短波区域应急机动通信半盲选频系统及其方法与流程

本发明涉及短波通信频率预测技术领域，具体涉及一种短波区域应急机动通信半盲选频系统及其方法。

背景技术：

我国是一个自然灾难频发、多发的国家，地震、洪灾等灾害时有发生，给国民经济和人民生命财产造成很大损失。应急通信是支持预防准备、监测预警、处置救援、恢复重建等应急管理的各个环节快速、高效、安全、可靠运转的重要保障。作为一种重要的区域应急机动通信手段，短波近垂直入射天波(NearVertical Incidence Skywave，NVIS)通信可以不受地形条件的限制，实现复杂地形区域300km范围无盲区全覆盖。在高山峡谷、丛林沟壑地带，由于卫星通信、超短波通信等手段受电波视距传播、恶劣天候环境等诸多因素限制，短波NVIS通信所特有的超视距传播特性与机动便携能力，使其成为唯一一种满足复杂地形300km区域范围内高中低空无盲区全覆盖需要的应急机动通信手段。

短波通信频段位于3-30MHz，短波NVIS天波是一种使用高仰角(近90°)天线的传播模式(如图1所示)，需要在电离层F₂层临界频率(f₀F₂)以下工作，否则将穿透电离层，不能达成通信。电离层临界频率f₀F₂与磁暴、吸收、太阳活动、纬度、天空气候环境等直接相关，随季节、月份、天时动态变化。因此，为了适应NVIS信道时变色散特性，短波NVIS通信必需解决通信频率的动态选取问题，选频的可靠性、时效性与机动性一直是制约短波NVIS机动通信发展的瓶颈问题之一。

目前，短波NVIS通信的频率规划主要采用电离层垂直探测仪来获取临界频率，在此基础上实现短波通信频率预报。电离层垂直探测仪垂直向上发射频率随时间变化的无线电脉冲，在同一地点接收这些脉冲的电离层反射信号，测量出电波往返的传递时延，从而获得反射高度与频率的关系曲线即电离层频高图。由此获取E、F1、F2和Es层的临界频率和最小频率、各层虚高等电离层特征参数，通过适当的换算还可从频高图反演得出电子密度随高度的分布情况。

中国电波传播研究所是电离层垂直探测仪的主要研制单位，并在国土范围内相继部署了19个固定探测站点，在整个短波波段(3-30MHz)上进行24小时连续探测。探测站点发射功率通常大于400瓦，有的甚至高达1000瓦，以获取可靠的电离层临界频率及其它参数。在获取当前电离层临界频率之后，通常在临界频率之下2MHz范围内等间隔给出可用的频率预报。由于探测系统与通信系统相互独立，所以这种等间隔划分获得的预报频率并没有经过实际的电离层信道测试，预报频率的可用性不足。

另一方面，由于现有探测站点大都建立在交通较为发达的大中型城市，边远地区电离层探测预报能力不足。为满足边远山区应急短波通信建设的需要，近年来电波传播研究所等多家单位相继研制了车载式机动型短波电离层垂直探测设备。但设备的发射功率大都在400瓦以上，在边远山区等复杂地形环境能源补给有限的情况下，这类主动探测设备的应用严格受限。

为此，最近电波传播研究所进一步研制开发了适用于单兵背负的被动式无源探测设备，以适用于复杂地形区域的电离层频率探测预报。被动探测的主要思想是将电波传播研究所在全国范围内构建的几十个探测站点作为信标台站，便携式电离层探测设备只需要接收各信标台站发送的探测信号，通过插值拟合获取远离信标台站区域的电离层传播特性参数。可见，这种被动探测方法，抛开发射部分使得设备体积功耗等大大下降，机动性、隐蔽性大大增强。但这种通过数值拟合估计的NVIS传播频率，受限于算法本身的精度，在信标信息难以覆盖的区域(陆地边境、远海岛礁)性能严重下降。

长期以来短波频率探测系统与通信系统相互割裂，无论是主动探测方法还是被动探测方法，均使用不同于通信系统的信号波形、收发信机及天线设备。这就导致探测系统预报的通信频率在现有通信系统中适用性差、可通率低。此外，主动探测方法还存在功率大、机动性差、电磁环境污染等严重的问题；被动探测方法也存在可靠性低、链路覆盖有盲区的问题。

技术实现要素：

本申请通过提供一种短波区域应急机动通信半盲选频系统及其方法，实现探测通信的一体化，将主动探测与被动探测相结合，以解决现有技术中因短波频率探测系统与通信系统相互割裂而导致的探测系统预报的通信频率在通信系统中适用性差、可通率低的技术问题，以及主动探测方法功率大、机动性差、电磁环境污染的问题，被动探测方法可靠性低、链路覆盖有盲区的问题。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种短波区域应急机动通信半盲选频系统，包括短波电台、宽带短波接收模块以及信息处理模块，其中，所述信息处理模块包括无源监测获取先验扫描频率单元、主动探测频率优选单元、频谱管理单元、数据库管理单元、ITS传播模型以及信道接入模块，其中，所述宽带短波接收模块通过USB接口与所述无源监测获取先验扫描频率单元连接进行短波全频段扫描，所述无源监测获取先验扫描频率单元根据所述ITS传播模型提供的最高可用频率MUF与最低可用频率LUF设置门限值，以剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰，所述无源监测获取先验扫描频率单元基于宽带频谱监测获取先验扫描频率，所述信道接入模块与所述短波电台连接，所述主动探测频率优选单元主动感知先验扫描频率，完成信道的双向探测，所述频谱管理单元将所述主动探测频率优选单元感知的先验扫描频率进行排序并存储至所述数据库管理单元，所述短波电台与所述宽带短波接收模块通过天线共用器共用天线。

进一步地，所述信息处理模块为计算机终端。

进一步地，还包括人机交互界面。

一种短波区域应急机动通信半盲选频系统的选频方法，包括如下步骤：

S1：基于宽带频谱监测获取先验扫描频率，具体包括如下步骤：

S11：利用宽带短波接收机对短波全频段进行扫描，记录每个扫描频点上的干扰能量值；

S12：依据CCIR258-2报告中提供的人为噪声系数中值与频率的关系曲线图，对干扰能量值进行修正，以滤除人为噪声影响；

S13：以电信科学协会ITS传播模型提供的最高可用频率MUF与最低可用频率LUF为依据，设置门限值，以剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰；

S14：计算反射中心频率值，式中，F_i为第i个频率，D(F_i)为F_i的频谱能量值，i＝1,2,…,N；

S15：取(RCF-1.5，RCF+1.5)为NVIS最佳工作窗口；

S16：频率监测模块输出(RCF-1.5，RCF+1.5)内的安静频率点，作为先验扫描频率集；

S2：短波电台基于低功率双向探测主动感知信道特性，选取当前最优频率。

进一步地，步骤S2中采用自适应多载波差分频移键控ADMFSK作为探测波形，在进行ADMFSK调制时设置有同步用载波，通过RS码进行前向纠错。

进一步地，探测波形在任意时刻只有单一频率且信号相位连续、幅度恒定。

进一步地，载波通过键控方式重复发送预设PN码，通过不同预设PN码实现信息加密。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该发明提供的短波区域应急机动通信半盲选频系统通过探测通信的深度融合，将更加适用于复杂地形环境下电离层的机动探测，解决了大功率独立探测存在的通信效率低、隐蔽性差的技术问题，对提升复杂环境下短波区域应急机动通信有重要的意义。

附图说明

图1为短波NVIS传播示意图；

图2为短波区域应急机动通信半盲选频系统结构框图；

图3为基于宽带频谱监测的ICF实测图；

图4为短波全频段实时频谱图；

图5为频率探测波形结构示意图；

图6为ADMFSK调制方案示意图；

图7为半盲选频系统工作时序图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种短波区域应急机动通信半盲选频系统及其方法，实现探测通信的一体化，将主动探测与被动探测相结合，以解决现有技术中因短波频率探测系统与通信系统相互割裂而导致的探测系统预报的通信频率在通信系统中适用性差、可通率低的技术问题，以及主动探测方法功率大、机动性差、电磁环境污染的问题，被动探测方法可靠性低、链路覆盖有盲区的问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例

一种短波区域应急机动通信半盲选频系统，如图1所示，包括短波电台、宽带短波接收模块以及信息处理模块，其中，所述信息处理模块包括无源监测获取先验扫描频率单元、主动探测频率优选单元、频谱管理单元、数据库管理单元、ITS传播模型以及信道接入模块，其中，所述宽带短波接收模块通过USB接口与所述无源监测获取先验扫描频率单元连接进行短波全频段扫描，所述无源监测获取先验扫描频率单元根据所述ITS传播模型提供的最高可用频率MUF与最低可用频率LUF设置门限值，以剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰，所述无源监测获取先验扫描频率单元基于宽带频谱监测获取先验扫描频率，所述信道接入模块与所述短波电台连接，所述主动探测频率优选单元主动感知先验扫描频率，完成信道的双向探测，所述频谱管理单元将所述主动探测频率优选单元感知的先验扫描频率进行排序并存储至所述数据库管理单元，所述短波电台与所述宽带短波接收模块通过天线共用器共用天线。

所述信息处理模块为计算机终端

其中，主动探测频率优选单元完全依托现有短波电台收发信机以及天线，而基带信号的调制解调完全以软件形式实现。此外，鉴于现有短波电台尚无宽带接收功能，因此配置宽带短波接收机，通过USB口接入计算机终端，实现先验扫描频率的计算。

由于频率探测系统较短波通信系统有更大的扫描带宽和峰值功率，因此依托通信系统进行频率探测预报就必需解决窄带、低功耗频率探测问题，为此，本发明还提出了一种短波区域应急机动通信半盲选频系统的选频方法，以较窄的频带与低功率实现短波NVIS通信选频，包括以下步骤：

S1：基于宽带频谱监测获取先验扫描频率；

S2：短波电台基于低功率双向探测主动感知信道特性，选取当前最优频率。

下面对步骤S1和S2做详细介绍：

S1：基于宽带频谱监测获取先验扫描频率

由于电波传播研究所负责建设的国家短波探测台站，其发射信号波形不对外公开，其它单位均无法研制开发电离层被动探测系统。为此，本发明从短波宽带频谱监测出发，利用全频段接收的本地短波信号，实时计算本地区域电离层反射信号能量中心所在的频率点，称之为反射中心频率(Reflection center frequency,RCF)。反射中心频率直接反映了当前电离层NVIS传播的最佳频率点，以此为中心即可确定出当前工作的最佳频段。然而，短波通信还与信道干扰噪声密切相关，加之电离层短期内具有动态时变特性，要达成可靠的通信，必须在最佳工作频段内，分析捕捉频谱空洞，通过静息信道筛选，从而获取先验扫描频率，实现频率优选。

随着软件无线电技术的进步，目前短波通信领域已研制了实用化的全频段软件接收机，能够实时记录整个短波30MHz频段，这就为实时计算短波NVIS反射中心频率提供了可能。就目前已广泛应用的G31DDC宽带短波接收机而言，其A/D采样器以100M的采样频率直接在射频端对信号进行数字化处理，按照奈奎斯特抽样定理，可实现对短波全频段频谱(可扩展至50MHz)占用情况的实时监测，这在实现上也是完全可行的。为了获取更详细的某一频段的频谱占用情况，可将采样信号再进行数字下变频处理，对输出的中频数字信号滤波处理后，再次进行加窗和FFT运算处理，可获取20K～2M不同带宽范围内的详细频谱图。当观测窗口带宽为20KHz时，其最高分辨率可达到1Hz。

本发明通过大量试验证明，基于短波全频段监测获取的电离层反射中心频率RCF(有的文献称之为干扰重心频率)，能有效表征短波NVIS传播特性，由此估计当前时段的可用频率具有良好的可操作性和较高的预测精度。

其具体操作步骤为：

S11：利用宽带短波接收机对短波全频段进行扫描，记录每个扫描频点上的干扰能量值；

S12：依据CCIR258-2报告中提供的人为噪声系数中值与频率的关系曲线图，对干扰能量值进行修正，以滤除人为噪声影响；

S13：以电信科学协会ITS传播模型提供的最高可用频率MUF与最低可用频率LUF为依据，设置门限值，以剔除突发性干扰和临近台站的强信号干扰；

S14：计算反射中心频率值，式中，F_i为第i个频率，D(F_i)为F_i的频谱能量值，i＝1,2,…,N；

S15：取(RCF-1.5，RCF+1.5)为NVIS最佳工作窗口；

S16：频率监测模块输出(RCF-1.5，RCF+1.5)内的安静频率点，作为先验扫描频率集；

图3为通过该方法获得的重庆地区ICF实测数据图，该数据与重庆地区探测站的实测通信频率具有较高的吻合度。通过重庆-北京、重庆-武汉等地的线路试验表明：该方法获取的优选频率应用到专向线路时可使通信效果得到明显改善。图4为采用该发明所捕获的全频段频谱图，利用visual c++开发的后台软件可以轻松地获取当前的频谱空洞位置，并对通信频率进行实时调整。

S2：短波电台基于低功率双向探测主动感知信道特性，选取当前最优频率。

为了利用现有便携式短波通信装备进行频谱感知，以获取上述先验NVIS信道的实际传播特性(包括双向信噪比、频偏、时延扩展等)，就必须以窄带信道、低功率方式工作本发明采用自适应多载波差分频移键控(ADMFSK)作为探测波形，通过RS码进行前向纠错，以较低的符号速率换取低功率NVIS通信面临的低信噪比(-20dB)、强多径干扰(8ms)的苛刻工作条件。这种多载波串行差分技术特别适用于直升机、无人机等高机动目标，具体实现如图5所示。

由于应用环境的低信噪比及机动NVIS信道的快衰落，因此在进行ADMFSK调制时，专门设置同步用载波(如图6中f₀所示)。一方面，该载波通过键控的方式重复发送预设的PN码，然后通过接收端进行自相关峰的检测，实现数据的群同步，另一方面，将接收到的载波频率作为其他载波的参考频率，从而降低传输过程中整体频偏带来的误差。图6中的黑色加粗的线段表示在该时间段的对应频段上有单音信号传输，假设有N个频点被用于信号的传输，则其中最小的频点f₀被用来传输载波和同步信号，f₁～f_N-1用来传输数据，值得注意的是，只有再载波上数据为0时，f₁～f_N-1上才能进行数据传输，这一设计虽然牺牲了传输速率，但是同时也避免了载波间干扰，同时使用单独的频点进行基波和同步PN码的传输，则最大限度地优先保障了信号的同步接入，此外，还可以通过不同的预设PN码实现一定程度的信息加密，同时利用PN码的自相关特性，能够用简单的自相关峰实现快速接入，利用短暂的良好信道环境或干扰间隙进行有效载荷的传输。

探测波形在任意时刻只有单一频率并且信号相位连续、幅度保持恒定，也就是说整个发送过程峰均比始终保持较低的恒定状态，能够在保证波形不畸变(扩展)的情况下，尽可能提长发送信号的能效，这对于恶劣环境下功率与天线效率受限的单兵、单车等机动用户有着重大的实用意义。

由于便携式短波电台较电离层垂直探测仪发射功率小20dB以上，这就要求本发明提出的半盲选频方法使用的探测波形能够在-20dB噪声背景下可靠工作。加之NVIS传播存在的强多径时延，本发明以较长的码元宽度既低速率换取低信噪比工作能力。同时考虑到电台信道转换时间、天线调谐时间与电台持续发射能力等因素，参考电离层垂直探测仪通常半小时的扫描周期，本发明提出的半盲选频方法在1小时内对3MHz最佳工作频段内的30个先验频率进行主动感知，即每2分钟完成一个信道的双向探测。当完成24小时连续探测时，在每个时段上可获得30个信道，共计720个信道实际传播特性的排序情况。

尽管信道感知与无源监测两个模块共用一副天线，但使用的硬件信道设备相互独立，这就为信道感知与无源选频两个方面同时工作提供了可能。为此，中心站可以在利用电台进行先验频率主动探测的同时，通过优化时序设计还可以实现先验频率集的实时计算，只要将先验扫描频率通过其它手段(例如北斗短信)，实时告知机动用户即可实现长期不间断探测，系统工作时序如图7所示。

本申请的上述实施例中，通过提供一种短波区域应急机动通信半盲选频系统及其方法，从探测通信相融合的角度，综合利用宽带无源监测与低信噪比探测技术，首先基于全频段无源监测获取最佳工作频段内的先验扫描频率，避免全频段扫描引入的电磁污染，为利用现有窄带短波电台进行双向探测提供基础；进而基于便携式短波电台主动感知先验频率，实现频率优选，解决大功率独立探测存在的通信效能低、隐蔽性差的问题，对提升复杂环境下短波区域应急机动通信有重要意义。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。