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主动监测在航空干扰中的应用研究

2019-06-20

要:随着航空运输业的快速发展,飞机起降架次急剧上涨。由于无线电应用的迅猛发展,随之而来的航空无线电通讯干扰也在成倍增加。传统航空监测模式采用航空信号受到干扰后再查找处理的被动监测模式,无法及时预警,不能提前排除航空安全隐患。研究提出一种主动的航空干扰监测方法,通过控守型和保护型监测模式,运用信号捕获提取算法对信号干扰进行主动监测,然后通过零均值归一化相关性算法对干扰进行溯源追踪,实现对干扰源的定位查找。查找实例证明该方法的实用性和可靠性。

关键词:航空干扰控守监测保护监测相关算法


0引言

航空无线电通讯干扰对航空飞行是一个重要的安全隐患。飞机与地面交通工具不同,它在空中与地面的唯一联系就是看不见、摸不着的无线电波,一旦无线电通信中断,飞机就如同“失聪”了一般,很容易发生安全事故。近年来,航空频率受到干扰的情况主要呈现出干扰多、广、杂的特点。机场的航空信号监测往往采用被动模式,即在航空信号受到干扰后再进行查找处理。这种监测模式往往对航空飞行造成很大的安全隐患。并且由于地空距离远,空中干扰不确定性较大,难以追踪溯源,航空干扰因此无法及时排除。

研究提出主动型监测模式,利用多通道控守型监测设备,对可以干扰源信号进行全时、全面的捕获监测。针对航空CNS (Communication, Navigation, Surveillance)的通信、导航和监视频段分别进行控守型和保护型监测。通过多通道记录设备和航空频段,监测接收机,对信号进行高灵敏的大范围的搜索记录,为信号的追踪溯源提供保障。通过信号捕获提取算法、长时间零均值归一化信号相关算法,精确分析互调干扰、黑广播干扰的干扰源实时动态,确定干扰目标,并进行追踪溯源。多案例证明该方法的实用性和可靠性。


1 主动型监测模式

航空CNS主动监测模式

航空的通信、导航、监测分别占据了很多不同的频段,其中118MHz-137MHzVHF地空台通信频段,2.8-23MHzHF地空台通信频段,108MHz-112MHzLOC导航信标台频段,108MHz-118MHz为VOR全向信标台频段,由于这些频段与87MHz-108MHz的调频广播频段接近。由于调频广播电台的发射功率大,一般都在1kW以上,设台地点一般位于高山上,离飞机航线较近,台站老化后,发射机参数发生变化,容易产生互调信号。而航空通信业务设配多采用AM调制方式,通信范围大,抗干扰能力差,容易受到广播互调信号的干扰。

传统的被动型监测模式在航空业务受到干扰后再进行查找处理,不能及时预警,提前排除隐患。随着航班日益增多,问题更加突出。研究提出的主动监测模式,能对航空业务的通信、导航频段分别进行控守型和保护型的监测。对航空通信频段进行7*24小时的实时信号采集预警,发现疑似广播干扰,及时进行干扰查找,在对实际航空业务造成影响前就排除安全隐患。对航空导航业务进行保护型监测模式,在导航业务开展前进行实时监测保护,做到及时清理干扰,保护航空业务正常安全的进行。

1.2 监测模式流程

控守型监测模式打破了传统的基于任务驱动的监测模式,采用了全新的基于大数据思想的主动实时监测模式,实行7*24小时不间断监测。

监测站设备启动后,即开始进行数据采集、分析工作,能够获取到干扰发生前、发生时、发生后的第一手监测数据。监测数据不再针对某一特定的业务领域(比如查找干扰、占用度分析),而是一种全时域、全地域、全频域的,同时还包含信号的特征数据、音视频数据等。

实时监测数据经压缩后,可以根据需求存储在本地或是向控制中心汇集,发现干扰或是预测到干扰可能发生时,向控制中心发起告警。同时采用了新型的数据缓存系统及方法,提高了设备的数据处理速度,大大的提高了监测处理多个航空业务频段的时效性,系统能够全面实时的覆盖航空导航、监视业务的多个频段,及时监测到各类正常和非法信号。

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图1 控守监测模式流程图

2 监测算法

2.1信号捕获提取算法

接收机在锁定一个目标信号前需要接收信号的一些先验知识。这个信息获得的过程就叫做信号捕获为了得到可见信号特征的粗略估计值,就需要在很大的空间中进行搜索,所以信号捕获的目的就是在信号空间中搜索和提取信号。

7   (1)

式(1)中,XT表示频域捕获信号,x(μ)*表示归一化时域信号。研究采用并行码相位搜索会通过对伪随机噪声码做FFT变换,在频域和时域都获得良好快速的捕获结果。



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图2接收机信号捕获


2.2干扰源相关性检测算法

研究为了将信号特征的尺度一致化,使各指标处于同一数量级,进行归一化预处理。

3   (2)

式(1)中,x(t)表示捕获到的信号,μ表示信号均值σ表示信号方差

根据信号的相关特性,从长时间的时域信号中上升沿的时刻和下降沿时刻的不同,分别赋予不同的相关权值,计算不同的相关系数音频数据中快速的找到干扰音频信号源,为干扰的快读追溯提供有力的支撑。同时基于大数据的时间序列关联规则进行挖掘,利用大数据相关性分析法实现干扰信号的检测以及可疑干扰源信号的分析。

4    (3)

式(2)中,Rxy表示受干扰信号和干扰信号的相关系数,τ1,2表示基于信号上升沿和下降沿的不同时移,并附上权值。T0表示一个信号采集时间周期。

算法分为两个部分:一是航空业务频段干扰的自动检测算法,对航空业务频段的监测数据进行长时间的相关性分析,每个业务频段之间进行时间相关性分析,结合各业务信号的发射特点,从信号一致性、发射规律稳定性、信号频域特征复合性等分析结果上判断是否存在被干扰信号。二是可疑干扰源的分析判别,对于主动发现的被干扰信号进行可疑干扰源分析,遍历可疑干扰源频段的所有频段,依次对每个频点和被干扰信号进行长时间的时间相关性分析,利用归一化相关算法实现可疑干扰源的分析和判断,当相似度超过设定阈值时判断为可疑干扰源。

3 主动监测应用分析

20191261730,在某市航空无线电专项监测网,监测站主动上报航空1级告警,告警频率:132.61MHz,告警内容:频点被持续占用。

132.61MHz是属于民航地空通信台频率,工作人员立刻其中告警处理,通过系统中监测站单站分析,发现该频点有持续异常广播声音,在相似源对比中发现广播信号89.6MHz在此时间段内夜间值突然大幅抬升,根据信号捕获查找算法计算得出夜间电平超过阈值,疑似黑广播信号。

时域电平变化和132.61MHz出现时间完全一致。通过调取89.6MHz的音频数据,听取语音记录后确认为虚假宣传广告的黑广播信号,与132.61MHz语音数据在内容和时间上完全一致,由此怀疑为该黑广播对132.61MHz地空通信台造成干扰。干扰信号突变和频点告警情况如图3所示。


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3单站分析


在系统多站分析发现另一监测站也收到132.61MHz告警,有相应的音频、电平记录,通过干扰分析、语音对比确认黑广播89.6MHz干扰132.61MHz频点。通过比对系统信号库地理位置信息,确认黑广播89.6MHz在某市东北方位。

在201926日某市监测站查处89.6MHz黑广播信号后,132.61MHz出航空干扰信号消失。多站分析的干扰信号溯源查找如图5所示。


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图5 多站分析(地域分析)


4 小结

本研究提出的一种主动型的航空干扰监测方法,针对传统航空干扰的被动监测模式的不足,通过控守型监测模式和保护型监测模式,运用信号捕获查找算法对信号干扰进行实时监测,然后通过零均值归一化相关性算法对干扰进行溯源追踪,实现对干扰源的有效查找,对非法广播进行打击。多次航空干扰查找实例印证该航空干扰的控守监测方法的实用和可靠。

参考文献:

[1] 频谱监测手册(2011)

[2] 陈爱青. 非法调频广播自动监测系统设计与实现[J]. 电声技术, 2017(6).

[3] 崔传金, 马良, 宋振祥. 基于语音识别技术的“黑广播”自动识别系统设计[J]. 数字通信世界, 2018, No.161(05):16-17.

[4] 崔传金, 马良, 宋振祥. 基于语音识别技术的“黑广播”自动识别系统设计[J]. 数字通信世界, 2018, No.161(05):16-17.

[5] 冯霞, 龚晓峰, 张利丹, 武瑞娟. 基于纹理特征的背景噪声提取的应用研究[J]. 电子学报, 2009, 37(9).


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