基于全国短波监测系统测向定位功能的实现

 引 言

　　无线电定位技术起源于军事科学研究，在军事应用上，是一种捕获和分析敌方无线电通讯、以此了解敌方指挥中心位置、部队配置和调动等情况的重要电子侦察和对抗手段。 近年来，随着无线电通信技术的飞速发展和频段覆盖密度的增加，作为无线电频率指配程序的重要部分，为无线电管理部门提供频率规划、指配和协调的技术支持的无线电测向和定位技术，得到了更深层次的应用。尤其在查处未知干扰信号源方面，无线电测向和定位技术已成为我国进行无线电科学管理的技术基础、维护空中电波秩序的重要手段。

　　全国短波监测网络系统由国家无线电监测管理中心和分布在各地的多个固定监测站及多个移动监测站组成。各地的移动监测站通过本地的固定监测站联接到全国短波监测网络系统中，从而实现各地短波监测站的全国网络化管理及资源的极大共享。该系统是一个无中心的网络，经控制中心授权后，网内任一监测单元均可成为指挥操作控制中心。全网具有无人值守工作模式下的不间断工作能力，完成监测控制中心下达的各类监测任务，如信号的记录、信号参数的测量及信号源地址的定位等。为了确定信号源的地理位置，常用两个或多个固定测向站联网进行测向定位。本文主要涉及信号源定位功能的设计与实现。

2 技术背景

2．1 Delphi 7．0和MapX的集成开发

　　MapX是MapInfo公司向用户提供的具有强大地图分析功能的ActiveX控件产品，是一个当今普遍使用的ComGIS(组件式地理信息系统)组件。他是一种基于Windows操作系统的标准控件，因而能支持绝大多数标准的可视化开发环境，如：Visual C++，Visual Basic，Delphi，PowerBuilder等。编程人员可以选择熟悉的开发环境，脱离Maplnfo的软件平台运行。MapX采用基于Maplnfo Professional相同的地图化技术，可以实现Maplnfo Professional所具有的绝大部分地图编辑和空间分析功能。MapX为开发人员提供了一个快速、易用、功能强大的地图化组件。在Delphi 7．O开发环境中，设计阶段只需将MapX控件嵌入于窗体，并进行编程、设置属性、调用方法和事件，就可以轻松实现地理空间数据的可视化，完成空间查询、地理编码、专题分析等丰富的地图信息系统功能。

　　本系统是基于Delphi 7．0对MapX进行的集成二次开发系统。系统采用OLE Automation(对象连接嵌入自动化)技术，用Delphi 7．O开发前台可执行应用程序，以OLE自动方式启动GIS工具软件MapInfo在后台运行。

2．2 Oracle关系数据库

　　Oracle关系数据库系统是目前世界上伸缩性最好，功能最齐全的关系数据库管理系统。系统具备更灵活的事务处理能力，更加强健完善的数据仓库技术以及智能化的内容管理和自我管理及严密的安全性机制，其分布式数据库管理提供了新的分布式数据库能力。物理上存放于网络的多个Oracle数据库，逻辑上可以看成一个单个的大数据库，服务器之间的协同处理对于工作站用户及应用程序而言是完全透明的。开发人员无需关心网络的连接细节、无需关心数据在网络节点中的具体分布情况、也无需关心服务器之间的协调工作过程，用户可通过网络较方便地读写远端数据库里的数据，似乎远端的数据就在本地。

　　基于Oracle的以上多种优点，为了保存系统实时的测向数据、频谱数据、语音数据和实现站内、站间各计算机的数据共享及查询，本系统采用了大型关系型数据库Oracle作为系统数据保存模块的后台支持。

3 整体构架

　　系统采用Boland公司的Delphi 7．0作为前台开发环境，后台则采用Oracle 8．O大型关系数据库系统，以Maplnfo公司的地理信息系统控件(ActiveX)MapX作为地图控件。图1是交会定位功能的构成模块。

4 模块功能

4．1 发送命令、数据接收模块

　　发送命令是中心控制站向监测站(可无人值守)发送包含目标发射源的频率、带宽等参数的测向命令的过程。整个系统的命令的发送和数据的接收显示是通过基于Delphi消息系统的消息模块来实现的。在实现交会定位任务时，由消息模块把由界面窗口发出的命令以消息转发到相应的服务模块，同时，在数据返回时，消息模块把底层服务模块处理的结果以消息返回到请求方，进而实现消息和数据的交换，也即是完成用户的请求。为了方便系统消息的管理和设计，在用户请求服务时创建消息，而在用户要求停止服务时释放消息，为了将请求服务的消息和停止服务的消息关联起来，需要设置相应的数据结构来保存消息、设备编号、操作等信息，以便在停止服务时查找到相应的启动服务。 4．1．1 创建消息函数

　　成功后返回一个TMessage对象，否则为nil。同时，界面窗口需要保存消息的标志(每个新建的消息都有一个惟一的ID标志，用以区分不同的消息)。

4．1．2 发送消息函数

　　成功后返回1，其他返回表示失败。该函数根据msg中的dest判断是本地设备还是远程设备，若是本地设备则发送到底层驱动，若是远程设备，则向网络发送。

　　function BSSendMessage(msg：TBSMessage)：TBSType；

4．1．3 界面窗口接收消息

　　消息模块收到底层服务模块发送回的数据后，将数据转化为消息转发给相应的界面窗口。界面窗口只处理自己发送出的消息，也就是该消息ID与在本窗体中产生的消息的ID一致，该检查机制是通过TBSWindowSessionIDInfo类的CheckSessionId方法完成的。消息传递的是数据的地址和长度信息，所以界面窗口收到响应的消息后，需要对消息进行解析来获取数据信息，以进行处理与显示。

4．2 测向、频谱数据显示模块和语音模块

　　在进行多站交会定位时，为了克服相近频率的干扰，保证各个测向站监测的是同个发射源，系统加入了实时频谱显示和对比实时电台声音两个功能。

　　在交会中，主控站发送交会命令mMeasuring(True，DeviceId，FLeftId，FRightld，mfDirectionCross)到各监测站。各监测站收到命令后，分别向底层发送测向命令mMeasuring(True，DeviceId，FLeftId，FRightId，mfDirectionFind)和频谱命令mMeasuring(True，Deviceld，FLeftId，FRightId，mfSpectrum)，并将被监测信号的测向和频谱数据均返回给主控方，主控方通过对比频谱图来确定目标信号的一致性和准确性。语音模块中，系统提供了左右两个独立的声道，分别由mMeasuring命令中的FLeftId，FRightId标志。Win32 APIs中有一组被称成多媒体控制接口(即MCI)的函数，该接口提供了多媒体编程所需的系统级APIs，这些函数也就是Windows多媒体编程的最低层接口，由这些代码直接操作真实的音频设备。该模块采用线程技术，利用Windows API函数，将音频操作做成一个服务AudioServer。从网络接收或本地采集得到音频数据，放入开辟的缓冲区内，通过加入时间标签来保证声音播放时的连续性和左右一致性。该缓冲区采用循环存储和播放的技术，用户可以通过左右两个声道来同时对比不同监测站的目标电台的声音，以保证目标源的一致性。

基于全国短波监测系统测向定位功能的实现
2007/2/28/16:25  来源：《现代电子技术》
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4．3 数据存储模块

　　数据库系统采用的是灵活、安全的Oracle数据库实现C／S存储管理模式。其主要有两个方面的功能，一个是业务管理：支持各个监测方式下的测量数据实时存储和回放；另一方面则是数据库本身的管理：数据库的备份、恢复、查询、删除、报表管理等。因此本系统分为两个逻辑子系统：数据库管理维护模块和业务支持模块，采用多线程及多进程工作方式。

　　数据存储模块的结构如图2所示。

4．4 数据处理模块

4．4．1 数据同步模块

　　在目标发射源移动时，由于网络数据的传递存在延迟甚至中断的因素，为了保证参加交会运算时各监测站数据的同步性，系统加入了数据同步模块。该模块以GPS接收机作为硬件支持，各监测站发送测向数据时加入GPS时间，中心控制站接收数据后，通过比较GPS时间来抛弃延迟数据，筛选出有效的同步数据组来进行交会计算。

4．4．2 数据校正

　　短波在反射时，会因为电离层局部的不均匀性而导致电波的散射，所以，被测信号是由彼此相互干涉的许多波束构成的，且每一个反射波束一般都伴随着圆锥形的散射波束，这使得示向度在很大范围内快速移动，其变化周期从几分之一秒到5秒或更长。在软件中，校正的具体做法是：在测向时设定一个足够长的时间段(该时间段由用户根据实际情况设置，默认为5 min)，将其平均。主要步骤如下：

　　(1)将测向机的示向度平均时间设置为5 s或10 s；

　　(2)每隔20 s(用户可设置)从测向机读取一次平均值m和测向质量(示向度等级)q，在5 min(用户可设置)内共得到15个示向度平均值mi和15个相应的测向质量qi；

　　(3)求5 min平均时间的示向度平均值与方差。由于示向度的范围是O～360°，为了避免在0°附近摆动而使计算结果不准确，所以采用公式：

求取平均值mp，由分式的分子与分母的符号决定其所在象限。

(4)剔除离散大的示向度：将mi与mp比较，将与Mp相差大的示向度剔除，然后按步骤(3)重新计算示向度的平均值与方差。

4．4．3 交会算法

　　为了确定辐射源的位置，除了单站定位，往往需要两个以上位置不同的测向站组网测向(在目标固定时，也可用移动测向站，在不同位置依次分时交测)，用各测向站的示向线进行交会。测向站越多，定位越精确。

为了保证定位结果的精确性，系统采用了以原有的思想为基础，但更加完善的多站交会算法。该算法中的两两交会部分将各种情况(测向站和辐射源的不同位置关系)具体表示成了了8种不同的球面定位三角形，其中一种位置关系及其相应公式如下：

　　假定两个测向点为P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，两个测向角为ρ1和ρ2，求信号辐射源的坐标S=(λs，φs)。

　　坐标经度λs：
为了保证定位结果的精确性，系统采用了以原有的思想为基础，但更加完善的多站交会算法。该算法中的两两交会部分将各种情况(测向站和辐射源的不同位置关系)具体表示成了了8种不同的球面定位三角形，其中一种位置关系及其相应公式如下：

　　假定两个测向点为P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，两个测向角为ρ1和ρ2，求信号辐射源的坐标S=(λs，φs)。

　　坐标经度λs：
为了保证定位结果的精确性，系统采用了以原有的思想为基础，但更加完善的多站交会算法。该算法中的两两交会部分将各种情况(测向站和辐射源的不同位置关系)具体表示成了了8种不同的球面定位三角形，其中一种位置关系及其相应公式如下：

　　假定两个测向点为P1=(λ1，φ1)，P2=(λ2，φ2)，两个测向角为ρ1和ρ2，求信号辐射源的坐标S=(λs，φs)。

　　坐标经度λs：

除此以外，为了真实反映测向误差的影响，详细标识定位结果的精确程度，在交会算法模块中加入了概率椭圆长、短轴及偏转角的计算。该误差椭圆直观地表明了最佳交会点以一定的概率位于其中的位置范围。经过实际应用，该算法的准确性已得到了高度肯定。

4．5 电子地图显示模块

　　模块以MapX作为地图控件，嵌入中国地图2002-2003年数字化电子地图版作为系统加载的地图，取国界、面省界、线省界、海岸线、省会城市5个图层作为加载图层。采用了刷新速度快的动态图层(Animation Layer)技术的电子地图除了能实时标识测向站，绘画示向线，显示最佳交会点和误差概率椭圆外，还能显示MapInfo格式的地图数据，支持地图的放大、缩小、平移和选择等操作，图层的自由控制，简单的地理查询等等。实例如图4所示。

5 结语
　　
　　全国短波监测网络系统采用先进的技术手段和设施，通过对声音信号进行监听，对频谱进行对比来对干扰源进行测向定位，查处非法电台，从技术上保证国家无线电管理条例的贯彻执行，防止有害干扰，确保各种无线电设备正常运行，使有限的频谱资源得到合理、科学、有效的开发和利用。