CN114895378A - 一种多节点采集近海面大气波导状态数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多节点采集近海面大气波导状态数据的方法，通过在某一区域布设多节点监测终端用于发射和接收微波信号，形成网状的监测链路，记录每条链路反映信道特性的信号电平、路径损耗数据和每个节点上附近海面多维气象数据，并将采集数据及信道监测结果进行预处理及压缩存储后发送到岸基指挥中心。本发明所公开的方法，相对于直接测量法具有成本低、可用于大面积区域的波导环境及信道监测等优点，可实现全天候、大面积、高精度、长时间的海洋波导信息感知和数据监测分析，为海上雷达、通信、导航、对抗等电子系统的设计与应用提供环境数据支撑。

Description

一种多节点采集近海面大气波导状态数据的方法
技术领域
本发明属于近海面大气波导状态数据采集领域，特别涉及该领域中的一种多节点采集近海面大气波导状态数据的方法。
背景技术
蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导，它是由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而形成的。蒸发波导一般发生在海洋大气环境40m高度以下的近海面大气中。
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，导致现有通过气象探测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，且仅适用于单点测量，无法用于大面积区域的大气波导环境状态监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种通过频谱监测多节点采集近海面大气波导状态数据的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种多节点采集近海面大气波导状态数据的方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，岸基指挥中心确定信道监测终端数量，对信道监测终端按1～p进行编号，采用分频发射方式控制各个监测终端的发射频率，建立信道测试链路使各个监测终端通过海面上的大气波导通道链接形成链路网，最多监测链路条数Q为：Q＝p×(p-1)÷2，p为监测终端数量；
步骤2，北斗报文收发线程触发消息中断，读取北斗报文收发模块发送来的消息；
步骤3，对接收到的北斗指令进行完整性检测，对于不完整的消息数据包进行丢弃，将完整的消息加入到待解析队列中；
步骤4，读取待解析队列中的BDTXR消息，使用错误校验算法对BDTXR数据进行处理：
其中BDTXR＝{a,b,c,…x}，令
Figure BDA0003630076900000011
得到校验值y，检验x值与y值是否相等，判断BDTXR消息的正确性，若x值与y值不相等则校验不通过丢弃该消息；
步骤5，取出北斗消息指令码并进行判断，分析消息类型，根据消息类型执行相应的任务：
消息类型为频谱任务时，根据指令中的发射频点号G、监听频点号L、M、N...，设置信源的发射频率，并打开功放开关，其中发射频率Fg＝G*100+8000，频谱分析模块监听的频率Fs＝L*100+8000，其中Fs为多个值，与监听频点号L、M、N...相对应，记录并保存取得的电平数据；
消息类型为气象任务时，将各类传感器采集到的数据参数进行提取，实时监测近海面的气象水文参数和波导环境特性，提取后的数据统一由串口通信的方式发送至控制器模块，并保存；
步骤6，对取得的气象数据进行计算，通过气象—波导反演模型，对监测终端周围海上大气波导进行气象反演计算，得到海上大气波导高度d，气象—波导反演模型推算公式为：
Figure BDA0003630076900000021
Figure BDA0003630076900000022
式中，R0为平均地球半径，Z为地表以上的高度，N为大气折射指数，T为大气温度，P为大气压力，e为水汽压；
令
Figure BDA0003630076900000023
拐点处的d为海上大气波导高度；
步骤7，将计算后的大气波导数据由二进制转换成约定的数据结构；
步骤8，根据设备识别码、链路信息、任务组、测试时间对数据进行整理；
步骤9，监测终端将收集到的气象传感器数据和信道监测电平、时间、经纬度位置数据，通过北斗报文收发模块将数据上报给岸基指挥中心。
进一步的，在步骤5中，消息类型为气象任务时，传感器包括温湿度传感器、海面红外传感器、大气压传感器、风速风向传感器。
进一步的，在步骤9中，气象传感器数据包括空气温度、湿度、海表温度、大气压和风速。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的方法，相对于直接测量法具有成本低、可用于大面积区域的波导环境及信道监测等优点，可实现全天候、大面积、高精度、长时间的海洋波导信息感知和数据监测分析，为海上雷达、通信、导航、对抗等电子系统的设计与应用提供环境数据支撑。
附图说明
图1是本发明所公开方法的流程示意图；
图2是本发明方法的硬件实现示意图；
图3是本发明方法步骤1中大面积区域波导特性链路分布示意图；
图4是本发明方法步骤6中海上大气波导的修正折射率剖面图。
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多节点采集近海面大气波导状态数据的方法，通过在某一区域布设多节点监测终端用于发射和接收微波信号，形成网状的监测链路，记录每条链路反映信道特性的信号电平、路径损耗数据和每个节点上附近海面多维气象数据，并将采集数据及信道监测结果进行预处理及压缩存储后发送到岸基指挥中心。
如图1，2所示，具体包括如下步骤：
步骤1，岸基指挥中心确定信道监测终端数量，如图3所示，对信道监测终端按1～p进行编号，采用分频发射方式控制各个监测终端的发射频率，建立信道测试链路使各个监测终端通过海面上的大气波导通道链接形成链路网，最多监测链路条数Q为：Q＝p×(p-1)÷2，p为监测终端数量；
步骤2，北斗报文收发线程触发消息中断，软件读取北斗报文收发模块发送来的消息；
步骤3，对接收到的北斗指令进行完整性检测，对于不完整的消息数据包进行丢弃，将完整的消息加入到待解析队列中；
步骤4，读取待解析队列中的BDTXR消息，使用错误校验算法对BDTXR数据进行处理：
其中BDTXR＝{a,b,c,…x}，令
Figure BDA0003630076900000031
得到校验值y，检验x值与y值是否相等，判断BDTXR消息的正确性，若x值与y值不相等则校验不通过丢弃该消息；
步骤5，取出北斗消息指令码并进行判断，分析消息类型(频谱任务、气象任务)，根据消息类型执行相应的任务：
消息类型为频谱任务时，程序根据指令中的发射频点号G、监听频点号L、M、N...，设置信源的发射频率，并打开功放开关，其中发射频率Fg＝G*100+8000(Mhz)，频谱分析模块监听的频率Fs＝L*100+8000(Mhz)，其中Fs为多个值，与监听频点号L、M、N...相对应，记录并保存取得的电平数据；
消息类型为气象任务时，将各类传感器采集到的数据参数进行提取，实时监测近海面的气象水文参数和波导环境特性，提取后的数据统一由串口通信的方式发送至控制器模块，并保存；传感器包括温湿度传感器、海面红外传感器、大气压传感器、风速风向传感器等。
步骤6，对取得的气象数据进行计算，通过气象—波导反演模型，对监测终端周围海上大气波导进行气象反演计算，得到海上大气波导高度d，气象—波导反演模型推算公式为：
Figure BDA0003630076900000041
Figure BDA0003630076900000042
式中，R0＝6.371×103km为平均地球半径，Z为地表以上的高度(单位m)，N为大气折射指数，T为大气温度(单位K)，P为大气压力(单位hPa)，e为水汽压(单位hPa)；
海上大气波导的修正折射率剖面如图4所示，令
Figure BDA0003630076900000043
即拐点处的d即为海上大气波导高度；
步骤7，将计算后的大气波导数据由二进制转换成约定的数据结构；
步骤8，根据设备识别码、链路信息、任务组、测试时间对数据进行整理；
步骤9，监测终端将收集到的气象传感器数据和信道监测电平、时间、经纬度位置等数据，通过北斗报文收发模块将数据上报给岸基指挥中心。气象传感器数据包括空气温度、湿度、海表温度、大气压和风速等。
综上所述，通过在某一区域布设多点海上微波信道监测终端，各个监测终端通过海面上的大气波导通道链接形成链路网，监测终端通过搭载的北斗报文收发模块接收岸基指挥中心下发的指令进行监测任务，监测终端本身搭载的微波信号接收和发射系统对连通的微波链路进行电平数据的计算和采集，通过搭载的气象采集系统对监测终端周围的海洋气象环境进行采集和处理，并计算当前环境下海上大气波导的状态，最后所有采集的数据通过北斗报文收发模块返回到岸基指挥中心。

Claims (3)

1.一种多节点采集近海面大气波导状态数据的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，岸基指挥中心确定信道监测终端数量，对信道监测终端按1～p进行编号，采用分频发射方式控制各个监测终端的发射频率，建立信道测试链路使各个监测终端通过海面上的大气波导通道链接形成链路网，最多监测链路条数Q为：Q＝p×(p-1)÷2，p为监测终端数量；
步骤2，北斗报文收发线程触发消息中断，读取北斗报文收发模块发送来的消息；
步骤3，对接收到的北斗指令进行完整性检测，对于不完整的消息数据包进行丢弃，将完整的消息加入到待解析队列中；
步骤4，读取待解析队列中的BDTXR消息，使用错误校验算法对BDTXR数据进行处理：
其中BDTXR＝{a,b,c,…x}，令
Figure FDA0003630076890000011
得到校验值y，检验x值与y值是否相等，判断BDTXR消息的正确性，若x值与y值不相等则校验不通过丢弃该消息；
步骤5，取出北斗消息指令码并进行判断，分析消息类型，根据消息类型执行相应的任务：
消息类型为频谱任务时，根据指令中的发射频点号G、监听频点号L、M、N...，设置信源的发射频率，并打开功放开关，其中发射频率Fg＝G*100+8000，频谱分析模块监听的频率Fs＝L*100+8000，其中Fs为多个值，与监听频点号L、M、N...相对应，记录并保存取得的电平数据；
消息类型为气象任务时，将各类传感器采集到的数据参数进行提取，实时监测近海面的气象水文参数和波导环境特性，提取后的数据统一由串口通信的方式发送至控制器模块，并保存；
步骤6，对取得的气象数据进行计算，通过气象—波导反演模型，对监测终端周围海上大气波导进行气象反演计算，得到海上大气波导高度d，气象—波导反演模型推算公式为：
Figure FDA0003630076890000012
Figure FDA0003630076890000013
式中，R0为平均地球半径，Z为地表以上的高度，N为大气折射指数，T为大气温度，P为大气压力，e为水汽压；
令
Figure FDA0003630076890000021
拐点处的d为海上大气波导高度；
步骤7，将计算后的大气波导数据由二进制转换成约定的数据结构；
步骤8，根据设备识别码、链路信息、任务组、测试时间对数据进行整理；
步骤9，监测终端将收集到的气象传感器数据和信道监测电平、时间、经纬度位置数据，通过北斗报文收发模块将数据上报给岸基指挥中心。
2.根据权利要求1所述多节点采集近海面大气波导状态数据的方法，其特征在于：在步骤5中，消息类型为气象任务时，传感器包括温湿度传感器、海面红外传感器、大气压传感器、风速风向传感器。
3.根据权利要求1所述多节点采集近海面大气波导状态数据的方法，其特征在于：在步骤9中，气象传感器数据包括空气温度、湿度、海表温度、大气压和风速。
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