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利用飞机散射信号定位地面干扰源

【字体: 2017年09月14日 09:56 来源:悦智网 作者:李景春 王晓冬 杨文翰 富尧 鲍尧 陈京

随着中国社会改革开放和现代化建设的不断推进,民航作为现代化交通运输行业的重要抓手和基础手段之一,也实现了跨越式快速发展,在航空运输、通用航空、机队规模、航线布局、法规建设、基础设施建设和运行保障等方面均取得了举世瞩目的伟大成就。目前,中国共有定期航班航线3326条,航线里程超过780万公里,未来航空业将会在2015年客运量3.9亿人次、货运量500万吨的基础上,实现较快增长。中国已经成为名副其实的航空大国,民航业也已经成为推动国民经济发展的重要引擎。

然而,随着马航MH370空难等一系列事故的发生,民航飞机的安全性问题日益引起广泛关注。国际民航组织多次呼吁提升民航飞行安全,国际电信联盟在当年即通过决议研究全球飞行器导航跟踪问题。归根结底,民航飞行的安全性需要民航无线电通信和导航的保障,因为无线电已经无可争议地成为现代航空飞行的“眼”和“耳”。具体而言,无线电通信在航路和航线导航、地空数据链通信、紧急遇险通信、空对空通信、机场管制通信、塔台管制通信、进近管制通信、区域管制通信、航务管理通信、航站自动情报服务以及气象预报服务等方面,均发挥着不可替代的作用。

近年来,随着民航业的快速发展,各地也不断报道民航通信受到干扰的事件,这些干扰严重威胁到飞机的飞行安全。无线电管理和监测部门作为无线电频率的管理和安全保障机构,负责维护电波秩序,保障各类电台安全、可靠运行。针对民航干扰问题,中国各级无线电管理机构加强了对民航无线电安全的保障工作,对干扰进行了监测、定位及查处,有力地保障了民用航空的无线电安全。

传统的无线电监测及干扰定位方法,一般采用在地面布设监测站,由多个监测站对干扰信号进行直接测向的方法交叉定位地面干扰源。这要求地面设置多套监测系统并同时进行干扰信号测向交汇以确定干扰源位置区域,然后使用移动监测设备在可疑区域通过测向逼近干扰源,但这种方法还仅限于无线电监测设置配置较好的大中城市。对于民航飞机在航线上受干扰的情况,由于民航飞机在高空飞行时最远可以收到上百公里以外的干扰信号,同时中国航线众多且分布较广,因而飞机可能受到的干扰面积非常大,加之电波传播可能会出现反射、折射、绕射等效应,基于目前无线电管理部门的监测覆盖能力和人员装备,传统的干扰定位方法将可能无法有效发挥作用。最直接的解决方式是在飞机上安装监测、测向设备以进行空中监测,但飞机改造成本非常高,同样存在投资巨大和维护成本高的问题;不仅如此,由于干扰的出现是随机的,为查找干扰必须多次执行飞行任务,这样将会影响正常的空中飞行秩序,故这种方法也并非经济有效的解决之道。

针对上述情况,国家无线电监测中心创新性提出了利用飞机散射多普勒频移信号定位地面干扰源的方法(干扰定位原理示意如图1所示)。该方法主要是考虑到民航机身截面积较大,干扰信号通过机身的散射后仍有可能返回地面而被接收到,同时,经民航飞机散射的无线电信号也会因飞机的相对运动而产生多普勒频移。

通过对飞机散射的微弱信号进行捕获,获取其多普勒平移曲线(如图2所示),并对其信号的时频特性进行分析,结合民航飞机实时飞行状态,采用多元数据融合的方法反向解析,就可以实现对地面干扰源的定位,从而解决现有监测、测向方法难以直接接收到地面干扰信号、难以定位干扰源的技术难题。

为了实现这一创新解决方案,国家无线电监测中心联合北京邮电大学、大连理工大学成立了联合研究团队,在国家自然科学基金项目“利用飞机散射信号定位地面干扰源的方法与装备研究”的资助下,对飞机散射模型分布理论、飞机飞行轨迹动态获取、无先验散射信号特征识别、微弱散射信号捕获算法、微弱信号多普勒测量及干扰定位理论等多项关键技术进行了深入研究并取得了重要突破,能够成功定位飞机在航线上受到干扰时的地面干扰源位置。这些关键技术和研究团队取得的重要研究成果包括:

(1)利用高低频电磁数值计算综合实现飞机频域、空间域等多域分析方法研究。建立了民航飞机RCS数据库,并以此为基础利用优化方法建立了民航客机在地空通信频段的散射分布模型,计算了散射信号的场强分布。

(2)动态多普勒频移的估计理论技术研究。结合实际项目需求,提出了基于快速傅里叶变换、分数阶傅里叶变换、分数阶模糊函数、分数阶功率以及加权高斯分数阶傅里叶变换等理论的动态多普勒频移估计方法,实现了微弱多普勒频移的高精度估计。

(3)非高斯噪声与同频带干扰共存下的微弱信号处理理论研究。提出了基于分数阶循环统计量的参数估计方法,实现了低信噪比下信号参数估计。此外,为进一步克服分数低阶循环统计量对噪声先验知识的依赖,创新性地首次提出循环相关熵概念,实现了更好的参数估计效果,并奠定了以循环相关熵、循环相关熵谱和循环相关熵模糊函数为基础的循环相关熵基础理论框架。

(4)系统研究了利用飞机散射信号实现地面干扰源定位的问题,基于多元数据融合的思想,提出了基于相关熵和粒子滤波等理论的定位算法。此外,针对ADS-B报文时间延迟问题,提出了基于辅助源的时变和非时变的时延估计方法,进一步提升了定位的精度。

基于上述理论研究成果研制的国际首套利用飞机散射信号定位地面干扰源的实验样机已经开发成功。样机系统实现了ADS-B飞机参数提取、飞机散射信号接收、多普勒频移提取及干扰源定位等功能。系统硬件(如图3所示)由天线、滤波器、低噪放、射频接收机、ADS-B接收机及主控电脑组成;系统软件模块如图4所示,包括飞机散射信号捕获、多普勒频移提取、ADS-B解码、飞机实时参数解析、干扰源定位以及干扰源位置和飞机实时位置显示功能六大功能模块。

研究团队从2013年开始已在北京大兴、河北霸州做了多次外场实验(如图5所示),对系统的关键技术进行了验证,积累了大量实验数据。

从定位结果来看,系统可成功实现无直达波情况下的民航干扰源定位,定位地点误差小于2千米(如图6所示)。此项研究成果也表明我国在民用航空无线电干扰定位技术上已处于国际领先水平。

今后,研究团队还将进一步开展研究以降低系统成品体积,提高系统便携性及易用性,推广实验样机在民航干扰排查中的应用,积累实际干扰定位经验,并对系统关键参数进行修正,开展多站分布式融合定位研究,提高定位准确率。同时,有关循环相关熵的方法还可能应用于无线被动定位以及其他通信类型中。另外,针对ADS-B报文时间延迟问题,研究团队提出了基于辅助源的时变和非时变的时延估计方法,该方法能有效地估计ADS-B的报文时延,从而提高ADS-B系统监控民航飞机位置信息的精度,同时,该方法也可使用在地面ADS-B监控站上,使ADS-B系统更好地服务于民航飞机实时监控。

作者简介:

李景春,国家无线电监测中心教授级高工,百千万人才工程国家级人选;

王晓冬,国家无线电监测中心高级工程师;杨文翰,国家无线电监测中心高级工程师;富尧,国家无线电监测中心工程师;鲍尧,国家无线电监测中心助理工程师;陈京,国家无线电监测中心工程师。

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标签:民航通信干扰排查 地面干扰源定位 中心 阅读:2105
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