網格化技術在發射場電磁頻譜監測中的應用

西昌衛星發射中心 潘曉 劉憲秋 雷長征

提升對電磁環境精準監控的能力，確保發射任務安全，是航天器發射場迫切需要解決的問題。本文在分析航天發射場現有電磁環境監測現狀和需求的基礎上，引入網格化技術，提出發射場網格化電磁環境監測系統設計方案。對發射場網格化電磁環境監測系統的拓撲結構、功能架構以及工作模式進行了設計，并針對網點布局、信號定位等關鍵技術問題給出了解決策略。最后分析了網格化技術在航天發射場運用的技術優勢，為后續發射場電磁環境監測網絡建設提供了參考。

隨著無線電通信技術的不斷發展，各類用頻裝備在發射場衛星、火箭系統和地面測控、通信及氣象系統中被廣泛的使用，加之民用廣播電視、移動通信等各類專網的迅速發展，使得發射場空間電磁環境日趨復雜。另一方面，隨著發射場職能轉變，來自敵對勢力的偵查和干擾，將不可避免地對航天發射任務構成嚴重威脅。因此，如何提高發射場對電磁環境精準監控的能力，確保發射試驗任務安全，是航天器發射場應對未來電子戰所面臨的重要課題。

傳統電磁環境監測系統建設時，往往采用“固定站+移動站”的模式，這種模式存在系統造價高、數據融合程度低等多種現實問題。20 世紀90 年代，國際電信聯盟提出了網格化無線電監測的新理念，近些年，隨著高速通信和大數據處理技術的發展，網格化無線電監測技術在許多大中城市的“智慧城市頻譜監測管理”中得以實踐應用，并取得良好效果[1]。本文將網格化技術引入的發射場頻譜監控工作中，開展系統設計并分析技術優勢，為發射場電磁頻譜監測系統建設提供新的思路。

1 航天發射場電磁頻譜監測現狀

發射場各類電子設備應用普及，輻射源數量種類繁多，加之本身地理特性導致電磁環境較為復雜。比如，有的發射場周邊四面環山，易造成無線傳輸多徑效應干擾；有的發射場緊鄰城市，各類廣播、移動基站、港口機場雷達數量較多；有的發射場緊鄰海洋，海上軍艦、船舶雷達數量較多，海上干擾頻繁。

目前，國內大部分發射場僅依靠單站系統開展電磁環境監測。存在以下不足：

（1）系統覆蓋能力弱。單站系統工作半徑窄，只能對發射場區開闊位置內一定空間范圍內的電磁環境進行監控，監測精度、覆蓋范圍均不滿足要求。

（2）系統監測能力弱。天線、接收裝置數量有限，難以在同一時段對兩個頻段進行同時監測，限于測試頻次和時間，無法實現長期動態監測。

（3）干擾源定位能力差。對于發射場區外未知的或者時斷時續電磁輻射信號，單站系統無法快速準確定位干擾源，不滿足機動響應需求。

（4）數據采集能力有限。獲取的頻譜數據呈片段狀，零散且量少，缺少長期全面的監測數據，無法支撐后續運用。

復雜電磁環境影響著發射任務周期內星箭指標測試、測控通信聯調、電磁兼容試驗及發射等各項技術活動，僅僅依靠單一監測終端進行“以點帶面”的電磁環境監測已經不滿足要求，必須對發射場電磁頻譜監測手段進行升級換代。

結合發射任務需求，發射場電磁頻譜監測應具備以下基本特征：系統集約高效、全區域覆蓋無遺漏、數據全面精確可靠、干擾定位快速高效、實時動態全天候、自動采集常態化。綜合考慮發射場實際、費效比等因素，有必要引入網格化技術開展新一代發射場電磁頻譜監測系統設計，構建更為科學的頻譜監測系統，使頻譜數據為發射任務電磁安全提供全面的支撐成為現實。

2 網格化電磁頻譜監測系統設計

2.1 網格化頻譜監測的基本原理

網格化頻譜監測是將監測區域及周邊按照空間距離和監測重要程度，劃分成若干個大小不等的網格單元，在每個網格單元布置監測點，把多個監測點聯合起來，組成一張頻譜實時監測網絡，實現對整個區域的頻譜監測全覆蓋[2,3]。同時，利用網絡通信技術，將監測網格點采集到的數據上傳到中心站進行相關性技術處理和分析計算，獲取相應區域內電磁環境情況，實現電磁環境精細化管理。

從技術原理上分析，隨著被監測信號具有了更高的載頻和更寬的帶寬，它們發射出來經傳播到達接收機時，信噪比降低[4]，測試效果愈發不理想，需要監測站點配置中頻帶寬、靈敏度等技術指標更優的接收機。而網格化的頻譜監測網利用大范圍多點布設，有效克服障礙遮擋，使得接收機更加靠近被監測信號源。它不以無限追求接收設備的高靈敏度為目標，造價低，覆蓋范圍大，監測效率高，可以在發射場電磁環境監測中加以應用。

2.2 系統拓撲結構設計

在系統設計中，根據發射場實際情況，我們對發射場待監測區域進行了擴大，不再局限于發射陣地（發射塔架周邊區域），而將參與任務的測控雷達等用頻裝備所在區域或站點也納入監測管理范圍。

發射場網格化頻譜監測系統的層次結構設計遵循可延伸、可擴展的多層構架模式。建立“控制中心——區域控制中心——監測網格點”三層結構的頻譜監測網絡架構，實現分級、分區域組網和管理[5]。如圖1 所示為系統拓撲結構圖。

圖1 發射場網格化頻譜監測系統拓撲結構圖Fig.1 Topology diagram of grid spectrum monitoring system in the launch site

第一層是監測控制中心（中心站），主要負責對各站點進行控制、指揮，是網格化監測網的大腦中樞。它主要負責網格點設備運行監控和指令分發、網格點數據存儲及處理、異常信號甄別及快速定位、監測數據的大數據分析及應用等。

第二層是區域匯聚控制中心（樞紐站），作為區域監測節點的匯聚點和樞紐。具有監測和管理的雙重功能，它主要負責完成對下層網格點數據的采集、篩選、過濾及上傳，對上級中心站命令的分發。

第三層為監測網格點（節點站），是最小的監測單元。主要完成區域內信號的監測任務，用于執行中心站指令、上傳設備運行狀態和監測數據等。每個監測站網點使用體積小，結構簡單的高性能射頻傳感器代替傳統接收機進行頻譜感知，實現長期不間斷感知監測，無需建設顯示終端和專用機房，無需配置專人值守。

各層級站點之間的信息傳輸手段以光纖或網絡通信為主，能夠有效解決頻譜數據傳輸量大、實時性要求高的問題。部分不便于架設光纖的區域或場合，可采用5G 無線傳輸技術開展通信組網和數據傳輸。數據傳輸網絡設計必須嚴格執行《無線電監測網傳輸協議》（簡稱RMTP，Radio Monitoring Network Transfer Protocol），符合業務功能、數據傳輸格式、監測文件格式和監測站代碼等相關規定[6]，搭建標準統一、接口一致、開放兼容的應用平臺，為后續擴容和實現與其他無線電監測網兼容運行奠定基礎。

2.3 功能架構設計

網格化電磁頻譜監測系統主要由頻譜感知系統、數據存儲/分析系統和人機交互系統三部分組成。系統功能架構圖如圖2 所示。

圖2 發射場網格化頻譜監測系統功能架構圖Fig.2 Functional architecture of grid spectrum monitoring system in the launch site

（1）頻譜感知系統。位于監測最前端，主要用于感知網格點所在區域的頻譜信息、預處理頻譜數據、傳輸頻譜數據、實現網格點間的時間同步和監控監測網點現場情況等。

（2）數據存儲/分析系統。作為系統的核心部分，主要包括數據倉庫和數據挖掘系統。

網格化監測數據種類多、數據維度廣、數據量大,系統數據倉庫包含有大量數據庫：監測數據庫主要用于存儲采集到的頻譜監測數據；硬件信息數據庫主要用于存儲各監測網點、匯聚節點的基本配置信息以及監測設備情況；已知信號數據庫中，背景信號數據庫用于存儲發射場各監測區域背景噪聲情況，特征信號數據庫用于存放國家頻率資源分配使用情況、發射場各類設備用頻信息、常見干擾信號以及異常信號信息等；業務資料庫用于存放歷次頻譜監測任務的實施情況；日志數據庫用于統計記錄頻譜監測系統硬件設備和軟件系統的工作情況；資料數據庫用于存儲整個網絡相關資料。

當前，我國醫藥衛生體制改革工作進入深水區和攻堅期，深層次矛盾和問題凸顯與疊加。由于受到過度專科化、技術化、商業化的醫學文化及醫學范式、對人文教育的重視程度不夠等原因影響,醫患關系緊張已成為我國現階段一個突出的社會矛盾[2]。醫務人員收紅包、拿回扣、亂收費問題屢禁不止；醫患糾紛乃至惡性傷醫事件頻發。“雙輸”的醫患關系一定程度上反映了患者對醫生是依賴而不是信任。這種狀況不僅使整個醫務界聲譽受損，更從根本上折射出高等醫學教育對于人文素養和人的健康生命的尊重欠缺。加強和改進醫學院校人文教育，重塑醫學人文精神，乃化解醫患矛盾、進而構建和諧醫患關系的根本所在。

數據挖掘系統主要是基于數據倉庫開展應用。首先是數據篩選，對匯入中心系統的數據進行分析，剔除有瑕疵數據；其次是數據融合，對數據進行抽取、壓縮、轉換、加載、聚合，實現數據的整合，為后續利用奠定基礎，三是有用信息提取，主要包括：結合實測數據和已知信號進行數據比較判別，識別信號；利用特定算法進行干擾信號、異常信號的定位。

（3）人機交互系統。利用監測網絡與用戶交互的平臺，實現對整個監測網絡的管控和監測結果的展示。用戶根據權限對發射場所有監測網點、聚合點的基礎信息進行管理及配置，實現遠程操控、運行管理和遠程診斷；可根據各類測試任務，設計測試流程，開展任務規劃并分發。應用服務系統利用地理信息系統和電子地圖等手段，完成輻射源分布、整體環境、電磁干擾、可用頻譜、態勢評估結果等頻譜態勢綜合展示，完成對發射場內用頻裝備電磁兼容性評估，開展電磁環境的量化評分，給出發射場環境復雜程度等級評價，這些結果都將傳遞給發射任務控制中心供指揮決策使用。

2.4 監測工作模式設計

以往發射場的電磁頻譜環境監測僅僅是在發射任務準備實施過程中的重要節點開展，采用網格化技術后，監測將從片段式轉化為常態化，點面式轉化為系統化。系統將采用常態監測、發射任務周期監測、專項監測三種工作模式，如表1 所示。

表1 發射場網格化頻譜監測系統三種工作模式Tab.1 Three working modes of grid spectrum monitoring system in the launch site

（1）常態監測工作模式。系統根據用戶設置，定期定點啟動監測網點對各區域進行全頻段進行掃描，監測結果作為長期數據資料構建發射場周邊電磁環境的背景庫。此模式下，不要求實時數據傳輸，可事后分析處理，以節約更多的網絡資源和計算資源。

（2）發射任務周期監測模式。所有監測網點處于全天候實時監測狀態，監測數據實時傳到中心站進行處理，動態監測的同時開展異常及干擾信號的識別和定位。這種監測模式利于以單次任務為單位開展電磁環境的長期積累和比較。

（3）專項任務監測模式。當發射場周邊開展專項任務時，比如，測控站點獨立執行其他發射場跟蹤任務、開展用頻裝備的性能試驗（飛球試驗、對接試驗、空間站跟蹤等）或者區域正在開展需要通信保障的重要活動等。此模式下，控制中心根據任務需要，臨時配置監測網格點，組成一個覆蓋特定區域的監測小網，在短時間內對局部地區和特定頻段進行全時段嚴密、實時的監測，保證專項任務的順利實施。

3 網格化運用關鍵問題及解決策略

3.1 網格點布局規劃

網格是網格化無線電監測網的基本單元,科學合理地規劃網格是無線電控制中心能夠精確感知無線電頻譜信息的前提。網格點的布局是一項非常復雜的系統工程，涉及電磁環境、物理環境、工作條件等諸多因素[7]，能否合理布點實現區域全覆蓋的同時，盡可能的降低建設成本,是網格化無線電監測系統建設的重難點問題。

發射場的電磁環境監測不同于城市無線電管委會對整個城市進行監控，監測區域面積較小，布設的監測網格點數量不多，網格化布局問題相對簡單化。方法如下：

（2）對各個監測區域的重要性進行分級處理，采用不同幾何圖形生成網格初始布局。首先根據實際監測需求和重要性等因素，對監測區域進行重要度分級，將發射陣地（發射架所在地）作為一級監測區域，其他區域作為二級監測區域。考慮被監測對象的重要程度、空間無線電信號分布密度、費效比等因素，一級監測區域可采用六邊形蜂窩布局；二級監測區域可采用相對較簡單的正方形網格布局。考慮到發射場對高頻段無線電信號監測需求較多，可以選定0.8～3 公里（經驗值）的距離布置網格點，我們在該范圍內選定初始距離值A，做出網格化的布局圖。

（3）利用仿真手段預估網格點覆蓋范圍，判定是否滿足要求。選取無線電波傳播模型（1.5GHz 以下：Okumura-Hata 模型、1.5GHz 以上：Cost231-Hata 模型）[8]，確定該監測區域監測信號的最高頻率和需要識別的最小功率，計算一定頻率和功率下信號傳播的路徑損耗，從而推算出監測站點的覆蓋范圍。如果各網格點覆蓋范圍重疊較多，可增大A值，范圍較小，可減少A值，反復計算，直到理論模型完全覆蓋預先設定監測區域。

（4）結合現場地理環境特點，綜合地形特點、天線高度、布設難度、定位算法精度等因素，對布局方案進行調整，重新進行仿真計算。

（5）開展路測驗證。建設階段，開展實地傳輸接收測試試驗，進一步驗證方案的正確性。如需調整，則需要改變傳播模型的參數，重新進行仿真計算。反復迭代，直至布局方案符合實際需求。

3.2 網格化信號定位算法

信號定位是發射場電磁環境監測的關注重點。在發現異常干擾信號影響發射廠區用頻裝備正常工作時，系統必須能夠根據監測數據開展計算，迅速定位信號來向及位置。傳統監測系統中多采用定向天線開展監測，然后利用多站點聯合測向定位技術,采用到達角度算法（簡稱AOA 算法：Angle of Arrival）解算出信號的大致位置。網格化監測系統中，監測網格點采用造價較低的全向天線開展監測，硬件設備改變和網狀結構的特點，決定了系統需選用其他技術來進行定位解算。

系統可采用到達時差技術（簡稱TDOA：Time Difference of Arrival）來實現系統定位。該技術基于雙曲線定位原理，通過測量同一個信號源到達不同站的時差，再根據傳播速度和站點之間的相對位置來實現信號源的定位[9]。

系統可根據情況靈活選擇網格點來進行定位計算，至少應選擇3 個（A、B、C），無線電信號S 到達網格點A 和網格點B 的時間差可以通過監測數據計算得到。到達兩個站都是該時間差的信號可能所在點的組合可以繪制出一條雙曲線M。同理信號S 到達網格點B 和網格點C 的時間差也可以測出來，也可以得到一條雙曲線N，兩條線相交的地方就是信號S 所在的位置，如圖3 所示。

圖3 到達時差技術（TDOA）示意圖Fig.3 Diagram of time difference of arrival (TDOA).

選用三點CHAN 算法進行定位解算，假設時差定位主網格點位置為(xB,yB)，A、B 監測網格點的位置為(xA,yA)、(xC,yC),目標信號位置為(x,y),則定位方程組為如式(1)所示：

式（1）中，ri為目標與其他網格點的距離，rB為目標與主網格監測點的距離，c 為電磁波傳播速度，di為目標到達第i 個監測點與到達主監測網格點的時間差測量值，cdi為第i 格監測網格點的TDOA 測量值。由上面的方程組可推導出如式(2)、式(3)、式(4)所示：

通過矩陣運算，就將(x,y)表示成rB的函數，再代入公式(1)計算出rB，然后再分別計算出(x,y)，得到目標信號所在地理位置的解算結果。

由于時間測量的精度已經達到ns 級別，因此TDOA技術具有較高的定位精度。在系統建設中，要求每個網格點配備有GPS 定位裝置，用于測算當前地理位置和預防多徑效應，還需配備時鐘同步模塊，確保整個監測網絡的時間統一。

在后續實際應用中，網格化頻譜監測系統還可以與發射場現有的車載監測系統和已有的固定測向監測站進行“AOA+TDOA”聯合定位，采用數據融合優化算法，進一步提高快速定位的精度。

4 結語

網格化技術運用到發射場電磁頻譜監測中，有著巨大的優勢，主要表現在：（1）系統構成簡潔、建設投入成本低，建設周期短，具有較高的經濟性、可行性；（2）監測無縫覆蓋，定位干擾能力強。監測區域劃分更加精細化，能夠實現發射場全區域覆蓋，特別適合發射場周邊多障礙的地理環境特點；（3）系統定位準確度高，滿足發射場快速精確定位干擾的現實需求；（4）數據全面融合，數據挖掘能力強。能夠快速處理海量數據，解析并提煉有用頻譜信息，提煉生成頻譜態勢，結果準確直觀便于發射任務指揮輔助決策。

綜上，網格化技術在發射場電磁環境監測工作中有著良好的應用前景，是發射場頻譜管理實現由粗放式向現代化、精細化管理的有效途徑。后續還需針對網格布點選址、監測設備設計選型、大數據融合處理等關鍵技術進行深入研究，為最終建設好發射場網格化電磁頻譜監測系統，切實為提升發射場無線電監測能力奠定技術基礎。

引用

[1] 蔡敏.城市網格化無線電監測網的應用研究[D].廣州:華南農業大學,2016.

[2] 龍健.智能網格化無線電監測系統的研究與規劃設計[D].遼寧:大連理工大學,2019.

[3] 劉科.網格化無線電監測的技術問題研究[J].電子元器件與信息技術,2020,4(3):35-36.

[4] 嚴春明.基于網格化無線電監測的技術問題[J].數字技術與應用,2022,40(3):99-101.

[5] 何敬松,宗容,劉剛,等.網格化無線電監測網監測站點布局規劃探索[J].無線電工程,2016,46(9):28-32.

[6] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 34082-2017無線電監測網絡傳輸協議[S].北京:中國標準出版社,2017.

[7] 李兆宏.如何確保網格化監測網絡布局合理[J].中國無線電,2014(6):41-43.

[8] 蘇良成,王建波.網格化監測站中基于差分場強的信號源定位方法[J].成都信息工程大學學報,2018,33(4):391-384.

[9] 馬翔.網格化無線監測探索與研究[J].中國無線電,2019(12): 46-49.