字下变频单元以及微处理器，射频信号经过所述放大滤波单元的放大滤波处理及所述A/D采样器的采样处理后得到采样信号，该采样信号同时输入到所述数字下变频单元以及所述微处理器，所述数字下变频单元对该采样信号进行数字下变频处理后，将输出的中频数字信号输入到所述微处理器，由微处理器筛选并分发最终工作频率集到所述通信设备，从而实现选频与通信设备的一体化。
进一步地，本发明对天线具有良好的兼容性，适用于低架双极天线、倒V天线、斜天线几种常用的NVIS通信天线。
一种基于无源监测的NVIS快速选频系统的选频方法，包括如下步骤：
S1：对接收到的射频信号进行放大滤波、A/D采样及FFT变换后,计算干扰重心频率ICF，具体为：
S11：对射频信号进行放大滤波、A/D采样及FFT变换后，输出短波全频段的干扰能量值；
S12：依据人为噪声系数中值与频率关系曲线，修正干扰能量值，滤除人为噪声影响；
S13：设置能量门限值，剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰；
S14：计算干扰重心频率式中，Fi为第i个频率，D(Fi)为Fi的干扰能量值，n为频率点个数；
S2：通过电离层F2层临界频率f0F2与干扰重心频率ICF的映射关系：f0F2＝f(a*ICF+b)，输出临界频率f0F2，其中，关联系数a、b是通过对不同天线选型下临界频率f0F2测量的样本数据进行统计分析，采用最小均方差的准则来确定的；
S3：根据中纬度地区的电离层可反射的最高垂直入射频率fxF2与电离层F2 层临界频率f0F2的映射关系：或者fxF2-f0F2≈fH/2，计算fxF2,式中,fH为地磁频率，是f0F2的平方，是fxF2的平方，计算fxF2；
S4：代入NVIS天线的发射仰角，计算出最大斜向入射频率值fobl；
S5：取(fobl-2,fobl)MHz为最佳工作频段，即NVIS通信窗口；
S6：输出带宽内的各点能量值；
S7：判断输出的各点能量值是否低于设置的能量门限值，如果是，则进入步骤S8，否则，丢弃；
S8：将(fobl-2,fobl)内安静的频率点加入最终功率频率集，所述频率实时监测模块输出最终工作频率集到所述通信设备。
进一步地，步骤S1中的FFT变换是65536/N点的FFT变换，N为整数，可根据系统需求调整。
进一步地，所述数字下变频带宽设定为2MHz。
与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：
(1)在通信间隙快速捕捉短波“频谱空穴”，并实时调整通信频率，具有选频精度高、速度快、隐蔽性强等特点；
(2)基于无源监测的跟踪技术可以在不发射无线电探测信号的前提下，通过接收外界电离层反射信号来跟踪电离层F2层临界频率f0F2的变化趋势，极大地提高了通信的隐蔽性和抗毁性，且设备简单，易于集成，在快速隐蔽的军事通信中有重要的意义。
附图说明
图1为短波通信盲区示意图；
图2为NVIS传播示意图；
图3为NVIS快速选频系统结构示意图；
图4为频谱实时监测模块框图；
图5为短波全频段实时频谱图；
图6为NVIS快速选频方法流程图；
图7(a)为电离层F2层临界频率f0F2对比图1；
图7(b)为电离层F2层临界频率f0F2对比图2；
图8(a)为倒V天线测量的ICF分布图；
图8(b)为双极天线测量的ICF分布图；
图8(c)为15米斜天线测量的ICF分布图；
图9为本地电离层F2层临界频率f0F2的实时估算值对比图。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种基于无源监测的NVIS快速选频系统及其方法，在不发射无线电探测信号的前提下，通过接收外界电离层反射信号来跟踪电离层F2层临界频率f0F2的变化趋势，实现了在通信间隙对“频谱空穴”快速捕捉，并实时对通信频率进行调整，以解决现有技术中选频的可靠性和时效性一直制约NVIS系统发展的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
实施例
一种基于无源监测的NVIS快速选频系统，如图3所示，包括NVIS天线、天线共用器、通信设备以及频谱实时监测模块，所述频谱实时监测模块与所述通信设备通过所述天线共用器共用所述NVIS天线，当所述通信设备空闲时，所述频谱实时监测模块通过所述NVIS天线接收射频信号并分析其频谱特征，当所述通信设备工作时，所述天线共用器将所述NVIS天线切换至所述通信设备连接状态，其中，所述频谱实时监测模块包括放大滤波单元、A/D采样器、数字下变频单元(DDC)以及微处理器，射频信号经过所述放大滤波单元的放大滤波处理及所述A/D采样器的采样处理后得到采样信号，该采样信号同时输入到所述数字下变频单元以及所述微处理器，所述数字下变频单元对该采样信号进行数字下变频处理后，将输出的中频数字信号输入到所述微处理器，由微 处理器筛选并分发最终工作频率集到所述通信设备，从而实现选频与通信设备的一体化。
本发明对天线具有良好的兼容性，适用于低架双极天线、倒V天线、斜天线几种常用的NVIS通信天线。
短波的可用频率短波信道是典型的时变色散信道，选频的“窗口”动态性极强，这种动态性不仅体现在频域上可用频段的规律性变化，也体现在时域上频率的快速衰变。在特定条件下，甚至会出现几分钟之前尚可进行良好通信的频率点，几分钟之后已经完全无法使用了。因此短波NVIS选频的核心在于快速锁定“可用频段”和快速筛选并分发工作频率至用户台，解决这一问题的根本途径在于为通信设备提供快速而有效的选频机制，并实现通信与选频设备一体化，即实现设备级的频谱管理模式。本发明提出无源监测的NVIS快速选频系统就是使用无源选频技术来实现对“可用频段”的实时跟踪，用短波频谱“空穴”快速捕获技术实现对频谱占用情况的实时分析及筛选。在实现形式上以频谱实时监测模块为核心，通过与通信设备共用天线的形式来接收并分析频谱特征。
由于NVIS天线的仰角大，且为了获得好的传输效果又需要将工作频率尽量靠近f0F2，因此其可用工作频段通常比较狭窄。同时NVIS系统工作频率一般不会高于12MHz，而这一频段恰恰是短波干扰最为严重的频段。因此要达成可靠的通信，必须将电离层的随机变化和电磁环境干扰等纳入影响因素之中。也就是说，在选定通信“窗口”频段的同时，必须具备实时捕捉“窗口”内频谱“空穴”的能力。
为了提高频谱“空穴”的扑捉速度以及最终实现与通信设备的有机融合，本发明中频谱实时监测模块引入了软件无线电思想，将传统的中频数字化向天线端靠近，把更多的工作交给软件处理，以最大限度的减小整个设备的体积、重量，同时性能指标也可以更加优化。
如图4所示，射频信号经过放大、滤波、采样数字化处理后，直接送入高速微处理器进行处理。首先对A/D采样器输出的数字信号进行加窗处理，然后 进行65536/N点的FFT运算(N为整数，可根据系统需求进行调整)。为进一步捕获频率“空穴”的详细信息，对采样信号再进行数字下变频处理后，将输出的中频数字信号进行滤波处理，再进行加窗和FFT运算，可获取20K～2M不同带宽范围内的频谱细化图。在通信间隙中进行实时选频时，为了缩短分析时间可将DDC带宽设定为2MHz，此时的分辨率为100Hz，足以满足对短波3KHz信号带宽的细化分析。图5为采用本发明方法捕获的短波全频段实时频谱图，利用后台软件算法可快速捕获当前的频谱“空穴”位置。这种监测模块与通信模块一体化设计的最大优势在于：可实现在通信间隙对“空穴”完成快速捕获，并实时对通信频率进行优选与调整。
一种基于无源监测的NVIS快速选频系统的选频方法，如图6所示，包括如下步骤：
S1：对接收到的射频信号进行放大滤波、A/D采样及FFT变换后,计算干扰重心频率ICF：
S11：对射频信号进行放大滤波、A/D采样及FFT变换后，输出短波全频段的干扰能量值；
S12：依据CCIR258-2报告中人为噪声系数中值与频率关系曲线，修正干扰能量值，滤除人为噪声影响；
S13：设置能量门限值，剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰；
S14：计算干扰重心频率式中，Fi为第i个频率，D(Fi)为Fi的干扰能量值，n为频率点个数；
S2：通过电离层F2层临界频率f0F2与干扰重心频率ICF的映射关系：f0F2＝f(a*ICF+b)，输出临界频率f0F2，其中，关联系数a、b是通过对不同天线选型下临界频率f0F2测量的样本数据进行统计分析，采用最小均方差的准则来确定的；
S3：根据中纬度地区的电离层可反射的最高垂直入射频率fxF2与电离层F2 层临界频率f0F2的映射关系：或者fxF2-f0F2≈fH/2，计算fxF2,式中,fH为地磁频率，是f0F2的平方，是fxF2的平方，计算fxF2；
S4：代入NVIS天线的发射仰角，计算出最大斜向入射频率值fobl；
S5：取(fobl-2,fobl)MHz为最佳工作频段，即NVIS通信窗口；
S6：输出带宽内的各点能量值；
S7：判断输出的各点能量值是否低于设置的能量门限值，如果是，则进入步骤S8，否则，丢弃；
S8：将(fobl-2,fobl)内安静的频率点加入到最终工作频率集，所述频率实时监测模块输出最终工作频率集到所述通信设备。
本发明提出的基于无源监测的NVIS快速选频系统的选频方法除了射频端的采样和DDC数字下变频外，其余部分全部是由软件处理。整个过程不发送任何探测信号，可节约大量的握手、探测等时间，因此其时效性得到了大大提升，一个选频周期可以在秒级时间内完成。但由于电离层的瞬时波动较大，通常我们在计算时取一分钟内的均值，即选频周期不会超过1分钟。
为了便于与重庆垂测站的数据进行比对，在本实施例中选择在距其直线距离约3Km的空旷地带分别架设22米双极天线(架高5米)、倒V天线、15米斜天线各一副，分别对该方法中f0F2值有效性以及天线的兼容性进行了大量的数据测量和分析。结果如下：
(1)f0F2值有效性的验证
采用倒V天线利用该方法进行了连续6天的实际测量，并将测量结果与重庆探测站发布数据进行了比对，其中两天的对比结果如图7(a)、7(b)所示。
从图7(a)、7(b)可看出，采用基于无源监测的f0F2实时跟踪技术，在不发送任何探测信号的前提下，仍然可以很好的跟踪电离层的f0F2的快速变化，且其时效性要远远高于传统的基于探测机制的选频系统。这对于短波通信， 特别是短波机动通信快速、准确选择工作频率具有重要价值。
(2)天线兼容性的验证
ICF与f0F2的关联系数与天线类型密切相关，通过一定时间的数据积累可形成针对不同天线的系数值，从而实现对天线的兼容。图8(a)、图8(b)、图8(c)分别为采用倒V天线、双极天线、15米斜天线在同一个24小时内所测量的ICF分布图，图中样点值为每分钟的ICF均值。对三种天线的测量结果分别使用与之对应的系数模型进行换算后，即可获得本地f0F2的实时估算值，如图9所示。通过图9可看出，虽然不同天线在同一时刻所测量的ICF值存在一定差异，但通过系数换算后得到f0F2值受天线类型的影响已经很小，因此对几种常用的短波天线具有较好的兼容性。
本申请的上述实施例中，通过提供一种基于无源监测的NVIS快速选频系统及其方法，包括NVIS天线、天线共用器、通信设备以及频谱实时监测模块，频谱实时监测模块与通信设备通过天线共用器共用NVIS天线，当通信设备空闲时，频谱实时监测模块通过NVIS天线接收射频信号并分析其频谱特征，当通信设备工作时，天线共用器将NVIS天线切换至通信设备连接状态，从而实现选频与通信设备的一体化，本发明在不发射无线电探测信号的前提下，通过接收外界电离层反射信号来跟踪电离层F2层临界频率f0F2的变化趋势，实现了在通信间隙对“频谱空穴”快速捕捉，并实时对通信频率进行调整，具有选频精度高、速度快、隐蔽性强等特点。
应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于无源监测的NVIS快速选频系统，其特征在于，包括NVIS天线、天线共用器、通信设备以及频谱实时监测模块，所述频谱实时监测模块与所述通信设备通过所述天线共用器共用所述NVIS天线，当所述通信设备空闲时，所述频谱实时监测模块通过所述NVIS天线接收射频信号并分析其频谱特征，当所述通信设备工作时，所述天线共用器将所述NVIS天线切换至所述通信设备连接状态，其中，所述频谱实时监测模块包括放大滤波单元、A/D采样器、数字下变频单元以及微处理器，射频信号经过所述放大滤波单元的放大滤波处理及所述A/D采样器的采样处理后得到采样信号，该采样信号同时输入到所述数字下变频单元以及所述微处理器，所述数字下变频单元对该采样信号进行数字下变频处理后，将输出的中频数字信号输入到所述微处理器，由微处理器筛选并分发最终工作频率集到所述通信设备，从而实现选频与通信设备的一体化。
2.根据权利要求1所述的基于无源监测的NVIS快速选频系统，其特征在于，所述NVIS天线采用低架双极天线、倒V天线或者斜天线三者中的任一种。
3.如权利要求1所述的基于无源监测的NVIS快速选频系统的选频方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对接收到的射频信号进行放大滤波、A/D采样及FFT变换后,计算干扰重心频率ICF，具体为：
S11：对射频信号进行放大滤波、A/D采样及FFT变换后，输出短波全频段的干扰能量值；
S12：依据人为噪声系数中值与频率关系曲线，修正干扰能量值，滤除人为噪声影响；
S13：设置能量门限值，剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰；
S14：计算干扰重心频率式中，Fi为第i个频率，D(Fi)为Fi的干扰能量值，n为频率点个数；
S2：通过电离层F2层临界频率f0F2与干扰重心频率ICF的映射关系：f0F2＝f(a*ICF+b)，输出临界频率f0F2，其中，关联系数a、b是通过对不同天线选型下临界频率f0F2测量的样本数据进行统计分析，采用最小均方差的准则来确定的；
S3：根据中纬度地区的电离层可反射的最高垂直入射频率fxF2与电离层F2层临界频率f0F2的映射关系：或者fxF2-f0F2≈fH/2，计算fxF2,式中,fH为地磁频率，是f0F2的平方，是fxF2的平方；
S4：代入NVIS天线的发射仰角，计算出最大斜向入射频率值fobl；
S5：取(fobl-2,fobl)MHz为最佳工作频段，即NVIS通信窗口；
S6：输出带宽内的各点能量值；
S7：判断输出的各点能量值是否低于设置的能量门限值，如果是，则进入步骤S8，否则，丢弃；
S8：将(fobl-2,fobl)内安静的频率点加入最终功率频率集，所述频率实时监测模块输出最终工作频率集到所述通信设备。
4.根据权利要求3所述的基于无源监测的NVIS快速选频系统的选频方法，其特征在于，步骤S1中的FFT变换是65536/N点的FFT变换，N为整数，可根据系统需求调整。
5.根据权利要求3所述的基于无源监测的NVIS快速选频系统的选频方法，其特征在于，所述数字下变频带宽设定为2MHz。
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