CN112637134A - 一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法。本发明的方法具体包括：1)测量各通信节点每个脉冲信号的信号到达时间(TOA)和脉冲信号结束时间(TOE)，构成原始脉冲到达时间序列集合。2)对每个脉冲信号进行到达角度(DOA)的估计测量。3)采用K均值(K‑means)聚类算法根据DOA对脉冲信号进行初步聚类分选，得到若干个分选结果分组。4)对每个分组搜索可能的跳时图案，再搜索具有同样跳时图案的脉冲组，并划为新分组。5)将所有分组中全部脉冲遍历搜索后，完成分选，输出各个分组结果即为最终分选结果。本方法通过DOA聚类分选，降低了算法的复杂度，同时克服了跳时信号间隔无规律的难点，具有较高准确率。

Description

一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法。
背景技术
数据链是信息化战争的标志性武器，在获取战场信息，实现多兵种之间的无缝链接，深入优化指挥方式，灵活准确部署作战力量，精确打击主要目标等方面都发挥着至关重要的作用。随着数据链技术的不断发展，跳时系统普及应用，通信信号时域描述字更为复杂化，在数据链通信系统中，基于脉冲间隔的传统信号分选算法无法满足需求。
发明内容
针对传统方法在数据链通信信号中难以适用的问题，本发明利用了聚类算法，依靠多维度、实时性和智能化的特点，提出了能够用于数据链通信系统的特殊协议特征的多参数分选方法，基于多参数的聚类算法研究也是数据链通信信号分选算法的重要突破点之一。
本发明的技术方案为：
一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法，包括以下步骤：
S1、通过观测站接收空间中目标节点的脉冲信号，根据脉冲信号到达时间和脉冲信号结束时间得到脉冲到达时间序列，构成原始脉冲到达时间序列集合；
S2、基于雷达线阵列，利用高分辨阵列测向算法，对每个脉冲信号进行到达角度的估计；
S3、采用聚类算法，根据到达角度对脉冲信号进行初步聚类分选，得到多个分选结果；
S4、聚类分选得到的结果即为脉冲分组，分别将各个分组中的脉冲根据到达时间进行排列，排列后的每个分组均是下一步协议特征分选的样本；
S5、利用数据链通信系统协议特征中对通信信号的脉冲跳时图案的约束条件，根据约束条件在每个分组中进行链式序列搜索，搜索成功则取出对应脉冲序列，作为待测跳时图案；
S6、以得到的跳时图案为基准，搜索具有相同跳时图案的脉冲组，将搜索得到的脉冲组中全部脉冲作为新分组，并将新分组从脉冲样本中去除，更新脉冲样本后回到步骤S5，直至脉冲样本完全遍历后进入步骤S7；
S7、将获得的所有新分组的各个脉冲序列分组作为样本信号分选结果，将各个分组按照脉冲到达时间排序后即完成信号分选。
进一步的，所述步骤S3的具体方法是：
S31、随机选取k个脉冲样本作为聚类中心；
S32、计算各个样本与每个聚类中心的欧氏距离；
S33、将各个样本归于与之距离最近的聚类中心所属的分类中；
S34、计算每个分类中样本的均值，设定为新的聚类中心；
S35、判断各类的聚类中心是否发生了变化，若未变动，则聚类算法结束，聚类分选完成，否则回到步骤S32。
进一步的，步骤S5中所述数据链通信系统协议特征具体为：
数据链通信节点所发射信号在一个跳时周期内的跳时图案不变，对于不同节点，采用不同的跳时图案，即数据链通信节点地址与跳时图案对应，一个跳时周期内包含多个帧，每帧长500us，每一帧内包含12个脉冲，因此有12个脉冲间隔ti，i＝1,…,12，ti满足条件：
Figure BDA0002811734660000021
进一步的，步骤S6中，所述将搜索得到的脉冲组中全部脉冲作为新分组的具体方法为：
将搜索得到的脉冲组数与设定的判定门限进行比较，即得到跳时图案后，在全部待分选样本中搜索相同图案重复总数，即相同规律的帧数，与判决门限比较大小，若脉冲组数大于判定门限，则将所有脉冲组中的全部脉冲作为新分组，否则，弃置此跳时图案，回到步骤S5重新搜索新的跳时图案。
本发明的有益效果为，(1)通过DOA聚类分选，降低协议特征分选复杂度，提高准确率；(2)协议特征分选利用约束链式搜索，克服了跳时信号间隔无规律的难点，同时结合门限判决，有较高准确率。
附图说明
图1为本发明提供的应用场景示例图；
图2为本发明提供的脉冲间隔示例图；
图3为本发明的总体分选流程图；
图4为DOA聚类分选流程图；
图5为协议特征分选流程图；
图6为跳时图案搜索过程示意图；
图7为50个数据链通信节点随机分选测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
为了方便分析，假设两个端节点(即节点0和n+1)发送的数据包长度均固定为8472bit，而任意两个相邻节点之间的无线信道传输速率固定为11Mbit/s。
实施例
如图1所示，数据链通信系统中，通信节点散布在空间之中，每个数据链通信节点都具有独立的跳时图案，即每个节点发射的脉冲间隔具有相同的规律，不同节点跳时图案不同。可按此规律将分属不同节点的各个脉冲分选到不同的分组中，以实现信号的分选。
本例中，如图2所示，跳时图案体现为脉冲间隔的规律，以12个脉冲为一个周期，一个周期为T＝500μs，每个脉冲宽度均为19μs。对于同一周期内的12个脉冲间隔ti(i＝1,…,12)，ti满足条件
Figure BDA0002811734660000031
对于此例，如图3所示，本发明提供的用于数据链通信系统跳时信号的分选方法，包括如下步骤。
1.通过己方观测站，接收空间中数据链通信节点的脉冲信号，通过对脉冲信号到达时间(TOA)和脉冲信号结束时间(TOE)的估计测量得到脉冲到达时间序列，构成原始脉冲到达时间序列集合。
2.基于雷达线阵列，利用高分辨阵列测向算法(MUSIC算法)，对每个脉冲信号进行到达角度(DOA)的估计测量。
3.采用K均值(K-means)聚类算法，根据步骤2中求得的信号到达角度(DOA)进行初步DOA聚类分选，得到若干个分选结果分组。在本例中具体方式为：(1)随机选取k个脉冲样本作为聚类中心。(2)计算各个样本与每个聚类中心的欧氏距离。(3)将各个样本归于与之距离最近的聚类中心所属的分类中。(4)计算每个分类中样本的均值，设定为新的聚类中心。(5)判定各类的聚类中心是否发生了变化，若不再变动，则聚类算法结束，DOA聚类分选完成，否则回到第二步。聚类分选流程图如图4所示。
4.对聚类分选产生各个的分选结果分组，分别按照脉冲到达时间(TOA)进行排列，每个分组都为一个脉冲序列样本，每个样本都进入第二步的协议特征分选流程。协议特征分选流程如图5所示。
5.利用数据链通信系统的协议特征。其协议特征对通信信号的脉冲跳时图案提出了约束条件，利用此约束条件在每个分组中进行链式序列搜索，搜索成功则取出对应脉冲序列，作为待测跳时图案。过程示意图如图6所示。在本例中的具体方式为：
脉冲结束时间即为脉冲到达时间+脉冲宽度，设脉冲到达时间为tAi，脉冲宽度为tw，据此可求得每个脉冲的结束时间tEi＝tAi+tw。在每个分组中搜索某两个脉冲，若满足条件：两个脉冲结束时间之差为一个周期T，说明这两个脉冲结束时间分别是一个周期的头尾，即可判断结束时间更大的脉冲即为某一个周期中的末尾脉冲。将此脉冲标记为t12，并再次在脉冲序列中搜索，找到某三个脉冲i、j、k，若满足条件：(tAj-tEi)+(tA12-tEk)＝tp，即其脉冲间隔满足约束条件，可推知：i＝5，j＝6，k＝11，即找到了周期中第5、6、11个脉冲。之后再次在剩余脉冲序列中搜索，找到某两个脉冲x、y，若满足条件：(tA5-tEx)+(tA11-tEy)＝tp，即可推知：x＝4、y＝10，即找到了周期中第4、10个脉冲。以此类推，每次找到两个脉冲，直至找出首端为止，便搜索出一个完整周期中的12个脉冲，即为待测跳时图案。
6.根据实际需求设置一个判定门限，以步骤5得到的待测跳时图案为基准，搜索具有同样跳时图案的脉冲组。将搜索到的脉冲组数与判定门限比较，若脉冲组数大于门限，则将所有脉冲组中的全部脉冲划为新分组。
7.将新分组从原脉冲样本中去除，更新分选样本，重新进行步骤5中跳时图案的搜索。
8.若样本内脉冲完全遍历，已无新跳时图案，结束分选，输出各个分组结果，丢弃其余脉冲。
9.经过DOA聚类分选和协议特征分选两步分选后形成的新的各个脉冲序列分组即为信号分选结果，将各个分组按照脉冲到达时间(TOA)排序后即完成信号分选。
在不同DOA测量误差和TOA测量误差的情况下，对50个节点进行随机蒙特卡罗测试，分选正确率如图7所示。

Claims (4)

1.一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过观测站接收空间中目标节点的脉冲信号，根据脉冲信号到达时间和脉冲信号结束时间得到脉冲到达时间序列，构成原始脉冲到达时间序列集合；
S2、基于雷达线阵列，利用高分辨阵列测向算法，对每个脉冲信号进行到达角度的估计；
S3、采用聚类算法，根据到达角度对脉冲信号进行初步聚类分选，得到多个分选结果；
S4、将聚类分选结果作为脉冲分组，分别将各个分组中的脉冲根据到达时间进行排列，作为待分选的脉冲样本；
S5、利用数据链通信系统协议特征中对通信信号的脉冲跳时图案的约束条件，根据约束条件在每个分组中进行链式序列搜索，搜索成功则取出对应脉冲序列，作为待测跳时图案；
S6、以得到的跳时图案为基准，搜索具有相同跳时图案的脉冲组，将搜索得到的脉冲组中全部脉冲作为新分组，并将新分组从脉冲样本中去除，更新脉冲样本后回到步骤S5，直至脉冲样本完全遍历后进入步骤S7；
S7、将获得的所有新分组的各个脉冲序列分组作为样本信号分选结果，将各个分组按照脉冲到达时间排序后即完成信号分选。
2.根据权利要求1所述的一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法是：
S31、随机选取k个脉冲样本作为聚类中心；
S32、计算各个样本与每个聚类中心的欧氏距离；
S33、将各个样本归于与之距离最近的聚类中心所属的分类中；
S34、计算每个分类中样本的均值，设定为新的聚类中心；
S35、判断各类的聚类中心是否发生了变化，若未变动，则聚类算法结束，聚类分选完成，否则回到步骤S32。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法，其特征在于，步骤S5中所述数据链通信系统协议特征具体为：
数据链通信节点所发射信号在一个跳时周期内的跳时图案不变，对于不同节点，采用不同的跳时图案，即数据链通信节点地址与跳时图案对应，一个跳时周期内包含多个帧，每帧长500us，每一帧内包含12个脉冲，因此有12个脉冲间隔ti，i＝1,…,12，ti满足条件：
Figure FDA0002811734650000021
4.根据权利要求3所述的一种用于数据链通信系统跳时信号的信号分选方法，其特征在于，步骤S6中，所述将搜索得到的脉冲组中全部脉冲作为新分组的具体方法为：
将搜索得到的脉冲组数与设定的判定门限进行比较，即得到跳时图案后，在全部待分选样本中搜索相同图案重复总数，即相同规律的帧数，与判决门限比较大小，若脉冲组数大于判定门限，则将所有脉冲组中的全部脉冲作为新分组，否则，弃置此跳时图案，回到步骤S5重新搜索新的跳时图案。
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