一种获取天基射频地图的方法

1.本发明涉及射频地图技术领域，尤其涉及一种获取天基射频地图的方法。


背景技术：

2.美国darpa的“射频地图”(radio map)项目相关信息发布于《advanced rf mapping program》美国高级研究计划局“先进射频地图”项目解析。
3.该项目主要目标是从时域、频域、空域三个维度“绘制”射频地图，以避免频谱冲突，并为士兵提供强大的态势感知能力。任何形式的战争都离不开地图，电磁领域的战争亦是如此，但如何绘制电磁领域的地图一直是一大难题。此前也有一些描述、展示电磁频谱的方法，如瀑布图、时序图等等，但这些方法尽管充满了技术层面的浪漫主义色彩，但充满现实主义色彩的普通士兵并不买账——他们需要的是一种通俗易懂的地图。射频地图项目无疑为如何绘制这样的地图指点了一条明路，亟待深入探究。
4.射频地图向作战人员提供了一个可以看到当下和潜在的频谱干扰和使用情况的工具，使频谱管理更有效。例如，一个前沿部署单元可以预留一个特定的频率给非常时期的通信链路，但由于战场态势的不确定性，这个频率最终并没有派上用场。而射频地图能直观呈现频谱使用情况，帮助频谱管理人员探测到未使用的频谱，将其快速分配给其他需求，提高任务效率。
5.射频地图也可以通过判断周围的射频发射体提示战场态势，指出周围存在的威胁和机会，支持班、排级这样的小单元的作战任务，因为他们很少携带监测电波发射的设备。
6.国内外有众多学者对此开展研究。有学者在实际环境做了感知实验，如图1所示：左图为传感器部署点位图，右图为插值获得的射频地图。可以看出，该射频地图获取方案与美军darpa的基于传感器抛撒的方案一致。这种方案优点是当传感器抛撒数量众多且覆盖范围足够广泛和均匀时，会获得精细的区域射频地图，缺点是覆盖范围和持续时间有限、均匀感知困难、隐蔽性和安全性差，一旦传感器链路受到干扰无法上传感知结果，整个系统性能下降甚至失效。此外，在敏感区域部署传感器会引发不必要的国际争议和冲突，不利于战略执行的隐蔽和情报隐秘收集。有学者对射频地图插值算法进行了改进，提高了射频地图的精度，但这些研究成果都是基于美军的传感器抛撒方案。
7.zl201210379047.4从飞机的视角计算周边电磁态势，但他忽略了电磁辐射源的空间位置信息，严格意义上讲，感知的并不是一张辐射源地图，而是类似于电磁场强分布图。zl201310372841.0和zl201610235479.6都是从单点监测站的角度出发估计周边电磁态势，也同样忽略辐射源位置信息，没有构成辐射源地图。zl201710979669.3与美军darpa的方案一致，主要对传感器的部署做了优化处理。zl201810939989.0利用阵列天线的空间分辨能力，对辐射源进行定位和电磁态势反演，但阵列天线的空间分辨力随着距离的增加而显著下降，是一种小范围、非均匀的感知方式，在从较远处进行大范围感知时，与其他的单点感知系统差别不大。
8.综上所述，现有的射频地图技术存在如下缺点：
9.1、覆盖范围小；无论是多传感器抛撒，还是单点监测，都无法大范围定位和感知辐射源，形成射频地图。
10.2、工作持续时间有限；感知传感器要实时处理和上传感知结果，自带的电池无法长时间工作。
11.3、均匀感知困难；受抛撒时的气象和环境因素影响，所抛撒的传感器很难均匀分布于待感知区域。即使能够空间位置均匀分布，但受地形、建筑等遮挡影响，感知采样也是非均匀的。
12.4、隐蔽性差；通常的待感知区域属于敌对或非合作区域，所抛撒的传感器必须覆盖到敌方军事活动频繁的要害区域，而这部分区域通常戒备森严，部署一定数量的传感器有较高被发现的风险，在此类区域内的传感器上传信息更容易被截获发现。
13.5、安全性差；分布在敌方区域的传感器如被敌方发现，很可能被利用，形成假情报，对我方战略实施造成不利影响。
14.综上所述，当前的射频地图获取方式主要是基于固定传感器的方式获取(单点或多点)，有的侧重于传感器单点观测的电磁特征处理，有的则侧重于多传感器的电磁环境反演和可视化工作，目前还没有大范围、均匀、隐蔽、安全地获取射频地图的方法。


技术实现要素：

15.本发明的目的在于提供一种获取天基射频地图的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
16.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
17.一种获取天基射频地图的方法，包括如下步骤，
18.s1、基于地面辐射源的位置坐标，获取卫星与辐射源之间不同时刻的径向距离；
19.s2、基于卫星与辐射源之间的径向距离，获取卫星在空间轨道若干点处对地面辐射源的信号功率采样；
20.s3、基于信号功率采样，获取辐射源平均发射功率；
21.s4、基于移动通信基站电磁波预测模型，利用辐射源平均发射功率获取辐射源周边功率密度；
22.s5、综合上述相关数据获取天基射频地图。
23.优选的，步骤s3中，卫星在空间轨道若干点处对地面辐射源的信号功率采样为，
[0024][0025]
其中，pi为卫星在空间轨道点i处对地面辐射源的信号功率；p
tr
为地面辐射源的发射功率；gi为卫星位于(xi,yi,zi)处时，地面辐射源对卫星天线主瓣中轴视距方向的等效天线增益；li为卫星位于(xi,yi,zi)处时，地面辐射源到卫星的信号空间传播的等效衰减值；ri为卫星在空间轨道点i处与辐射源之间的径向距离。
[0026]
优选的，步骤s4具体包括如下内容，
[0027]
s41、对某个地面辐射源的发射功率进行实地测量获取p
tr
，基于卫星在空间轨道若干点处对该地面辐射源信号功率采样pi，计算卫星视距为ri时该地面辐射源参数通过针
对不同环境下的不同辐射源进行地面定标，构建辐射源标定先验数据库；根据辐射源的类型在数据库中搜索匹配的辐射源参数
[0028]
s42、对卫星轨道上n点的辐射源接收信号功率采样进行融合处理，结合辐射源参数即可获取地面辐射源平均发射功率。
[0029]
优选的，步骤s42采用平均融合的方式获取地面辐射源平均发射功率，具体为，将辐射源参数代入到下式中，获取辐射源平均发射功率
[0030][0031]
其中，n为空间采样点总数，i＝1,2,3,
…
,n。
[0032]
优选的，步骤s5具体为，基于移动通信基站电磁波预测模型，在仅考虑天线主瓣轴向直线电磁辐射强度时，获取辐射源周边功率密度；
[0033][0034]
其中，pd为辐射源周边功率密度；g
tr
为辐射源天线增益；l为无线传播损耗；r为地面辐射源与被测点之间的距离。
[0035]
本发明的有益效果是：1、所获取的天基射频地图覆盖范围广。2、获取的天基射频地图工作持续时间长。3、由于是从天顶俯视辐射源，信号为直达波信号，地形环境等造成的散射和多径效应被平均，令天基射频地图感知均匀。4、所获取的天基射频地图隐蔽性强，卫星感知结果不需要通过敌对或非合作区域，可以通过星地或星间链路传递到任何安全的地方。5、所获取的天基射频地图安全性好，卫星飞过敌对或非合作区域被击毁的难度高，被地方篡改利用的风险低。
附图说明
[0036]
图1是现有技术中传感器部署图和插值获取的射频地图；
[0037]
图2是本发明实施例中方法的流程示意图；
[0038]
图3是本发明实施例中利用地面测控站提供的精密星历获取卫星与辐射源之间径向距离的示意图；
[0039]
图4是本发明实施例中冲绳美军基地周边地图；
[0040]
图5是本发明实施例中推算辐射源及其周边的电磁辐射功率密度示意图；
[0041]
图6是本发明实施例中获取的基于单星多普勒频差无源定位的天基射频地图。
具体实施方式
[0042]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0043]
实施例一
[0044]
如图2所示，本实施例中，提供了一种获取天基射频地图的方法，包括如下步骤，
[0045]
s1、基于地面辐射源的位置坐标，获取卫星与辐射源之间不同时刻的径向距离；
[0046]
s2、基于卫星与辐射源之间的径向距离，获取卫星在空间轨道若干点处对地面辐射源的信号功率采样；
[0047]
s3、基于信号功率采样，获取辐射源平均发射功率；
[0048]
s4、基于移动通信基站电磁波预测模型，利用辐射源平均发射功率获取辐射源周边功率密度；
[0049]
s5、综合上述相关数据获取天基射频地图。
[0050]
本实施例中，地面辐射源的位置坐标的获取方式有多种，本实施例中采用解算单星多普勒频差无源定位模型进行获取，通过该方式获取为粗略位置坐标，定位误差在百米量级。
[0051]
本实施例中，如图3所示，步骤s1具体为，根据地面辐射源的位置坐标，结合地面测控站所提供的精密星历，获取卫星与辐射源之间不同时刻的径向距离ri，计算公式为，
[0052][0053]
其中，(x,y,z)为地面辐射源的位置坐标；(xi,yi,zi)为地面测控站提供的精密星历。
[0054]
获取卫星与辐射源之间不同时刻的径向距离后，则卫星在空间位置(xi,yi,zi)处接收到的信号强度si即可通过下式获取，
[0055][0056]
本实施例中，步骤s3中，卫星在空间轨道若干点处对地面辐射源的信号功率采样为，
[0057][0058][0059]
……
[0060]
其中，pi为卫星在空间轨道点i处对地面辐射源的信号功率；p
tr
为地面辐射源的发射功率；gi为卫星位于(xi,yi,zi)处时，地面辐射源对卫星天线主瓣中轴视距方向的等效天线增益(因为卫星的运动导致地面辐射源天线朝向与卫星天线主瓣中轴的角度随时间发生变化，因此gi也随时间变化且与卫星位置有关)；同理，li为卫星位于(xi,yi,zi)处时，地面辐射源到卫星的信号空间传播的等效衰减值，该值与大气、空间环境参数以及卫星位置相关。
[0061]
本实施例中，步骤s4具体包括如下内容，
[0062]
s41、对某个地面辐射源的发射功率进行实地测量获取p
tr
，基于卫星在空间轨道若干点处对该地面辐射源信号功率采样pi，计算卫星视距为ri时该地面辐射源参数通过针
对不同环境下的不同辐射源进行地面定标，构建辐射源标定先验数据库；根据辐射源的类型在数据库中搜索匹配的辐射源参数
[0063]
也就是说，gi和li可以通过多种地面典型辐射源进行地面定标的手段获取。具体的，对某地的手机基站的发射功率进行实地测量获取p
tr
，再基于卫星空间多点观测值pi，可计算求得卫星视距为ri时该地面辐射源天线特有参数(天线类型、朝向、增益、极化方式、频率范围、波瓣宽度、驻波比等)情况下的通过针对城市、郊区、山区、森林、丘陵等不同环境下的不同辐射源(基站、电台、雷达、干扰机等)进行地面定标，可构建辐射源标定先验数据库。在实际应用时，可根据辐射源类型在数据库中搜索相匹配的辐射源参数代入相应公式中，即可求得
[0064]
即通过其他手段所侦察到的辐射源类型及周边环境特征，在辐射源定标先验数据库中检索相关的值，从而实现对辐射源平均发射功率的精确估计。
[0065]
s42、对卫星轨道上n点的辐射源接收信号功率采样进行融合处理，结合辐射源参数即可获取地面辐射源平均发射功率。
[0066]
步骤s42中融合处理的方式有很多，包括但不限于kalman滤波、最小二乘法、平均融合等方式，步骤s42中具体采用平均融合的方式进行融合处理，进而获取地面辐射源平均发射功率。具体操作过程为，将辐射源参数代入到下式中，获取辐射源平均发射功率
[0067][0068]
其中，n为空间采样点总数，i＝1,2,3,
…
,n。
[0069]
本实施例中，步骤s5具体为，基于标准hj/t10.2-1996《辐射环境保护管理导则——电磁辐射监测仪器和方法》中的移动通信基站电磁波预测模型，在仅考虑天线主瓣轴向直线电磁辐射强度时，获取辐射源周边功率密度；
[0070][0071]
其中，pd为辐射源周边功率密度；g
tr
为辐射源天线增益；l为无线传播损耗，可根据okumura-hata、cost231-hata、cost231 walfisch-ikegami、keenan-motley等模型，结合感知区域的gis环境信息和信号参数特征获得；r为地面辐射源与被测点之间的距离。
[0072]
结合上述过程获取的各个相关参数，最终获取天基射频地图。
[0073]
实施例二
[0074]
本实施例中，以冲绳美军基地周边场景为例，仿真分析获取天基射频地图(radio map,rm)的方法的可行性。
[0075]
冲绳美军基地周边地图如图4所示，通过gis标尺测量，估算出地图精度28.76m(像素间隔)。由于缺乏实际数据，现假设美军基地及其周边城市、村落存在辐射源，其位置通过单星多普勒频差无源定位技术获得。
[0076]
基于单星在轨多点采样的辐射源平均发射功率估计，再利用标准hj/t10.2-1996中的电磁波预测模型和周边gis信息，推算辐射源及其周边的电磁辐射功率密度(单位dbm)，如图5所示：最终获得基于单星多普勒频差无源定位的天基射频地图(rm)，效果如图6所示。
[0077]
该rm信息，可结合时间、频率、空间、信号类别等信息，综合成为一张动态射频地图，为战略实施提供保障。
[0078]
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[0079]
本发明提供了一种获取天基射频地图的方法，通过该方法获取的天基射频地图覆盖范围广。获取的天基射频地图工作持续时间长。由于是从天顶俯视辐射源，信号为直达波信号，地形环境等造成的散射和多径效应被平均，令天基射频地图感知均匀。所获取的天基射频地图隐蔽性强，卫星感知结果不需要通过敌对或非合作区域，可以通过星地或星间链路传递到任何安全的地方。所获取的天基射频地图安全性好，卫星飞过敌对或非合作区域被击毁的难度高，被地方篡改利用的风险低。
[0080]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。