CN114779292B - 一种对近海面大气波导的状态测量、监测、分析的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对近海面大气波导的状态测量、监测、分析的方法，联合采用多频率扫描、多距离跟踪、时间累积、天线阵列组网方法，获取点对点信道监测链路上的路径损耗数据，通过建立监测链路上多参数大气波导剖面模型，并结合电磁波下二维标量波动方程模型、目标函数、优化算法、插值算法等，反演得到监测链路上大气波导分布。本发明所公开的方法相对于模型估算法，在冷空气、海陆边界、强对流、极高极低风速、非均匀性场等复杂环境下适用性较强，不会因气象参数测量误差导致增大大气波导监测误差。
Description
技术领域
本发明属于近海面大气波导测量监测领域，特别涉及该领域中的一种对近海面大气波导的状态测量、监测、分析的方法。
背景技术
在海面上，大气波导是一种固有的物理现象，经常影响着海上雷达及通信系统的工作性能。但是，近海面大气波导受气象条件影响较大，具有复杂的时变性、空间不均匀性、随机起伏性，导致现有的大气波导预测模型经常失效。在直接测量法中，需要利用微波折射仪测量折射率廓线，再利用大气折射率经验公式估算折射率，直接测量法的测量结果虽然比较精确，但需要额外的辅助设备，价格昂贵，且适用于单点测量，无法用于大面积区域的大气波导环境状态监测。为了解决以上问题，弥补现有监测方法存在的不足，迫切需要开发一种监测海域广、实时性好、精度高、成本低、易于工程实现的近海面大气波导监测系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种对近海面大气波导的状态测量、监测、分析的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种对近海面大气波导的状态测量、监测、分析的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，北斗设备触发消息中断，读取北斗设备发送来的消息；
步骤2，对接收到的北斗消息进行完整性检测，对于不完整的消息数据包尝试进行拼接，对无法拼接成完整消息的数据进行丢弃，将完整的消息和通过拼接变完整的消息加入到待解析队列中；
步骤3，取出北斗消息指令码并进行判断，分析消息类型，将BDBSI、BDGSA、BDGSV、BDICI、BDICZ、GPGGA、GPGSA、GPRMC消息丢弃，仅保留BDTXR消息；
步骤4，设BDTXR＝{a,b,c,d…x}，使用错误校验算法对BDTXR数据进行处理：
检验x值与y值判断BDTXR消息的正确性，若校验不通过则丢弃消息；
步骤5，将通过校验的BDTXR消息进行信息提取，保存设备识别码以及约定的大气波导数据内容，使用解密算法对大气波导数据进行解密；
步骤6，将解密后的大气波导数据由二进制转换成约定的数据结构；
步骤7，提取大气波导数据中的链路信息、任务组、测试时间、大气波导数据信息，依照链路信息，计算出该链路的路径损失数据，针对点对点大气波导监测链路，首先获取监测终端位置信息，记录时间和经纬度数据，然后联合采用多频率扫描、多距离跟踪、时间累积、天线阵列组网方法，获取电磁波传播的信道电平数据，结合信道监测系统参数信息，计算得到该条链路上的路径损耗值：
式中，f表示多频率扫描对应的频率参数，f＝1,2,…,Nf，N为自然数；r表示多距离跟踪对应的距离参数，r＝1,2,…,Nr；t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,…,Nt；i表示天线阵列组网方法中的发射天线编号，i＝1,2,…,Ni；j表示天线阵列组网方法中的接收天线编号，j＝1,2,…,Nj；为实际测得的路径损耗，Pt为发射端信号功率，Gt为发射端天线增益，Gr为接收端天线增益，Pr为接收端信号的电平值，IL为整个系统的等效系统插损；
步骤8，将计算出的路径损失数据带入到电磁波下二维标量波动方程中：
式中，ψ为水平极化波和垂直极化波的非零电场分量；k0为自由空间波数；n为大气折射指数；x、z为直角坐标系下ψ的距离分量，经过转换的数据输入到大气波导模型数据库进行比对，得出大气波导高度和波导强度数值；
步骤9，根据设备识别码、链路信息、任务组、测试时间和数据库中已有的数据进行比对，若该数据已存在于数据库中则将之丢弃，反之则将其新增到数据库中；
步骤10，监听浏览器的数据请求，收到请求之后解析请求中的设备识别码、任务组、测试时间信息；
步骤11，依照设备识别码、任务组、测试时间从数据库中查找大气波导数据，将查询到的整组数据组织成消息包，通过https协议反馈给发送请求的浏览器；
步骤12，浏览器页面依照服务器返回的数据，将数据分组解析，根据设备识别码以及时间将数据组成表格并展示在页面对应的区域。
进一步的，在步骤12中，能将表格数据显示为折线图，以便展现大气波导数据的变化。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的方法，联合采用多频率扫描、多距离跟踪、时间累积、天线阵列组网方法，获取点对点信道监测链路上的路径损耗数据，通过建立监测链路上多参数大气波导剖面模型，并结合电磁波下二维标量波动方程模型、目标函数、优化算法、插值算法等，反演得到监测链路上大气波导分布。
本发明所公开的方法相对于直接测量法，对采集数据的辅助设备要求更低，成本可控，可用于区域大气波导监测；本发明所公开的方法相对于雷达海杂波反演法，受天气、实验地点等因素影响较小，不需要大功率信号的发射设备，对环境影响小；本发明所公开的方法相对于模型估算法，在冷空气、海陆边界、强对流、极高极低风速、非均匀性场等复杂环境下适用性较强，不会因气象参数测量误差导致增大大气波导监测误差。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种对近海面大气波导的状态测量、监测、分析的方法，向监测终端发送测试任务及策略，采集气象数据和微波信道数据，对采集数据结果进行预处理及(压缩)存储；依据采集数据结果和电磁波下二维标量波动方程模型，建立监测链路上水平非均匀的多参数大气波导剖面模型，并结合电磁波下二维标量波动方程模型、目标函数、优化算法、插值算法等，计算得到的波导高度、强度等特征量作为初值，并设置一定的搜索范围，反演得到监测链路上非均匀大气波导分布。如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1，北斗设备触发消息中断，读取北斗设备发送来的消息；
步骤2，对接收到的北斗消息进行完整性检测，对于不完整的消息数据包尝试进行拼接，对无法拼接成完整消息的数据进行丢弃，将完整的消息和通过拼接变完整的消息加入到待解析队列中；
步骤3，取出北斗消息指令码并进行判断，分析消息类型，将BDBSI、BDGSA、BDGSV、BDICI、BDICZ、GPGGA、GPGSA、GPRMC消息丢弃，仅保留BDTXR消息；
步骤4，设BDTXR＝{a,b,c,d…x}，使用错误校验算法对BDTXR数据进行处理：
检验x值与y值判断BDTXR消息的正确性，若校验不通过则丢弃消息；
步骤5，将通过校验的BDTXR消息进行信息提取，保存设备识别码以及约定的大气波导数据内容，使用解密算法对大气波导数据进行解密；
步骤6，将解密后的大气波导数据由二进制转换成约定的数据结构；
步骤7，提取大气波导数据中的链路信息、任务组、测试时间、大气波导数据信息，依照链路信息，计算出该链路的路径损失数据，针对点对点大气波导监测链路，首先获取监测终端位置信息，记录时间和经纬度数据，然后联合采用多频率扫描、多距离跟踪、时间累积、天线阵列组网方法，获取电磁波传播的信道电平数据，结合信道监测系统参数信息，计算得到该条链路上的路径损耗值：
式中，f表示多频率扫描对应的频率参数，f＝1,2,…,Nf(第N个频率)；r表示多距离跟踪对应的距离参数，r＝1,2,…,Nr(第N个距离)；t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,…,Nt；i表示天线阵列组网方法中的发射天线编号，i＝1,2,…,Ni(第N个发射天线)；j表示天线阵列组网方法中的接收天线编号，j＝1,2,…,Nj(第N个接收天线)；为实际测得的路径损耗，单位为dB；Pt为发射端信号功率，单位为dBm；Gt为发射端天线增益，单位为dBi；Gr为接收端天线增益，单位为dBi；Pr为接收端信号的电平值，单位为dBm；IL为整个系统的等效系统插损，单位为dB；
步骤8，将计算出的路径损失数据带入到电磁波下二维标量波动方程中：
式中，ψ为水平极化波和垂直极化波的非零电场分量；k0为自由空间波数；n为大气折射指数；x、z为直角坐标系下ψ的距离分量，经过转换的数据输入到大气波导模型数据库进行比对，得出大气波导高度和波导强度数值；
步骤9，根据设备识别码、链路信息、任务组、测试时间和数据库中已有的数据进行比对，若该数据已存在于数据库中则将之丢弃，反之则将其新增到数据库中；
步骤10，监听浏览器的数据请求，收到请求之后解析请求中的设备识别码、任务组、测试时间信息；
步骤11，依照设备识别码、任务组、测试时间从数据库中查找大气波导数据，将查询到的整组数据组织成消息包，通过https协议反馈给发送请求的浏览器；
步骤12，浏览器页面依照服务器返回的数据，将数据分组解析，根据设备识别码以及时间将数据组成表格并展示在页面对应的区域。用户可以通过按钮将表格数据显示为折线图，以便更为直观得展现大气波导数据的变化。
海上微波信道监测系统XD-01针对单条监测链路，采用基于点对点路径损耗的大气波导反演方法，得到大气波导分布，然后取不同的监测链路，重复以上反演步骤，得到各条链路上的大气波导高度、强度等特征量反演值，对特征量进行同化、插值处理，得到监测终端覆盖区域的大气波导分布。随着监测终端移动，每隔一段时间，对该段时间上累积得到的大气波导分布进行处理，对于存在多个大气波导高度值的坐标点取平均大气波导高度，得到经过修正、扩展后的大气波导高度区域分布。
Claims (2)
1.一种对近海面大气波导的状态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，北斗设备触发消息中断，读取北斗设备发送来的消息；
步骤2，对接收到的北斗消息进行完整性检测，对于不完整的消息数据包尝试进行拼接，对无法拼接成完整消息的数据进行丢弃，将完整的消息和通过拼接变完整的消息加入到待解析队列中；
步骤3，取出北斗消息指令码并进行判断，分析消息类型，将BDBSI、BDGSA、BDGSV、BDICI、BDICZ、GPGGA、GPGSA、GPRMC消息丢弃，仅保留BDTXR消息；
步骤4，设BDTXR＝{a,b,c,d…x}，使用错误校验算法对BDTXR数据进行处理：
检验x值与y值判断BDTXR消息的正确性，若校验不通过则丢弃消息；
步骤5，将通过校验的BDTXR消息进行信息提取，保存设备识别码以及约定的大气波导数据内容，使用解密算法对大气波导数据进行解密；
步骤6，将解密后的大气波导数据由二进制转换成约定的数据结构；
步骤7，提取大气波导数据中的链路信息、任务组、测试时间，依照链路信息，计算出该链路的路径损失数据，针对点对点大气波导监测链路，首先获取监测终端位置信息，记录时间和经纬度数据，然后联合采用多频率扫描、多距离跟踪、时间累积、天线阵列组网方法，获取电磁波传播的信道电平数据，结合信道监测系统参数信息，计算得到该条链路上的路径损耗值：
式中，f表示多频率扫描对应的频率参数，f＝1,2,…,Nf，N为自然数；r表示多距离跟踪对应的距离参数，r＝1,2,…,Nr；t表示时间累积对应的时间参数，t＝1,2,…,Nt；i表示天线阵列组网方法中的发射天线编号，i＝1,2,…,Ni；j表示天线阵列组网方法中的接收天线编号，j＝1,2,…,Nj；为实际测得的路径损耗，Pt为发射端信号功率，Gt为发射端天线增益，Gr为接收端天线增益，Pr为接收端信号的电平值，IL为整个系统的等效系统插损；
步骤8，将计算出的路径损失数据带入到电磁波下二维标量波动方程中：
式中，ψ为水平极化波和垂直极化波的非零电场分量；k0为自由空间波数；n为大气折射指数；x、z为直角坐标系下ψ的距离分量，经过转换的数据输入到大气波导模型数据库进行比对，得出大气波导高度和波导强度数值；
步骤9，根据设备识别码、链路信息、任务组、测试时间和数据库中已有的数据进行比对，若该数据已存在于数据库中则将之丢弃，反之则将其新增到数据库中；
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步骤11，依照设备识别码、任务组、测试时间从数据库中查找大气波导数据，将查询到的整组数据组织成消息包，通过https协议反馈给发送请求的浏览器；
步骤12，浏览器页面依照服务器返回的数据，将数据分组解析，根据设备识别码以及测试时间将数据组成表格并展示在页面对应的区域。
2.根据权利要求1所述一种对近海面大气波导的状态监测方法，其特征在于：在步骤12中，能将表格数据显示为折线图，以便展现大气波导数据的变化。
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