基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)及其方法與流程

本發(fā)明涉及短波通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

天波與地波是高頻通信的兩種基本傳播途徑。理論條件下，地波傳播距離通常不會超過80km(在實際應(yīng)用中這一距離受地形限制會更短，甚至只有幾公里)，而天波的傳播距離通常不會低于200km。因此，距離發(fā)射點約80～200km的區(qū)域是短波電波無法覆蓋的，稱之為“盲區(qū)”(寂靜區(qū))，如圖1所示。

NVIS(Near-Vertical Incidence Sky-wave，近垂直入射天波)是一種使用高仰角天線的傳播模式，如圖2所示，通過采用近90°的發(fā)射仰角并選擇低于臨界頻率的適合頻率，可建立半徑為0～500公里左右的有效通信，是目前解決短波“盲區(qū)”效應(yīng)的重點研究領(lǐng)域。但NVIS系統(tǒng)的有效性與選頻密切相關(guān)，且與普通短波通信相比較，對選頻具有更高的要求，因此選頻的可靠性與時效性一直是制約NVIS系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸問題之一。

按照國際慣例，NVIS的工作頻率通常選擇低于F₂層臨界頻率(f₀F₂)10％～15％附近的頻譜空穴位置。而電離層信道屬于典型的時變色散信道，f₀F₂和頻譜空穴隨時都處于變化之中，因此動態(tài)的捕獲f₀F₂和頻譜空穴并實時推送給NVIS系統(tǒng)對其工作的有效性至關(guān)重要。目前對這兩個數(shù)據(jù)的獲取采用的方法及存在問題如下：

(1)臨界頻率

①實時探測。采用電離層脈沖探測、Chirp探測等方式獲取當(dāng)前電離層參數(shù)狀態(tài)。優(yōu)點是可以準(zhǔn)確地獲得整個頻段的信道質(zhì)量狀況，具有較高的選頻性能。但該類選頻系統(tǒng)通常比較復(fù)雜龐大，頻繁的發(fā)送探測信號，在戰(zhàn)場環(huán)境下 對設(shè)備和人員都會帶來極大的安全隱患。且通信和探測彼此分離，通信終端用戶往往難以實時獲得該類選頻系統(tǒng)的發(fā)布結(jié)果，導(dǎo)致其時效性大大降低。

②互聯(lián)網(wǎng)獲取。分布在全球范圍內(nèi)的電離層探測站會將本站的探測數(shù)據(jù)周期性的發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，通過對這些數(shù)據(jù)進行插值換算可獲取本地的f₀F₂值。該方法精度相對較高，但需要以接入互聯(lián)網(wǎng)為前提，軍事應(yīng)用的安全性較低。且從互聯(lián)網(wǎng)上所獲取的探測數(shù)據(jù)通常不是實時數(shù)據(jù)，許多站點的數(shù)據(jù)是隔日的，因此更準(zhǔn)確的說法是“準(zhǔn)實時”數(shù)據(jù)。

③基于統(tǒng)計規(guī)律的長期預(yù)報。該方法簡便易行，可方便地應(yīng)用到機動工作臺站，但精度較低，應(yīng)用到具體某一線路時往往不能取得理想的效果。

(2)頻譜空穴

對短波頻譜空穴的位置追蹤通常采用全頻段快速掃頻的方式來實現(xiàn)，只要掃頻速度足夠快，就可以實現(xiàn)對全頻段頻譜空穴的快速鎖定和跟蹤。但此類頻譜監(jiān)測設(shè)備通常比較復(fù)雜龐大，且與用頻設(shè)備相互分離，機動臺站(尤其是背負式臺站)無法實時獲取監(jiān)測臺站數(shù)據(jù)，因此難以滿足實際工作需要。由此可見，有效解決目前NVIS系統(tǒng)的選頻問題，需要重點解決選頻精度與時效性相統(tǒng)一的難題。即在保證選頻可靠性的同時，盡量縮短選頻與用頻之間的時差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請通過提供一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)及其方法，在不發(fā)射無線電探測信號的前提下，通過接收外界電離層反射信號來跟蹤電離層F₂層臨界頻率f₀F₂的變化趨勢，實現(xiàn)了在通信間隙對“頻譜空穴”快速捕捉，并實時對通信頻率進行調(diào)整，以解決現(xiàn)有技術(shù)中一直制約NVIS系統(tǒng)發(fā)展的選頻可靠性和時效性的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本申請采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)，包括NVIS天線、天線共用器、通信設(shè)備以及頻譜實時監(jiān)測模塊，所述頻譜實時監(jiān)測模塊與所述通信設(shè)備通過所述天線共用器共用所述NVIS天線，當(dāng)所述通信設(shè)備空閑時，所述頻譜實時 監(jiān)測模塊通過所述NVIS天線接收射頻信號并分析其頻譜特征，當(dāng)所述通信設(shè)備工作時，所述天線共用器將所述NVIS天線切換至所述通信設(shè)備連接狀態(tài)，其中，所述頻譜實時監(jiān)測模塊包括放大濾波單元、A/D采樣器、數(shù)字下變頻單元以及微處理器，射頻信號經(jīng)過所述放大濾波單元的放大濾波處理及所述A/D采樣器的采樣處理后得到采樣信號，該采樣信號同時輸入到所述數(shù)字下變頻單元以及所述微處理器，所述數(shù)字下變頻單元對該采樣信號進行數(shù)字下變頻處理后，將輸出的中頻數(shù)字信號輸入到所述微處理器，由微處理器篩選并分發(fā)最終工作頻率集到所述通信設(shè)備，從而實現(xiàn)選頻與通信設(shè)備的一體化。

進一步地，本發(fā)明對天線具有良好的兼容性，適用于低架雙極天線、倒V天線、斜天線幾種常用的NVIS通信天線。

一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)的選頻方法，包括如下步驟：

S1：對接收到的射頻信號進行放大濾波、A/D采樣及FFT變換后,計算干擾重心頻率ICF，具體為：

S11：對射頻信號進行放大濾波、A/D采樣及FFT變換后，輸出短波全頻段的干擾能量值；

S12：依據(jù)人為噪聲系數(shù)中值與頻率關(guān)系曲線，修正干擾能量值，濾除人為噪聲影響；

S13：設(shè)置能量門限值，剔除突發(fā)性干擾和臨近臺站的強信號干擾；

S14：計算干擾重心頻率式中，F(xiàn)_i為第i個頻率，D(F_i)為F_i的干擾能量值，n為頻率點個數(shù)；

S2：通過電離層F₂層臨界頻率f₀F₂與干擾重心頻率ICF的映射關(guān)系：f₀F₂＝f(a*ICF+b)，輸出臨界頻率f₀F₂，其中，關(guān)聯(lián)系數(shù)a、b是通過對不同天線選型下臨界頻率f₀F₂測量的樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用最小均方差的準(zhǔn)則來確定的；

S3：根據(jù)中緯度地區(qū)的電離層可反射的最高垂直入射頻率f_xF₂與電離層F₂ 層臨界頻率f₀F₂的映射關(guān)系：或者f_xF₂-f₀F₂≈f_H/2，計算f_xF₂,式中,f_H為地磁頻率，是f₀F₂的平方，是f_xF₂的平方，計算f_xF₂；

S4：代入NVIS天線的發(fā)射仰角，計算出最大斜向入射頻率值f_obl；

S5：取(f_obl-2,f_obl)MHz為最佳工作頻段，即NVIS通信窗口；

S6：輸出帶寬內(nèi)的各點能量值；

S7：判斷輸出的各點能量值是否低于設(shè)置的能量門限值，如果是，則進入步驟S8，否則，丟棄；

S8：將(f_obl-2,f_obl)內(nèi)安靜的頻率點加入最終功率頻率集，所述頻率實時監(jiān)測模塊輸出最終工作頻率集到所述通信設(shè)備。

進一步地，步驟S1中的FFT變換是65536/N點的FFT變換，N為整數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整。

進一步地，所述數(shù)字下變頻帶寬設(shè)定為2MHz。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，具有的技術(shù)效果或優(yōu)點是：

(1)在通信間隙快速捕捉短波“頻譜空穴”，并實時調(diào)整通信頻率，具有選頻精度高、速度快、隱蔽性強等特點；

(2)基于無源監(jiān)測的跟蹤技術(shù)可以在不發(fā)射無線電探測信號的前提下，通過接收外界電離層反射信號來跟蹤電離層F₂層臨界頻率f₀F₂的變化趨勢，極大地提高了通信的隱蔽性和抗毀性，且設(shè)備簡單，易于集成，在快速隱蔽的軍事通信中有重要的意義。

附圖說明

圖1為短波通信盲區(qū)示意圖；

圖2為NVIS傳播示意圖；

圖3為NVIS快速選頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為頻譜實時監(jiān)測模塊框圖；

圖5為短波全頻段實時頻譜圖；

圖6為NVIS快速選頻方法流程圖；

圖7(a)為電離層F₂層臨界頻率f₀F₂對比圖1；

圖7(b)為電離層F₂層臨界頻率f₀F₂對比圖2；

圖8(a)為倒V天線測量的ICF分布圖；

圖8(b)為雙極天線測量的ICF分布圖；

圖8(c)為15米斜天線測量的ICF分布圖；

圖9為本地電離層F₂層臨界頻率f₀F₂的實時估算值對比圖。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)及其方法，在不發(fā)射無線電探測信號的前提下，通過接收外界電離層反射信號來跟蹤電離層F₂層臨界頻率f₀F₂的變化趨勢，實現(xiàn)了在通信間隙對“頻譜空穴”快速捕捉，并實時對通信頻率進行調(diào)整，以解決現(xiàn)有技術(shù)中選頻的可靠性和時效性一直制約NVIS系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)問題。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式，對上述技術(shù)方案進行詳細的說明。

實施例

一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)，如圖3所示，包括NVIS天線、天線共用器、通信設(shè)備以及頻譜實時監(jiān)測模塊，所述頻譜實時監(jiān)測模塊與所述通信設(shè)備通過所述天線共用器共用所述NVIS天線，當(dāng)所述通信設(shè)備空閑時，所述頻譜實時監(jiān)測模塊通過所述NVIS天線接收射頻信號并分析其頻譜特征，當(dāng)所述通信設(shè)備工作時，所述天線共用器將所述NVIS天線切換至所述通信設(shè)備連接狀態(tài)，其中，所述頻譜實時監(jiān)測模塊包括放大濾波單元、A/D采樣器、數(shù)字下變頻單元(DDC)以及微處理器，射頻信號經(jīng)過所述放大濾波單元的放大濾波處理及所述A/D采樣器的采樣處理后得到采樣信號，該采樣信號同時輸入到所述數(shù)字下變頻單元以及所述微處理器，所述數(shù)字下變頻單元對該采樣信號進行數(shù)字下變頻處理后，將輸出的中頻數(shù)字信號輸入到所述微處理器，由微 處理器篩選并分發(fā)最終工作頻率集到所述通信設(shè)備，從而實現(xiàn)選頻與通信設(shè)備的一體化。

本發(fā)明對天線具有良好的兼容性，適用于低架雙極天線、倒V天線、斜天線幾種常用的NVIS通信天線。

短波的可用頻率短波信道是典型的時變色散信道，選頻的“窗口”動態(tài)性極強，這種動態(tài)性不僅體現(xiàn)在頻域上可用頻段的規(guī)律性變化，也體現(xiàn)在時域上頻率的快速衰變。在特定條件下，甚至?xí)霈F(xiàn)幾分鐘之前尚可進行良好通信的頻率點，幾分鐘之后已經(jīng)完全無法使用了。因此短波NVIS選頻的核心在于快速鎖定“可用頻段”和快速篩選并分發(fā)工作頻率至用戶臺，解決這一問題的根本途徑在于為通信設(shè)備提供快速而有效的選頻機制，并實現(xiàn)通信與選頻設(shè)備一體化，即實現(xiàn)設(shè)備級的頻譜管理模式。本發(fā)明提出無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)就是使用無源選頻技術(shù)來實現(xiàn)對“可用頻段”的實時跟蹤，用短波頻譜“空穴”快速捕獲技術(shù)實現(xiàn)對頻譜占用情況的實時分析及篩選。在實現(xiàn)形式上以頻譜實時監(jiān)測模塊為核心，通過與通信設(shè)備共用天線的形式來接收并分析頻譜特征。

由于NVIS天線的仰角大，且為了獲得好的傳輸效果又需要將工作頻率盡量靠近f₀F₂，因此其可用工作頻段通常比較狹窄。同時NVIS系統(tǒng)工作頻率一般不會高于12MHz，而這一頻段恰恰是短波干擾最為嚴(yán)重的頻段。因此要達成可靠的通信，必須將電離層的隨機變化和電磁環(huán)境干擾等納入影響因素之中。也就是說，在選定通信“窗口”頻段的同時，必須具備實時捕捉“窗口”內(nèi)頻譜“空穴”的能力。

為了提高頻譜“空穴”的撲捉速度以及最終實現(xiàn)與通信設(shè)備的有機融合，本發(fā)明中頻譜實時監(jiān)測模塊引入了軟件無線電思想，將傳統(tǒng)的中頻數(shù)字化向天線端靠近，把更多的工作交給軟件處理，以最大限度的減小整個設(shè)備的體積、重量，同時性能指標(biāo)也可以更加優(yōu)化。

如圖4所示，射頻信號經(jīng)過放大、濾波、采樣數(shù)字化處理后，直接送入高速微處理器進行處理。首先對A/D采樣器輸出的數(shù)字信號進行加窗處理，然后 進行65536/N點的FFT運算(N為整數(shù)，可根據(jù)系統(tǒng)需求進行調(diào)整)。為進一步捕獲頻率“空穴”的詳細信息，對采樣信號再進行數(shù)字下變頻處理后，將輸出的中頻數(shù)字信號進行濾波處理，再進行加窗和FFT運算，可獲取20K～2M不同帶寬范圍內(nèi)的頻譜細化圖。在通信間隙中進行實時選頻時，為了縮短分析時間可將DDC帶寬設(shè)定為2MHz，此時的分辨率為100Hz，足以滿足對短波3KHz信號帶寬的細化分析。圖5為采用本發(fā)明方法捕獲的短波全頻段實時頻譜圖，利用后臺軟件算法可快速捕獲當(dāng)前的頻譜“空穴”位置。這種監(jiān)測模塊與通信模塊一體化設(shè)計的最大優(yōu)勢在于：可實現(xiàn)在通信間隙對“空穴”完成快速捕獲，并實時對通信頻率進行優(yōu)選與調(diào)整。

一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)的選頻方法，如圖6所示，包括如下步驟：

S1：對接收到的射頻信號進行放大濾波、A/D采樣及FFT變換后,計算干擾重心頻率ICF：

S11：對射頻信號進行放大濾波、A/D采樣及FFT變換后，輸出短波全頻段的干擾能量值；

S12：依據(jù)CCIR258-2報告中人為噪聲系數(shù)中值與頻率關(guān)系曲線，修正干擾能量值，濾除人為噪聲影響；

S13：設(shè)置能量門限值，剔除突發(fā)性干擾和臨近臺站的強信號干擾；

S14：計算干擾重心頻率式中，F(xiàn)_i為第i個頻率，D(F_i)為F_i的干擾能量值，n為頻率點個數(shù)；

S2：通過電離層F₂層臨界頻率f₀F₂與干擾重心頻率ICF的映射關(guān)系：f₀F₂＝f(a*ICF+b)，輸出臨界頻率f₀F₂，其中，關(guān)聯(lián)系數(shù)a、b是通過對不同天線選型下臨界頻率f₀F₂測量的樣本數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用最小均方差的準(zhǔn)則來確定的；

S3：根據(jù)中緯度地區(qū)的電離層可反射的最高垂直入射頻率f_xF₂與電離層F₂ 層臨界頻率f₀F₂的映射關(guān)系：或者f_xF₂-f₀F₂≈f_H/2，計算f_xF₂,式中,f_H為地磁頻率，是f₀F₂的平方，是f_xF₂的平方，計算f_xF₂；

S4：代入NVIS天線的發(fā)射仰角，計算出最大斜向入射頻率值f_obl；

S5：取(f_obl-2,f_obl)MHz為最佳工作頻段，即NVIS通信窗口；

S6：輸出帶寬內(nèi)的各點能量值；

S7：判斷輸出的各點能量值是否低于設(shè)置的能量門限值，如果是，則進入步驟S8，否則，丟棄；

S8：將(f_obl-2,f_obl)內(nèi)安靜的頻率點加入到最終工作頻率集，所述頻率實時監(jiān)測模塊輸出最終工作頻率集到所述通信設(shè)備。

本發(fā)明提出的基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)的選頻方法除了射頻端的采樣和DDC數(shù)字下變頻外，其余部分全部是由軟件處理。整個過程不發(fā)送任何探測信號，可節(jié)約大量的握手、探測等時間，因此其時效性得到了大大提升，一個選頻周期可以在秒級時間內(nèi)完成。但由于電離層的瞬時波動較大，通常我們在計算時取一分鐘內(nèi)的均值，即選頻周期不會超過1分鐘。

為了便于與重慶垂測站的數(shù)據(jù)進行比對，在本實施例中選擇在距其直線距離約3Km的空曠地帶分別架設(shè)22米雙極天線(架高5米)、倒V天線、15米斜天線各一副，分別對該方法中f₀F₂值有效性以及天線的兼容性進行了大量的數(shù)據(jù)測量和分析。結(jié)果如下：

(1)f₀F₂值有效性的驗證

采用倒V天線利用該方法進行了連續(xù)6天的實際測量，并將測量結(jié)果與重慶探測站發(fā)布數(shù)據(jù)進行了比對，其中兩天的對比結(jié)果如圖7(a)、7(b)所示。

從圖7(a)、7(b)可看出，采用基于無源監(jiān)測的f₀F₂實時跟蹤技術(shù)，在不發(fā)送任何探測信號的前提下，仍然可以很好的跟蹤電離層的f₀F₂的快速變化，且其時效性要遠遠高于傳統(tǒng)的基于探測機制的選頻系統(tǒng)。這對于短波通信， 特別是短波機動通信快速、準(zhǔn)確選擇工作頻率具有重要價值。

(2)天線兼容性的驗證

ICF與f₀F₂的關(guān)聯(lián)系數(shù)與天線類型密切相關(guān)，通過一定時間的數(shù)據(jù)積累可形成針對不同天線的系數(shù)值，從而實現(xiàn)對天線的兼容。圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)分別為采用倒V天線、雙極天線、15米斜天線在同一個24小時內(nèi)所測量的ICF分布圖，圖中樣點值為每分鐘的ICF均值。對三種天線的測量結(jié)果分別使用與之對應(yīng)的系數(shù)模型進行換算后，即可獲得本地f₀F₂的實時估算值，如圖9所示。通過圖9可看出，雖然不同天線在同一時刻所測量的ICF值存在一定差異，但通過系數(shù)換算后得到f₀F₂值受天線類型的影響已經(jīng)很小，因此對幾種常用的短波天線具有較好的兼容性。

本申請的上述實施例中，通過提供一種基于無源監(jiān)測的NVIS快速選頻系統(tǒng)及其方法，包括NVIS天線、天線共用器、通信設(shè)備以及頻譜實時監(jiān)測模塊，頻譜實時監(jiān)測模塊與通信設(shè)備通過天線共用器共用NVIS天線，當(dāng)通信設(shè)備空閑時，頻譜實時監(jiān)測模塊通過NVIS天線接收射頻信號并分析其頻譜特征，當(dāng)通信設(shè)備工作時，天線共用器將NVIS天線切換至通信設(shè)備連接狀態(tài)，從而實現(xiàn)選頻與通信設(shè)備的一體化，本發(fā)明在不發(fā)射無線電探測信號的前提下，通過接收外界電離層反射信號來跟蹤電離層F₂層臨界頻率f₀F₂的變化趨勢，實現(xiàn)了在通信間隙對“頻譜空穴”快速捕捉，并實時對通信頻率進行調(diào)整，具有選頻精度高、速度快、隱蔽性強等特點。

應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。