一種新算法的干擾信號偵測、追蹤與定位系統設計

在大型集會(huì )場(chǎng)合，武警、公安在復雜電磁環(huán)境下要求快速準確傳遞信息，完成執勤、處突和反恐等任務(wù)，而自然環(huán)境和人為干擾將直接影響信息傳輸。準確偵測定位干擾信號?？梢约皶r(shí)了解干擾環(huán)境的組成、特點(diǎn)和電磁態(tài)勢，有助于做出正確的應對措施。目前，國內外雖均有用于電磁檢測的設備，但價(jià)格昂貴，因此提出一種新算法的干擾信號偵測、追蹤與定位系統，該系統設計的硬件設備、電路設計簡(jiǎn)單。并具有小型靈活、簡(jiǎn)單實(shí)用、性?xún)r(jià)比高等特性。

新算法與經(jīng)典算法比較

　　傳統目標源定位中，計算目標源經(jīng)度和緯度的經(jīng)典算法主要有2種：一是“兩點(diǎn)定位法”，即2條相對干擾源的定向射線(xiàn)(由測量時(shí)，定向天線(xiàn)給出的方向)交于一點(diǎn)，則這一交點(diǎn)，就是所要求的目標點(diǎn)，如圖l所示。

　　這種算法缺點(diǎn)是在求解干擾源C的經(jīng)、緯度過(guò)程需考慮的情況較多。例如求解過(guò)程中，以測量點(diǎn)A為例，A點(diǎn)的經(jīng)度可能比B點(diǎn)高，或比B點(diǎn)低；A點(diǎn)的緯度可能比 B點(diǎn)高，或比B點(diǎn)低，這共有4種情況，再加上干擾點(diǎn)C的每一種情況對應的2種不確定性，那么實(shí)際C點(diǎn)在求解過(guò)程中可能性共有4×4=16種。那么至少要編寫(xiě)16個(gè)子程序，其編程過(guò)程異常復雜，且易于出錯。

　　二是“雙曲線(xiàn)定位法”，該定位法是以三個(gè)測量點(diǎn)中的任意兩個(gè)為雙曲線(xiàn)的焦點(diǎn)，并作兩對雙曲線(xiàn)，這兩對雙曲線(xiàn)必然有交點(diǎn)，該交點(diǎn)就是所求的干擾點(diǎn)。但這種方法也存在多種情況，分析比較復雜。因此基于該系統設計的要求，提出了一種新的定位算法。

　　該新算法主要優(yōu)點(diǎn)：建立數學(xué)模型，簡(jiǎn)潔、明了和直觀(guān)地分析問(wèn)題；極大改進(jìn)“兩點(diǎn)定位法”，避免各種復雜、繁瑣情況的出現，避免因南北半球或者經(jīng)、緯度的矢量性而產(chǎn)生的計算錯誤；簡(jiǎn)化系統程序的復雜程度，提高程序的運行速率，縮短程序運行的周期，從而加快干擾源的追蹤和定位；精簡(jiǎn)系統設備，降低設備成本，擴展原有系統功能。

系統算法

　　該系統設計的核心算法可分成兩部分，一是干擾點(diǎn)的跟蹤和定位，也就是求解干擾源經(jīng)、緯度；二是求解距離，即求解干擾源C與測量點(diǎn)A和B的距離。軟件設計時(shí)，以模塊化的設計思想，結合TMS320F2812的指令及其硬件的結構特點(diǎn)，系統軟件設計分為算法主程序和A/D轉換程序。

　　3．1 干擾偵測系統的基本原理

　　圖 2為干擾偵測與定位系統原理圖。為了直觀(guān)，把整個(gè)系統的主要原理圖抽象到二維平面坐標系中，其中：A點(diǎn)為偵測的主機位置；B點(diǎn)為偵測的從機位置；C點(diǎn)為待測干擾源；Jl為主機測試點(diǎn)A和干擾源C點(diǎn)之間的連線(xiàn)與正北方向的夾角；J2為從機測試點(diǎn)B和干擾源C點(diǎn)之間的連線(xiàn)與正北方向的夾角。以A點(diǎn)為坐標參考點(diǎn)，令A點(diǎn)坐標為(AJ，AW)，則B點(diǎn)和C點(diǎn)的坐標分別是(BJ—AJ，BW—AW)、(CJ—AJ，CW—AWl：坐標X軸定義為經(jīng)度，Y軸定義為緯度。

　　假定坐標系XOY中，在A(yíng)點(diǎn)進(jìn)行干擾測試，當頻譜儀的探測天線(xiàn)轉到與正北方向成J1角度時(shí)，干擾信號強度最大、干擾信號最強，因此可以確定干擾源就在射線(xiàn) AA’上，其干擾信號與主機測量點(diǎn)(以正北方向為參考方向)的夾角就是Jl；同理，在從機探測點(diǎn)B點(diǎn)測量時(shí)，干擾源就在射線(xiàn)BB’上，其干擾信號與從機測量點(diǎn)(以正北方向為參考方向)的夾角就是J2；兩條射線(xiàn)AA’和BB’的交點(diǎn)就是干擾源C點(diǎn)，即完成干擾源的偵測和定位。假如測量過(guò)程中，干擾源不停移動(dòng)，由于整個(gè)系統在定位時(shí)，干擾源的定位時(shí)間非常短暫，因此，經(jīng)過(guò)多次偵測和定位，可形成無(wú)數個(gè)C點(diǎn)組成的干擾源軌跡，從而發(fā)現干擾源的運動(dòng)參數，完成對干擾信號的追蹤。

　　3．2 計算干擾源經(jīng)度和緯度

　　在平面直角坐標系XOY中，令干擾源C點(diǎn)的坐標為(X，Y)，則直線(xiàn)AC的斜率為：

　　由上可知，坐標系XOY中，求解C點(diǎn)的坐標(X，Y)。令C點(diǎn)的經(jīng)度坐標為CJ，緯度坐標為CW，則最終C點(diǎn)的坐標為(AJ+X，AW+Y)。干擾源C點(diǎn)的坐標表達式中各項參數，均可由已知條件和測量結果獲得，因此該算法完成干擾源的追蹤與定位。

　　3．3 干擾源C點(diǎn)與偵測點(diǎn)A和B的距離

　　已知兩點(diǎn)的經(jīng)度和緯度，利用式(3)求解出這兩點(diǎn)之間的距離。通過(guò)計算得出主機偵測點(diǎn)A和干擾源C的經(jīng)度和緯度坐標分別是(AJ,AW)和(AJ+x，AW+y)，則A和C的實(shí)際距離DAC可表示為：

算法應用

　　WJ- 1型電磁干擾測量?jì)x是基于該新算法而設計的，已應用于北京奧運會(huì )。該電磁干擾測量?jì)x不僅能夠對干擾信號進(jìn)行全方位偵測、追蹤、定位、計算出其移動(dòng)中干擾信號運動(dòng)軌跡和尋找到干擾源最佳路徑，且還大大簡(jiǎn)化原有抗干擾系統的設備的復雜度。而該設備中基于此算法由STCl2C5410AD單片機控制的自旋式超寬帶方向天線(xiàn)很好地解決抗干擾，簡(jiǎn)化系統復雜度，節約成本。WJ-1型抗干擾偵測系統工作流程如圖3所示。

　　整個(gè)系統分為主機和從機兩大部分，主機和從機配合工作，掃描干擾信號的自旋式超寬帶方向天線(xiàn)，計算模擬信號處理A／D轉換在主從機的各自數值。在從機中干擾信號經(jīng)頻譜儀分析處理后，得到的各項參數傳輸給主機，有CPU統一處理。中角度傳感器主要用于記錄自旋式超寬帶方向天線(xiàn)的旋轉角度，STC單片機用于控制角度傳感器和步進(jìn)電機，其中步進(jìn)電機轉動(dòng)其精度達0．05°/步，即平面方向精度可以達0．05°／步。CPU綜合主機、從機中對干擾信號分析的各項參數和地理坐標信息，經(jīng)計算得到干擾源的經(jīng)度、緯度，GPS導航后，顯示尋找干擾源的最佳路徑，同時(shí)也可在電子地圖上顯示干擾源周?chē)牡匦蔚孛蔡卣鳌?

　　提供了一種極優(yōu)算法，通過(guò)把復雜的干擾信號追蹤與定位問(wèn)題抽象到數學(xué)模型中，大大簡(jiǎn)化信號求解過(guò)程中的計算量，同時(shí)也簡(jiǎn)化程序軟件設計。