CN115865243A - 一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，该系统包括数字信号综合分析单元和综合态势监显与可视化单元；其中，数字信号综合分析单元，用于根据综合态势监显与可视化单元发送的控制指令对环境无线电频谱信号进行指定频段扫描与信号采集及异常态势定位，将获取的频谱信息结合获取的时间码、卫星信息和位置进行存储，并发送至综合态势监显与可视化单元进行频谱态势显示；综合态势监显与可视化单元，用于根据接收的频谱数据、位置信息，结合地理信息数据进行融合分析，提供信号分析统计和信号学习占用度分析，以及频谱态势可视化展示，用于结合背景频谱数据，定位出异常辐射源位置，还用于对数字信号综合分析单元发送控制指令。
Description
技术领域
本发明属于电磁环境测量技术领域，尤其涉及一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统。
背景技术
电磁波作为信息传递的主要载体，已成为影响信息安全的关键因素。电磁波是一把双刃剑，在干扰对方的同时，难免会干扰到我方的设备。如果能随时准确地掌握周围电磁环境的状态，及时调整电磁策略，就可使得电磁波既可为我所用又可将电磁影响降到最小，在这种形势下，电磁态势感知应运而生，电磁态势感知指的是对复杂电磁环境信息的获取和理解。随着电磁空间成为新的疆域，对电磁态势进行有效获取、分析、综合、推演将对信息安全的维护具有重要的价值，电磁态势感知能力也面临着从战略支持延伸到战术支持的根本性转变，事实证明，对环境电磁态势的感知、察觉和分析，发挥了不可替代的信息支援作用，并能够为实现快速、精确的态势分析提供有力支持。
在一定时空内，多种电磁信号相互作用，包括人为和自然界产生的电磁波信号，共同构成的高密度、高强度、多频谱的复杂电磁空间。
电磁态势可视化能够把复杂的、不可见的电磁态势以可视化的方式表现出来，以方便通过视觉快速理解复杂的电磁环境态势。因此，对所获取的电磁数据进行分析、处理，以可视化的方法加以表达，就能在任何时间查阅特定区域内任意地点的电磁信号情况，并能总揽区域环境内的电磁态势，及时获得所需要的情报信息，进而，可以比较准确地描述复杂电磁环境中存在的辐射源实体以及实体间的隶属关系，为以后的频谱决策提供重要的技术支持。为此，世界各国越来越重视电磁态势感知与可视化技术。因此，需要进一步加强对于电磁态势察觉、态势理解、态势预测的理论与技术研究，尤其是增强电磁态势多域数据的综合分析智能融合能力，并为进一步提高信息联合能力和安全保障水平，对于获取电磁空间主动权具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统。
为了实现上述目的，本发明提出了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，所述系统包括数字信号综合分析单元和综合态势监显与可视化单元；其中，
所述数字信号综合分析单元，用于根据综合态势监显与可视化单元发送的控制指令对环境无线电频谱信号进行指定频段扫描与信号采集及异常态势定位，将获取的频谱信息结合获取的时间码、卫星信息和位置进行存储，并发送至综合态势监显与可视化单元进行频谱态势显示；
所述综合态势监显与可视化单元，用于根据接收的频谱数据、位置信息，结合地理信息数据进行融合分析，提供信号分析统计和信号学习占用度分析，以及频谱态势可视化展示，用于结合背景频谱数据，定位出异常辐射源位置，还用于对数字信号综合分析单元发送控制指令。
作为上述系统的一种改进，所述数字信号综合分析单元包括频谱采集模块和数据传输模块；其中，
所述频谱采集模块，用于接收数据传输模块发送的控制指令，对VHF频段(30MHz～300MHz)～C频段(4-8GHz)内信号按照指定参数进行扫描采集，对指定频率及相关参数进行测量，并对指定频率的AM和/或FM模式的信号解调监听，并发送至数据传输模块；所述相关参数包括电平、调制度、频偏和占用带宽；
所述数据传输模块，用于接收综合态势监显与可视化单元发送的控制指令向频谱采集模块发送，用于接收并转发频谱采集模块采集的频谱信息，用于获取GPS或北斗的时间码、卫星信息及位置信息，还用于根据设定的包格式将存储的数据通过TCP/IP网络协议传输至综合态势监显与可视化单元。
作为上述系统的一种改进，所述控制指令包括频谱参数指令和I/Q参数指令，其中，所述频谱参数指令用于描述频段扫描参数，包括频率模式、起始频率、终止频率、中心频率、频宽、参考电平和分辨率带宽，所述I/Q参数指令用于描述I/Q采集参数，包括中心频率、带宽、参考电平和采集时间。
作为上述系统的一种改进，所述设定的包格式包括数据包头、业务数据和数据包尾；其中，数据包头包括：目的站点号、发送站点名、电子罗盘、加密标志、电平或场强、模块ID类型值、任务ID、应答标志、应答包标志、经度、纬度、时间和业务数据长度；数据包按帧格式分帧，每帧包括帧头和帧数据。
作为上述系统的一种改进，所述数据传输模块与频谱采集模块基于COM协议传输频谱参数指令、I/Q参数指令和数据包，数据传输模块与频谱采集模块通过高速数据线直连。
作为上述系统的一种改进，所述综合态势监显与可视化单元包括：
异常态势定位模块，用于对接收的数据包通过融合分析，结合自适应插值算法与地理信息生成频谱态势图，并通过分析区域内的场强值变化，定位出异常辐射源位置；
统计分析模块，用于对不同时间段的频率扫描数据进行强度统计，用于对单频点稳定度进行统计，用于提供频率扫描瀑布图分析，还用于对不同时间段的频率占用度进行统计；和
频谱采集功能模块，用于向数字信号综合分析单元发送控制指令，通过发送扫频参数指令和/或I/Q参数指令，实现对环境无线电频谱数据信息的采集。
作为上述系统的一种改进，所述综合态势监显与可视化单元支持单机部署模式和组网部署模式，其中，
所述单机部署模式为：综合态势监显与可视化单元部署在电脑或手机端，通过WIFI或RJ45有线接口与单个数字信号综合分析单元通信；
所述组网部署为：综合态势监显与可视化单元部署在电脑或手机端，通过WIFI或RJ45有线接口与局域网中的多个数字信号综合分析单元协同通信。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的系统有效提升在复杂电磁环境下电磁频谱态势感知能力，适应电子信息系统一体化发展的趋势，有效的保障电磁频谱空间安全，合理利用频谱资源。快速掌握目标区域频谱使用情况，掌控电磁态势；
2、本发明的系统针对空间立体化、频谱碎片化等现状而导致传统的频谱感知手段无法获取完整广域的频谱态势信息等瓶颈问题，以GIS信息为数据基础，基于自适应插值算法，从时、空、频全域进行频谱数据融合，呈现多维度频谱态势；
3、本发明的系统突破碎片化多源频谱信息融合处理技术，具备分布式多域立体空间频谱刻画和资源动态分配规划的能力，初步实现了云-边的电磁态势协同；
4、本发明的系统实现了采集数据的分析调理，开展时频域联合分析，辅助局部态势的分析呈现，获得频谱的热度、孔洞分布，提升频谱态势的信息支援能力。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图；
图2是内部接口示意图；
图3是数据协议；
图4是数据接口及接口协议关系图；
图5是单机工作部署模式；
图6是组网工作部署模式。
具体实施方式
本发明提出了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，该系统包括数字信号综合分析单元和综合态势监显与可视化单元；其中，
数字信号综合分析单元，用于根据综合态势监显与可视化单元发送的控制指令对环境无线电频谱信号进行指定频段扫描与信号采集及异常态势定位，将获取的频谱信息结合获取的时间码、卫星信息和位置进行存储，并发送至综合态势监显与可视化单元进行频谱态势显示。
数字信号综合分析单元包括频谱采集模块和数据传输模块；其中，
所述频谱采集模块，用于接收数据传输模块发送的控制指令，对VHF～C频段内信号按照指定参数进行扫描采集，对指定频率及相关参数进行测量，并对指定频率的AM和/或FM模式的信号解调监听，并发送至数据传输模块；所述相关参数包括电平、调制度、频偏和占用带宽；
所述数据传输模块，用于接收综合态势监显与可视化单元发送的控制指令向频谱采集模块发送，用于接收并转发频谱采集模块采集的频谱信息，用于获取GPS或北斗的时间码、卫星信息及位置信息，还用于根据设定的包格式将存储的数据通过TCP/IP网络协议传输至综合态势监显与可视化单元。
综合态势监显与可视化单元，用于根据接收的频谱数据、位置信息，结合地理信息数据进行融合分析，提供信号分析统计和信号学习占用度分析，以及频谱态势可视化展示，用于结合背景频谱数据，定位出异常辐射源位置，还用于对数字信号综合分析单元发送控制指令。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例
如图1所示，本发明的实施例提供了一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统。主要包括数字信号综合分析单元和综合态势监显与可视化单元，数字信号综合分析单元包括频谱采集模块、数据传输模块和电源模块组成，外接监测天线、GPS/北斗天线和WIFI天线。综合态势监显与可视化单元通过WIFI或RJ45接口与数字信号综合分析单元连接，实现电磁环境数据的采集、分析和展示。图2是内部接口示意图。
综合态势监显与可视化单元和数据传输模块基于TCP/IP协议传输参数和数据，数据传输模块端对外提供Socket监听服务。综合态势监显与可视化单元和数据传输模块接口如下表所示：
表1综合态势监显与可视化单元和数据传输模块接口
一、数字信号综合分析单元
数字信号综合分析单元由频谱采集模块，数据传输模块、电源模块及铝合金整机外壳结构件组成。频谱采集模块采用超外差架构设计，完成频谱信号采集功能。数据传输模块采用Linux系统架构，具备接口数据组织与调理功能。电源模块提供各模块正常工作所需电压、电流。铝合金整机外壳作为整机结构主要部分，完成单元防护、防水、防尘、散热功能。同时实现信号、电气物理接口功能、天线安装定位接口功能。
表2数据传输模块与频谱采集模块接口
接口协议如图3所示。
频谱数据包头结构如下表：
表3频谱数据包头列表
说明：在包传输时，在应用层采用应答机制。接收包正常时，发接收正常应答包；接收不正常时，发请求重发包。发送方在收到应答后，根据应答包类型，决定下一包发送的类型。在应答包中，只含数据包头和包尾，不含业务数据。包头结构共有81个字节，包尾为32个字节的0。
帧结构如下表：
帧格式：帧头+帧数据
表4网络数据帧头结构列表
说明：
(1)在帧传输时，在数据通信层采用应答机制。接收正常时，发接收正常应答帧；接收不正常时，发请求重发帧。发送方在收到应答后，根据应答帧类型，决定下一帧发送的类型。在应答帧中，只含帧头，不含帧数据。
(2)在数据通信层双方，当需要对方断开连接时，发送断开连接命令(帧类型标志为0)，接收方主动断开TCP/IP连接。
(3)除最后帧外，帧数据长度为1400字节。最后帧数据长度按实际长度确定。
(4)帧头共18字节，帧尾为空。
二、综合态势监显与可视化单元
软件数据接口形式包括RJ45网口和无线WIFI接入两种模式。
软件架构设计：
综合态势监显与可视化单元由软件实现。主要包括数据管理和业务功能，数据管理包括地理信息数据管理、频谱数据管理、采集设备管理和结果数据管理；业务功能包括频谱采集、背景频谱学习、统计分析、可用频率推荐和态势定位五个功能，满足业务的需要。
1、数据及接口协议设计
本软件是通过对数字信号综合分析单元采集的频谱数据进行融合算法分析并实现可视化展示，其具体接口关系如图4所示。
2、具体功能
1)频谱采集功能
表5频谱采集功能列表
频谱采集对采集设备控制，实现对环境无线电频谱数据信息的采集。
·扫描模式
中心-频宽/起始-终止模式。
·监测频段起始截止频率
指定被监测频段的起始频率，单位统一使用MHz。
·扫描分辨率带宽设置
指定扫描分辨率带宽，单位统一使用kHz。
·监测数据导入、导出
系统采集文件为符合无线电行业标准的bin文件。
·IQ数据采集
对设定参数且固定时长的IQ数据进行采集，采集区间为30MHz～6GHz，采集时间为0s～10s。采集功能仅需手动开启(会自动关闭，也可手动提前关闭)，需要预先设定采集时间，且与监测数据扫描互斥。系统支持采集存储IQ数据，对重点关注或异常信号采集IQ数据，便于进行信号分析。
2)背景频谱学习功能
通过对频谱采集的监测数据的深入分析，学习背景频谱，按照不同业务频段制定起始频率、步进、门限值，不同时间段分别生成稳态的背景频谱。
表6背景频谱学习指标列表
设置起始频率、学习步进，时间段设置，支持每时、每天、每周生成独立的背景频谱。
3)统计分析功能
系统提供多种数据分析功能，包括频率扫描数据(最大、最小、均值)、单频点稳定度统计、频率扫描瀑布图分析、不同时间段频率占用度统计。
功能如下：
·频率扫描数据(最大、最小、均值)
分析一段时间内扫描数据中出现的最大、最小值，同时计算累计时间内扫描数据的均值。
·单频点稳定度统计
对单频点进行连续监测，记录一段时间内该频率信号强度的变化情况。
·瀑布图分析
对扫描数据在时间上进行累计，并以不同的颜色来表示扫描数据的信号强度。
·不同时间频段占用度统计
4)可用频率推荐
根据扫频测试数据得出不同信道上的频点占用与未占用情况，当频点场强值超过设定的门限值时，系统反馈此频点已经被占用，当频点场强未超过设定的门限值时，系统反馈此频点未被占用。统计业务频段内可用频率情况。
基于现有监测数据以及其频率划分情况，分析在某一位置的频率使用情况。
5)态势定位
系统通过频谱采集监测数据融合分析，结合插值算法生成频谱态势图，分析区域内的场强值的变化，定位出辐射源位置。
功能输入：
功能输出
辐射源位置信息。
6)态势流程设计
为了实现将感知节点采集离散位置点频谱感知数据融合成区域性的电磁频谱态势分布进而结合地理信息系统进行呈现，本方案拟采用三种插值算法进行数据融合处理：自然邻区插值、薄板样条插值、克里金插值。
3、软件部署
系统支持单机部署和组网两种工作部署模式。分别如图5和图6所示。
1)单机工作部署模式
单机任务是通过手持式设备或者笔记本电脑连接接收机分析频谱信息。
2)组网工作部署模式
本地组网部署模式为多个单元和一台控制终端组成，设备之间通过局域网实现组网协同通信的工作模式。
创新点
(1)复杂频谱环境下的电磁信号时频域综合分析技术
实现了采集数据的分析调理，开展时频域联合分析，辅助局部态势的分析呈现，获得频谱的热度、孔洞分布，提升频谱态势的信息支援能力。
(2)基于地理信息的频谱态势综合与呈现技术
针对电磁空间立体化、频谱碎片化等现状而导致传统的频谱感知手段无法获取完整广域的频谱态势信息等瓶颈问题，以GIS信息为数据基础，基于自适应插值算法，从时、空、频全域进行频谱数据融合，呈现多维度频谱态势。
(3)云-边态势协同技术
突破碎片化多源频谱信息融合处理技术，研制了电磁态势感知终端原理样机，开展了原型系统的测试与示范应用，具备分布式多域立体空间频谱刻画和资源动态分配规划的能力，初步实现了云-边的电磁态势协同。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述系统包括数字信号综合分析单元和综合态势监显与可视化单元；其中，
所述数字信号综合分析单元，用于根据综合态势监显与可视化单元发送的控制指令对环境无线电频谱信号进行指定频段扫描与信号采集及异常态势定位，将获取的频谱信息结合获取的时间码、卫星信息和位置进行存储，并发送至综合态势监显与可视化单元进行频谱态势显示；
所述综合态势监显与可视化单元，用于根据接收的频谱数据、位置信息，结合地理信息数据进行融合分析，提供信号分析统计和信号学习占用度分析，以及频谱态势可视化展示，用于结合背景频谱数据，定位出异常辐射源位置，还用于对数字信号综合分析单元发送控制指令。
2.根据权利要求1所述的面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述数字信号综合分析单元包括频谱采集模块和数据传输模块；其中，
所述频谱采集模块，用于接收数据传输模块发送的控制指令，对VHF频段～C频段内信号按照指定参数进行扫描采集，对指定频率及相关参数进行测量，并对指定频率的AM和/或FM模式的信号解调监听，并发送至数据传输模块；所述相关参数包括电平、调制度、频偏和占用带宽；
所述数据传输模块，用于接收综合态势监显与可视化单元发送的控制指令向频谱采集模块发送，用于接收并转发频谱采集模块采集的频谱信息，用于获取GPS或北斗的时间码、卫星信息及位置信息，还用于根据设定的包格式将存储的数据通过TCP/IP网络协议传输至综合态势监显与可视化单元。
3.根据权利要求2所述的面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述控制指令包括频谱参数指令和I/Q参数指令，其中，所述频谱参数指令用于描述频段扫描参数，包括频率模式、起始频率、终止频率、中心频率、频宽、参考电平和分辨率带宽，所述I/Q参数指令用于描述I/Q采集参数，包括中心频率、带宽、参考电平和采集时间。
4.根据权利要求3所述的面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述设定的包格式包括数据包头、业务数据和数据包尾；其中，数据包头包括：目的站点号、发送站点名、电子罗盘、加密标志、电平或场强、模块ID类型值、任务ID、应答标志、应答包标志、经度、纬度、时间和业务数据长度；数据包按帧格式分帧，每帧包括帧头和帧数据。
5.根据权利要求4所述的面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述数据传输模块与频谱采集模块基于COM协议传输频谱参数指令、I/Q参数指令和数据包，数据传输模块与频谱采集模块通过高速数据线直连。
6.根据权利要求1所述的面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述综合态势监显与可视化单元包括：
异常态势定位模块，用于对接收的数据包通过融合分析，结合自适应插值算法与地理信息生成频谱态势图，并通过分析区域内的场强值变化，定位出异常辐射源位置；
统计分析模块，用于对不同时间段的频率扫描数据进行强度统计，用于对单频点稳定度进行统计，用于提供频率扫描瀑布图分析，还用于对不同时间段的频率占用度进行统计；和
频谱采集功能模块，用于向数字信号综合分析单元发送控制指令，通过发送扫频参数指令和/或I/Q参数指令，实现对环境无线电频谱数据信息的采集。
7.根据权利要求6所述的面向复杂电磁环境的频谱态势感知系统，其特征在于，所述综合态势监显与可视化单元支持单机部署模式和组网部署模式，其中，
所述单机部署模式为：综合态势监显与可视化单元部署在电脑或手机端，通过WIFI或RJ45有线接口与单个数字信号综合分析单元通信；
所述组网部署为：综合态势监显与可视化单元部署在电脑或手机端，通过WIFI或RJ45有线接口与局域网中的多个数字信号综合分析单元协同通信。
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