一种新算法的干扰信号侦测、追踪与定位系统

1 引言
    在大型集会场合，武警、公安在复杂电磁环境下要求快速准确传递信息，完成执勤、处突和反恐等任务，而自然环境和人为干扰将直接影响信息传输。准确侦测定位干扰信号。可以及时了解干扰环境的组成、特点和电磁态势，有助于做出正确的应对措施。目前，国内外虽均有用于电磁检测的设备，但价格昂贵，因此提出一种新算法的干扰信号侦测、追踪与定位系统，该系统设计的硬件设备、电路设计简单。并具有小型灵活、简单实用、性价比高等特性。

2 新算法与经典算法比较
    传统目标源定位中，计算目标源经度和纬度的经典算法主要有2种：一是“两点定位法”，即2条相对干扰源的定向射线(由测量时，定向天线给出的方向)交于一点，则这一交点，就是所要求的目标点，如图l所示。

    这种算法缺点是在求解干扰源C的经、纬度过程需考虑的情况较多。例如求解过程中，以测量点A为例，A点的经度可能比B点高，或比B点低；A点的纬度可能比B点高，或比B点低，这共有4种情况，再加上干扰点C的每一种情况对应的2种不确定性，那么实际C点在求解过程中可能性共有4×4=16种。那么至少要编写16个子程序，其编程过程异常复杂，且易于出错。
    二是“双曲线定位法”，该定位法是以三个测量点中的任意两个为双曲线的焦点，并作两对双曲线，这两对双曲线必然有交点，该交点就是所求的干扰点。但这种方法也存在多种情况，分析比较复杂。因此基于该系统设计的要求，提出了一种新的定位算法。
    该新算法主要优点：建立数学模型，简洁、明了和直观地分析问题；极大改进“两点定位法”，避免各种复杂、繁琐情况的出现，避免因南北半球或者经、纬度的矢量性而产生的计算错误；简化系统程序的复杂程度，提高程序的运行速率，缩短程序运行的周期，从而加快干扰源的追踪和定位；精简系统设备，降低设备成本，扩展原有系统功能。

3 系统算法
    该系统设计的核心算法可分成两部分，一是干扰点的跟踪和定位，也就是求解干扰源经、纬度；二是求解距离，即求解干扰源C与测量点A和B的距离。软件设计时，以模块化的设计思想，结合TMS320F2812的指令及其硬件的结构特点，系统软件设计分为算法主程序和A/D转换程序。
3．1 干扰侦测系统的基本原理
    图2为干扰侦测与定位系统原理图。为了直观，把整个系统的主要原理图抽象到二维平面坐标系中，其中：A点为侦测的主机位置；B点为侦测的从机位置；C点为待测干扰源；Jl为主机测试点A和干扰源C点之间的连线与正北方向的夹角；J2为从机测试点B和干扰源C点之间的连线与正北方向的夹角。以A点为坐标参考点，令A点坐标为(AJ，AW)，则B点和C点的坐标分别是(BJ—AJ，BW—AW)、(CJ—AJ，CW—AWl：坐标X轴定义为经度，Y轴定义为纬度。

    假定坐标系XOY中，在A点进行干扰测试，当频谱仪的探测天线转到与正北方向成J1角度时，干扰信号强度最大、干扰信号最强，因此可以确定干扰源就在射线AA’上，其干扰信号与主机测量点(以正北方向为参考方向)的夹角就是Jl；同理，在从机探测点B点测量时，干扰源就在射线BB’上，其干扰信号与从机测量点(以正北方向为参考方向)的夹角就是J2；两条射线AA’和BB’的交点就是干扰源C点，即完成干扰源的侦测和定位。假如测量过程中，干扰源不停移动，由于整个系统在定位时，干扰源的定位时间非常短暂，因此，经过多次侦测和定位，可形成无数个C点组成的干扰源轨迹，从而发现干扰源的运动参数，完成对干扰信号的追踪。
3．2 计算干扰源经度和纬度
    在平面直角坐标系XOY中，令干扰源C点的坐标为(X，Y)，则直线AC的斜率为：

    由上可知，坐标系XOY中，求解C点的坐标(X，Y)。令C点的经度坐标为CJ，纬度坐标为CW，则最终C点的坐标为(AJ+X，AW+Y)。干扰源C点的坐标表达式中各项参数，均可由已知条件和测量结果获得，因此该算法完成干扰源的追踪与定位。
3．3 干扰源C点与侦测点A和B的距离
    已知两点的经度和纬度，利用式(3)求解出这两点之间的距离。通过计算得出主机侦测点A和干扰源C的经度和纬度坐标分别是(AJ,AW)和(AJ+x，AW+y)，则A和C的实际距离dAC可表示为：

   

4 算法应用
    WJ-1型电磁干扰测量仪是基于该新算法而设计的，已应用于北京奥运会。该电磁干扰测量仪不仅能够对干扰信号进行全方位侦测、追踪、定位、计算出其移动中干扰信号运动轨迹和寻找到干扰源最佳路径，且还大大简化原有抗干扰系统的设备的复杂度。而该设备中基于此算法由STCl2C5410AD单片机控制的自旋式超宽带方向天线很好地解决抗干扰，简化系统复杂度，节约成本。WJ-1型抗干扰侦测系统工作流程如图3所示。

    整个系统分为主机和从机两大部分，主机和从机配合工作，扫描干扰信号的自旋式超宽带方向天线，计算模拟信号处理A／D转换在主从机的各自数值。在从机中干扰信号经频谱仪分析处理后，得到的各项参数传输给主机，有CPU统一处理。中角度传感器主要用于记录自旋式超宽带方向天线的旋转角度，STC单片机用于控制角度传感器和步进电机，其中步进电机转动其精度达0．05°/步，即平面方向精度可以达0．05°／步。CPU综合主机、从机中对干扰信号分析的各项参数和地理坐标信息，经计算得到干扰源的经度、纬度，GPS导航后，显示寻找干扰源的最佳路径，同时也可在电子地图上显示干扰源周围的地形地貌特征。

5 结语
    提供了一种极优算法，通过把复杂的干扰信号追踪与定位问题抽象到数学模型中，大大简化信号求解过程中的计算量，同时也简化程序软件设计。