网格化技术在发射场电磁频谱监测中的应用

西昌卫星发射中心 潘晓 刘宪秋 雷长征

提升对电磁环境精准监控的能力，确保发射任务安全，是航天器发射场迫切需要解决的问题。本文在分析航天发射场现有电磁环境监测现状和需求的基础上，引入网格化技术，提出发射场网格化电磁环境监测系统设计方案。对发射场网格化电磁环境监测系统的拓扑结构、功能架构以及工作模式进行了设计，并针对网点布局、信号定位等关键技术问题给出了解决策略。最后分析了网格化技术在航天发射场运用的技术优势，为后续发射场电磁环境监测网络建设提供了参考。

随着无线电通信技术的不断发展，各类用频装备在发射场卫星、火箭系统和地面测控、通信及气象系统中被广泛的使用，加之民用广播电视、移动通信等各类专网的迅速发展，使得发射场空间电磁环境日趋复杂。另一方面，随着发射场职能转变，来自敌对势力的侦查和干扰，将不可避免地对航天发射任务构成严重威胁。因此，如何提高发射场对电磁环境精准监控的能力，确保发射试验任务安全，是航天器发射场应对未来电子战所面临的重要课题。

传统电磁环境监测系统建设时，往往采用“固定站+移动站”的模式，这种模式存在系统造价高、数据融合程度低等多种现实问题。20 世纪90 年代，国际电信联盟提出了网格化无线电监测的新理念，近些年，随着高速通信和大数据处理技术的发展，网格化无线电监测技术在许多大中城市的“智慧城市频谱监测管理”中得以实践应用，并取得良好效果[1]。本文将网格化技术引入的发射场频谱监控工作中，开展系统设计并分析技术优势，为发射场电磁频谱监测系统建设提供新的思路。

发射场各类电子设备应用普及，辐射源数量种类繁多，加之本身地理特性导致电磁环境较为复杂。比如，有的发射场周边四面环山，易造成无线传输多径效应干扰；
有的发射场紧邻城市，各类广播、移动基站、港口机场雷达数量较多；
有的发射场紧邻海洋，海上军舰、船舶雷达数量较多，海上干扰频繁。

目前，国内大部分发射场仅依靠单站系统开展电磁环境监测。存在以下不足：

（1）系统覆盖能力弱。单站系统工作半径窄，只能对发射场区开阔位置内一定空间范围内的电磁环境进行监控，监测精度、覆盖范围均不满足要求。

（2）系统监测能力弱。天线、接收装置数量有限，难以在同一时段对两个频段进行同时监测，限于测试频次和时间，无法实现长期动态监测。

（3）干扰源定位能力差。对于发射场区外未知的或者时断时续电磁辐射信号，单站系统无法快速准确定位干扰源，不满足机动响应需求。

（4）数据采集能力有限。获取的频谱数据呈片段状，零散且量少，缺少长期全面的监测数据，无法支撑后续运用。

复杂电磁环境影响着发射任务周期内星箭指标测试、测控通信联调、电磁兼容试验及发射等各项技术活动，仅仅依靠单一监测终端进行“以点带面”的电磁环境监测已经不满足要求，必须对发射场电磁频谱监测手段进行升级换代。

结合发射任务需求，发射场电磁频谱监测应具备以下基本特征：系统集约高效、全区域覆盖无遗漏、数据全面精确可靠、干扰定位快速高效、实时动态全天候、自动采集常态化。综合考虑发射场实际、费效比等因素，有必要引入网格化技术开展新一代发射场电磁频谱监测系统设计，构建更为科学的频谱监测系统，使频谱数据为发射任务电磁安全提供全面的支撑成为现实。

2.1 网格化频谱监测的基本原理

网格化频谱监测是将监测区域及周边按照空间距离和监测重要程度，划分成若干个大小不等的网格单元，在每个网格单元布置监测点，把多个监测点联合起来，组成一张频谱实时监测网络，实现对整个区域的频谱监测全覆盖[2,3]。同时，利用网络通信技术，将监测网格点采集到的数据上传到中心站进行相关性技术处理和分析计算，获取相应区域内电磁环境情况，实现电磁环境精细化管理。

从技术原理上分析，随着被监测信号具有了更高的载频和更宽的带宽，它们发射出来经传播到达接收机时，信噪比降低[4]，测试效果愈发不理想，需要监测站点配置中频带宽、灵敏度等技术指标更优的接收机。而网格化的频谱监测网利用大范围多点布设，有效克服障碍遮挡，使得接收机更加靠近被监测信号源。它不以无限追求接收设备的高灵敏度为目标，造价低，覆盖范围大，监测效率高，可以在发射场电磁环境监测中加以应用。

2.2 系统拓扑结构设计

在系统设计中，根据发射场实际情况，我们对发射场待监测区域进行了扩大，不再局限于发射阵地（发射塔架周边区域），而将参与任务的测控雷达等用频装备所在区域或站点也纳入监测管理范围。

发射场网格化频谱监测系统的层次结构设计遵循可延伸、可扩展的多层构架模式。建立“控制中心——区域控制中心——监测网格点”三层结构的频谱监测网络架构，实现分级、分区域组网和管理[5]。如图1 所示为系统拓扑结构图。

图1 发射场网格化频谱监测系统拓扑结构图Fig.1 Topology diagram of grid spectrum monitoring system in the launch site

第一层是监测控制中心（中心站），主要负责对各站点进行控制、指挥，是网格化监测网的大脑中枢。它主要负责网格点设备运行监控和指令分发、网格点数据存储及处理、异常信号甄别及快速定位、监测数据的大数据分析及应用等。

第二层是区域汇聚控制中心（枢纽站），作为区域监测节点的汇聚点和枢纽。具有监测和管理的双重功能，它主要负责完成对下层网格点数据的采集、筛选、过滤及上传，对上级中心站命令的分发。

第三层为监测网格点（节点站），是最小的监测单元。主要完成区域内信号的监测任务，用于执行中心站指令、上传设备运行状态和监测数据等。每个监测站网点使用体积小，结构简单的高性能射频传感器代替传统接收机进行频谱感知，实现长期不间断感知监测，无需建设显示终端和专用机房，无需配置专人值守。

各层级站点之间的信息传输手段以光纤或网络通信为主，能够有效解决频谱数据传输量大、实时性要求高的问题。部分不便于架设光纤的区域或场合，可采用5G 无线传输技术开展通信组网和数据传输。数据传输网络设计必须严格执行《无线电监测网传输协议》（简称RMTP，Radio Monitoring Network Transfer Protocol），符合业务功能、数据传输格式、监测文件格式和监测站代码等相关规定[6]，搭建标准统一、接口一致、开放兼容的应用平台，为后续扩容和实现与其他无线电监测网兼容运行奠定基础。

2.3 功能架构设计

网格化电磁频谱监测系统主要由频谱感知系统、数据存储/分析系统和人机交互系统三部分组成。系统功能架构图如图2 所示。

图2 发射场网格化频谱监测系统功能架构图Fig.2 Functional architecture of grid spectrum monitoring system in the launch site

（1）频谱感知系统。位于监测最前端，主要用于感知网格点所在区域的频谱信息、预处理频谱数据、传输频谱数据、实现网格点间的时间同步和监控监测网点现场情况等。

（2）数据存储/分析系统。作为系统的核心部分，主要包括数据仓库和数据挖掘系统。

网格化监测数据种类多、数据维度广、数据量大,系统数据仓库包含有大量数据库：监测数据库主要用于存储采集到的频谱监测数据；
硬件信息数据库主要用于存储各监测网点、汇聚节点的基本配置信息以及监测设备情况；
已知信号数据库中，背景信号数据库用于存储发射场各监测区域背景噪声情况，特征信号数据库用于存放国家频率资源分配使用情况、发射场各类设备用频信息、常见干扰信号以及异常信号信息等；
业务资料库用于存放历次频谱监测任务的实施情况；
日志数据库用于统计记录频谱监测系统硬件设备和软件系统的工作情况；
资料数据库用于存储整个网络相关资料。

当前，我国医药卫生体制改革工作进入深水区和攻坚期，深层次矛盾和问题凸显与叠加。由于受到过度专科化、技术化、商业化的医学文化及医学范式、对人文教育的重视程度不够等原因影响,医患关系紧张已成为我国现阶段一个突出的社会矛盾[2]。医务人员收红包、拿回扣、乱收费问题屡禁不止；
医患纠纷乃至恶性伤医事件频发。“双输”的医患关系一定程度上反映了患者对医生是依赖而不是信任。这种状况不仅使整个医务界声誉受损，更从根本上折射出高等医学教育对于人文素养和人的健康生命的尊重欠缺。加强和改进医学院校人文教育，重塑医学人文精神，乃化解医患矛盾、进而构建和谐医患关系的根本所在。

数据挖掘系统主要是基于数据仓库开展应用。首先是数据筛选，对汇入中心系统的数据进行分析，剔除有瑕疵数据；
其次是数据融合，对数据进行抽取、压缩、转换、加载、聚合，实现数据的整合，为后续利用奠定基础，三是有用信息提取，主要包括：结合实测数据和已知信号进行数据比较判别，识别信号；
利用特定算法进行干扰信号、异常信号的定位。

（3）人机交互系统。利用监测网络与用户交互的平台，实现对整个监测网络的管控和监测结果的展示。用户根据权限对发射场所有监测网点、聚合点的基础信息进行管理及配置，实现远程操控、运行管理和远程诊断；
可根据各类测试任务，设计测试流程，开展任务规划并分发。应用服务系统利用地理信息系统和电子地图等手段，完成辐射源分布、整体环境、电磁干扰、可用频谱、态势评估结果等频谱态势综合展示，完成对发射场内用频装备电磁兼容性评估，开展电磁环境的量化评分，给出发射场环境复杂程度等级评价，这些结果都将传递给发射任务控制中心供指挥决策使用。

2.4 监测工作模式设计

以往发射场的电磁频谱环境监测仅仅是在发射任务准备实施过程中的重要节点开展，采用网格化技术后，监测将从片段式转化为常态化，点面式转化为系统化。系统将采用常态监测、发射任务周期监测、专项监测三种工作模式，如表1 所示。

表1 发射场网格化频谱监测系统三种工作模式Tab.1 Three working modes of grid spectrum monitoring system in the launch site

（1）常态监测工作模式。系统根据用户设置，定期定点启动监测网点对各区域进行全频段进行扫描，监测结果作为长期数据资料构建发射场周边电磁环境的背景库。此模式下，不要求实时数据传输，可事后分析处理，以节约更多的网络资源和计算资源。

（2）发射任务周期监测模式。所有监测网点处于全天候实时监测状态，监测数据实时传到中心站进行处理，动态监测的同时开展异常及干扰信号的识别和定位。这种监测模式利于以单次任务为单位开展电磁环境的长期积累和比较。

（3）专项任务监测模式。当发射场周边开展专项任务时，比如，测控站点独立执行其他发射场跟踪任务、开展用频装备的性能试验（飞球试验、对接试验、空间站跟踪等）或者区域正在开展需要通信保障的重要活动等。此模式下，控制中心根据任务需要，临时配置监测网格点，组成一个覆盖特定区域的监测小网，在短时间内对局部地区和特定频段进行全时段严密、实时的监测，保证专项任务的顺利实施。

3.1 网格点布局规划

网格是网格化无线电监测网的基本单元,科学合理地规划网格是无线电控制中心能够精确感知无线电频谱信息的前提。网格点的布局是一项非常复杂的系统工程，涉及电磁环境、物理环境、工作条件等诸多因素[7]，能否合理布点实现区域全覆盖的同时，尽可能的降低建设成本,是网格化无线电监测系统建设的重难点问题。

发射场的电磁环境监测不同于城市无线电管委会对整个城市进行监控，监测区域面积较小，布设的监测网格点数量不多，网格化布局问题相对简单化。方法如下：

（2）对各个监测区域的重要性进行分级处理，采用不同几何图形生成网格初始布局。首先根据实际监测需求和重要性等因素，对监测区域进行重要度分级，将发射阵地（发射架所在地）作为一级监测区域，其他区域作为二级监测区域。考虑被监测对象的重要程度、空间无线电信号分布密度、费效比等因素，一级监测区域可采用六边形蜂窝布局；
二级监测区域可采用相对较简单的正方形网格布局。考虑到发射场对高频段无线电信号监测需求较多，可以选定0.8～3 公里（经验值）的距离布置网格点，我们在该范围内选定初始距离值A，做出网格化的布局图。

（3）利用仿真手段预估网格点覆盖范围，判定是否满足要求。选取无线电波传播模型（1.5GHz 以下：Okumura-Hata 模型、1.5GHz 以上：Cost231-Hata 模型）[8]，确定该监测区域监测信号的最高频率和需要识别的最小功率，计算一定频率和功率下信号传播的路径损耗，从而推算出监测站点的覆盖范围。如果各网格点覆盖范围重叠较多，可增大A值，范围较小，可减少A值，反复计算，直到理论模型完全覆盖预先设定监测区域。

（4）结合现场地理环境特点，综合地形特点、天线高度、布设难度、定位算法精度等因素，对布局方案进行调整，重新进行仿真计算。

（5）开展路测验证。建设阶段，开展实地传输接收测试试验，进一步验证方案的正确性。如需调整，则需要改变传播模型的参数，重新进行仿真计算。反复迭代，直至布局方案符合实际需求。

3.2 网格化信号定位算法

信号定位是发射场电磁环境监测的关注重点。在发现异常干扰信号影响发射厂区用频装备正常工作时，系统必须能够根据监测数据开展计算，迅速定位信号来向及位置。传统监测系统中多采用定向天线开展监测，然后利用多站点联合测向定位技术,采用到达角度算法（简称AOA 算法：Angle of Arrival）解算出信号的大致位置。网格化监测系统中，监测网格点采用造价较低的全向天线开展监测，硬件设备改变和网状结构的特点，决定了系统需选用其他技术来进行定位解算。

系统可采用到达时差技术（简称TDOA：Time Difference of Arrival）来实现系统定位。该技术基于双曲线定位原理，通过测量同一个信号源到达不同站的时差，再根据传播速度和站点之间的相对位置来实现信号源的定位[9]。

系统可根据情况灵活选择网格点来进行定位计算，至少应选择3 个（A、B、C），无线电信号S 到达网格点A 和网格点B 的时间差可以通过监测数据计算得到。到达两个站都是该时间差的信号可能所在点的组合可以绘制出一条双曲线M。同理信号S 到达网格点B 和网格点C 的时间差也可以测出来，也可以得到一条双曲线N，两条线相交的地方就是信号S 所在的位置，如图3 所示。

图3 到达时差技术（TDOA）示意图Fig.3 Diagram of time difference of arrival (TDOA).

选用三点CHAN 算法进行定位解算，假设时差定位主网格点位置为(xB,yB)，A、B 监测网格点的位置为(xA,yA)、(xC,yC),目标信号位置为(x,y),则定位方程组为如式(1)所示：

式（1）中，ri为目标与其他网格点的距离，rB为目标与主网格监测点的距离，c 为电磁波传播速度，di为目标到达第i 个监测点与到达主监测网格点的时间差测量值，cdi为第i 格监测网格点的TDOA 测量值。由上面的方程组可推导出如式(2)、式(3)、式(4)所示：

通过矩阵运算，就将(x,y)表示成rB的函数，再代入公式(1)计算出rB，然后再分别计算出(x,y)，得到目标信号所在地理位置的解算结果。

由于时间测量的精度已经达到ns 级别，因此TDOA技术具有较高的定位精度。在系统建设中，要求每个网格点配备有GPS 定位装置，用于测算当前地理位置和预防多径效应，还需配备时钟同步模块，确保整个监测网络的时间统一。

在后续实际应用中，网格化频谱监测系统还可以与发射场现有的车载监测系统和已有的固定测向监测站进行“AOA+TDOA”联合定位，采用数据融合优化算法，进一步提高快速定位的精度。

网格化技术运用到发射场电磁频谱监测中，有着巨大的优势，主要表现在：（1）系统构成简洁、建设投入成本低，建设周期短，具有较高的经济性、可行性；
（2）监测无缝覆盖，定位干扰能力强。监测区域划分更加精细化，能够实现发射场全区域覆盖，特别适合发射场周边多障碍的地理环境特点；
（3）系统定位准确度高，满足发射场快速精确定位干扰的现实需求；
（4）数据全面融合，数据挖掘能力强。能够快速处理海量数据，解析并提炼有用频谱信息，提炼生成频谱态势，结果准确直观便于发射任务指挥辅助决策。

综上，网格化技术在发射场电磁环境监测工作中有着良好的应用前景，是发射场频谱管理实现由粗放式向现代化、精细化管理的有效途径。后续还需针对网格布点选址、监测设备设计选型、大数据融合处理等关键技术进行深入研究，为最终建设好发射场网格化电磁频谱监测系统，切实为提升发射场无线电监测能力奠定技术基础。

引用

[1] 蔡敏.城市网格化无线电监测网的应用研究[D].广州:华南农业大学,2016.

[2] 龙健.智能网格化无线电监测系统的研究与规划设计[D].辽宁:大连理工大学,2019.

[3] 刘科.网格化无线电监测的技术问题研究[J].电子元器件与信息技术,2020,4(3):35-36.

[4] 严春明.基于网格化无线电监测的技术问题[J].数字技术与应用,2022,40(3):99-101.

[5] 何敬松,宗容,刘刚,等.网格化无线电监测网监测站点布局规划探索[J].无线电工程,2016,46(9):28-32.

[6] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T 34082-2017无线电监测网络传输协议[S].北京:中国标准出版社,2017.

[7] 李兆宏.如何确保网格化监测网络布局合理[J].中国无线电,2014(6):41-43.

[8] 苏良成,王建波.网格化监测站中基于差分场强的信号源定位方法[J].成都信息工程大学学报,2018,33(4):391-384.

[9] 马翔.网格化无线监测探索与研究[J].中国无线电,2019(12): 46-49.