一種新算法的干擾信號(hào)偵測、追蹤與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在大型集會(huì)場合，武警、公安在復(fù)雜電磁環(huán)境下要求快速準(zhǔn)確傳遞信息，完成執(zhí)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(zhǔn)確偵測定位干擾信號(hào)?？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(yīng)對(duì)措施。目前，國內(nèi)外雖均有用于電磁檢測的設(shè)備，但價(jià)格昂貴，因此提出一種新算法的干擾信號(hào)偵測、追蹤與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備、電路設(shè)計(jì)簡單。并具有小型靈活、簡單實(shí)用、性價(jià)比高等特性。

新算法與經(jīng)典算法比較

　　傳統(tǒng)目標(biāo)源定位中，計(jì)算目標(biāo)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(duì)干擾源的定向射線(由測量時(shí)，定向天線給出的方向)交于一點(diǎn)，則這一交點(diǎn)，就是所要求的目標(biāo)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)、緯度過程需考慮的情況較多。例如求解過程中，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(duì)應(yīng)的2種不確定性，那么實(shí)際C點(diǎn)在求解過程中可能性共有4×4=16種。那么至少要編寫16個(gè)子程序，其編程過程異常復(fù)雜，且易于出錯(cuò)。

　　二是“雙曲線定位法”，該定位法是以三個(gè)測量點(diǎn)中的任意兩個(gè)為雙曲線的焦點(diǎn)，并作兩對(duì)雙曲線，這兩對(duì)雙曲線必然有交點(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(fù)雜。因此基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)學(xué)模型，簡潔、明了和直觀地分析問題；極大改進(jìn)“兩點(diǎn)定位法”，避免各種復(fù)雜、繁瑣情況的出現(xiàn)，避免因南北半球或者經(jīng)、緯度的矢量性而產(chǎn)生的計(jì)算錯(cuò)誤；簡化系統(tǒng)程序的復(fù)雜程度，提高程序的運(yùn)行速率，縮短程序運(yùn)行的周期，從而加快干擾源的追蹤和定位；精簡系統(tǒng)設(shè)備，降低設(shè)備成本，擴(kuò)展原有系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)算法

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)，以模塊化的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合TMS320F2812的指令及其硬件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為算法主程序和A/D轉(zhuǎn)換程序。

　　3．1 干擾偵測系統(tǒng)的基本原理

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

　　假定坐標(biāo)系XOY中，在A點(diǎn)進(jìn)行干擾測試，當(dāng)頻譜儀的探測天線轉(zhuǎn)到與正北方向成J1角度時(shí)，干擾信號(hào)強(qiáng)度最大、干擾信號(hào)最強(qiáng)，因此可以確定干擾源就在射線 AA’上，其干擾信號(hào)與主機(jī)測量點(diǎn)(以正北方向?yàn)閰⒖挤较?的夾角就是Jl；同理，在從機(jī)探測點(diǎn)B點(diǎn)測量時(shí)，干擾源就在射線BB’上，其干擾信號(hào)與從機(jī)測量點(diǎn)(以正北方向?yàn)閰⒖挤较?的夾角就是J2；兩條射線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。假如測量過程中，干擾源不停移動(dòng)，由于整個(gè)系統(tǒng)在定位時(shí)，干擾源的定位時(shí)間非常短暫，因此，經(jīng)過多次偵測和定位，可形成無數(shù)個(gè)C點(diǎn)組成的干擾源軌跡，從而發(fā)現(xiàn)干擾源的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，完成對(duì)干擾信號(hào)的追蹤。

　　3．2 計(jì)算干擾源經(jīng)度和緯度

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

　　由上可知，坐標(biāo)系XOY中，求解C點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y)。令C點(diǎn)的經(jīng)度坐標(biāo)為CJ，緯度坐標(biāo)為CW，則最終C點(diǎn)的坐標(biāo)為(AJ+X，AW+Y)。干擾源C點(diǎn)的坐標(biāo)表達(dá)式中各項(xiàng)參數(shù)，均可由已知條件和測量結(jié)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。通過計(jì)算得出主機(jī)偵測點(diǎn)A和干擾源C的經(jīng)度和緯度坐標(biāo)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(yīng)用

　　WJ- 1型電磁干擾測量儀是基于該新算法而設(shè)計(jì)的，已應(yīng)用于北京奧運(yùn)會(huì)。該電磁干擾測量儀不僅能夠?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行全方位偵測、追蹤、定位、計(jì)算出其移動(dòng)中干擾信號(hào)運(yùn)動(dòng)軌跡和尋找到干擾源最佳路徑，且還大大簡化原有抗干擾系統(tǒng)的設(shè)備的復(fù)雜度。而該設(shè)備中基于此算法由STCl2C5410AD單片機(jī)控制的自旋式超寬帶方向天線很好地解決抗干擾，簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，節(jié)約成本。WJ-1型抗干擾偵測系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩大部分，主機(jī)和從機(jī)配合工作，掃描干擾信號(hào)的自旋式超寬帶方向天線，計(jì)算模擬信號(hào)處理A／D轉(zhuǎn)換在主從機(jī)的各自數(shù)值。在從機(jī)中干擾信號(hào)經(jīng)頻譜儀分析處理后，得到的各項(xiàng)參數(shù)傳輸給主機(jī)，有CPU統(tǒng)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的旋轉(zhuǎn)角度，STC單片機(jī)用于控制角度傳感器和步進(jìn)電機(jī)，其中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)其精度達(dá)0．05°/步，即平面方向精度可以達(dá)0．05°／步。CPU綜合主機(jī)、從機(jī)中對(duì)干擾信號(hào)分析的各項(xiàng)參數(shù)和地理坐標(biāo)信息，經(jīng)計(jì)算得到干擾源的經(jīng)度、緯度，GPS導(dǎo)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圍的地形地貌特征。

　　提供了一種極優(yōu)算法，通過把復(fù)雜的干擾信號(hào)追蹤與定位問題抽象到數(shù)學(xué)模型中，大大簡化信號(hào)求解過程中的計(jì)算量，同時(shí)也簡化程序軟件設(shè)計(jì)。