关于长江干线甚高频（VHF）无线电监测系统的研究

【摘要】本文着重对长江甚高频无线电监测系统的功能、原理进行详述，将空间谱估计测向技术与传统测向技术进行比较，阐述其优势，并结合实践总结该系统需改进之处，希望大家通过本文对长江甚高频无线电监测系统有广泛的了解。

【关键词】长江；无线电；监测；测向

1.引言

长江黄金水道是世界上内河航道通航里程最长、运量最大、运输最为繁忙的通航河流，是我国水上运输的一条大动脉，随着长江航运事业发展的持续进行，水上船舶运输安全问题逐渐引起人们的重视，而水上无线电通信则是保障船舶安全航行必不可少的手段。目前我国水上遇险安全通信频率存在着被占用和受干扰的情况，其结果不但影响江岸电台的正常通信，扰乱无线电通信管理秩序，有时还会造成岸台国际遇险、安全报警值守电路无法正常工作，给水上安全带来了重大隐患。为解决此问题，长江海事局于2008年6月启动了长江干线甚高频无线电监测系统工程。

2.系统介绍

2.1 系统目的

长江干线甚高频无线电监测系统是以固定监测站、移动监测车、手持监测测向仪等先进的测试仪表和设备，对长江干线甚高频无线电台站发射的基本参数，如频率、场强、带宽等指标系统地进行测量，对声音信号进行监听，对发射标识识别确定，对频率利用率和频道占用度进行统计，分析信号的使用情况，通过对信号源监听、测向、定位等功能，实现排除干扰源，查处非法电台和非核准电台，保证通信业务的安全。

2.2 系统分布

长江干线甚高频无线电监测系统由信息管理中心、监测控制中心和监测站三级组成。其中信息管理中心和监测控制中心均采取分布式分级管理，分别部署在武汉、九江、宜昌。固定监测站分别部署在九江市的城子镇、黄梅、金鸡坡、湖口和宜昌市的临江坪、船厂、公安茅坪派出所。移动检测车和手持监测测向仪分别部署在上海、南京、芜湖、安庆、九江、武汉、城陵矶、宜昌、重庆、重庆万州、泸州。

2.3 系统主要设备

固定监测站和移动监测车的主要硬件设备包括五阵元监测测向天线阵、矫正矩阵开关、六通道接收机、六通道中频处理器、监测测向处理机（工控机）及GPS天线等。其中六通道接收机和六通道中频处理器为该系统的核心设备。

六通道接收机其工作频率范围在156-174MHZ频率段，其中五通道用作空间谱测向接收通道，第六通道用作监测接收通道。测向通道与监测通道独立设置，支持测向与监测同步工作。设备内部集成校准信号源，同交换矩阵开关一起工作，主要用于空间谱测向校准。

六通道中频处理器是用于执行数据采集、数字滤波、数字下变频与数字实时处理的任务。采集接收信道中频输出的模拟信号，送入处理器，根据不同的需要处理单元进行相应的处理，得到所需数字中频I&Q数据。本设备采用六通道高速ADC、多路并行处理的数字下变频和嵌入式计算机技术。

2.4 系统原理

系统通过分级管理部署，目前长江海事局信息中心作为一级控制中心，可以下达指令到所有固定监测站和移动监测站进行监测和测向；九江和宜昌海事局通信信息中兴作为二级控制中心，可以分别对所属的固定监测站和移动监测车下达监测和测向指令。

系统软件部分主要由信息管理系统、中心控制系统、前端监测系统组成。

图1

信息管理系统用于监测台站和用户授权的管理，同时启到部分数据转发的功能。前端监测系统用于将接收机接收到的监测测向数据进行处理后转发给中心控制系统。中心控制系统用于接收前端监测系统数据，将监测测向结果以图形表格方式展现。

工作方式：信息管理系统必须一直保持运行的状态，中心控制系统登录后会在信息管理系统中进行用户注册；而前端监测系统会随监测接收机开机后自动运行也注册到信息管理系统，让中心控制系统知道當前哪些监测站可以使用（可获取监测站IP地址、端口号、运行状态、地理位置等，根据这些信息中心控制系统就可以通过点对点的方式同前端监测站建立专用连接通道，并将监测测向指令发送到前端监测站，取回测量数据）。

3.系统使用

长江干线甚高频无线电监测系统主要适用于对长江重点江段水上甚高频无线电通信进行监测作用。

该系统监测测向分为主动和被动两种模式。

主动模式是监测技术人员通过长时间的监测、监听和观察，根据经验人为判断和总结违规电台或干扰信号的出现规律后进行测向定位；而被动模式是日常业务人员一旦在工作频道中发现有被占用或干扰信号时即刻报告给控制中心，监测技术人员无需通过监测和监听确认就进行测向定位。接下来对系统中几个常用功能进行说明：

3.1 频段扫描

频段扫描功能可以及时发现频段内的信号，记录每个频点的最大电平值、平均电平值，出现次数，出现时间等参数，并计算频率占用度及频段占用度。通过固定监测站或移动监测车扫描156-174MHz频率范围的信号，可对频谱波形进行放大或缩小、标记出中心频率及电平值。扫描结果显示会因频率范围和扫描步长设置不同而有所区别。

常规监测是监测156-174MHz频段上频谱资源的占用情况，用于查看频谱可用资源为频谱合理规划提供依据，以及按频率指配的要求监测已核准电台的有关参数（如使用频率、频率偏差、信号场强、其它杂散发射等）是否发生变化或出现异常情况，或出现不明电台长时间占用频道（特别是救援、船舶交会等专用频道），或核准电台的使用状态发生变化。

3.2 中频测量

中频测量是对单独信号进行中频频谱显示，测量信号的占用带宽（XdB方法或β方法）、发射功率等参数，用于监测分析信号频谱的情况，并提供的三维频谱曲线可供用户查看测量信号的频谱变化情况。

中频测量通过三个图形反映监测结果：

（1）频谱波形图，反映出频道的占用带宽、发射功率。

（2）三维频谱曲线图，记录了测量信号的频谱变化情况。

（3）数据窗口实时图，统计信号的最大、最小电平值以及频道占用度，并具有监听、同步录音及提取电台指纹的功能。

3.3 单频测向

在已确定可疑信号源的情况下，中心控制系统可对所属监测设备下达测向控制指令，实时判断并显示被测信号的辐射方位。

测向结果通过两个视角进行展现。

第一种是内部视角：以与固定监测站正北方向或移动监测车车头方向的夹角表示信号源辐射方向；

第二种是外部视角：在控制中心通过GIS地理信息系统全局观察各监测站点的位置（如果是移动监测车可同时记录移动轨迹）和信号源辐射方向。

图2

图3

3.4 交汇定位

交汇定位的实现方式有三种：一是两个有监测范围覆盖交集的固定监测站联合测向；二是一个固定监测站和一个移动监测站联合测向；三是一辆移动监测站通过多点测量实现自交汇。

若固定监测站有监测范围覆盖交集则尽量使用固定站。信号源为移动目标时，交汇点应随之移动。

4.系统的优势和不足

长江干线甚高频无线电监测系统首次将空间谱估计测向技术引入无线电监测中，这是长江海事局信息中心在无线电监测技术方面的创新。

空间谱估计测向是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理技术为基础的新型测向技术，它是建立在严格的信号模型和复杂的谱估计理论上的一种测向体制。

与传统测向方法比较，具有以下优势：

（1）充分利用复杂的数学算法，精度远高于传统方法。

（2）能分辨出落入同一个波束的多个信号。

（3）能同时对多个信号进行测向。

（4）能对相干源测向，且在一定的条件下可以分辨出直达信号和反射信号。

（5）在短数据低信噪比条件下亦能获得良好性能。

（6）可测得二维方向：仰角和方位。

需改进的地方：

（1）对模型失真、噪声扰动敏感。实际中，阵列输出的信号受天线、低噪声放大器、射频开关矩阵、接收机等综合影响，而这些影响都很难准确地在算法阵列输出模型的方向矩阵中得到量化的反映。在实际运用中，阵列天线间的互耦、天线阵元的位置误差、多通道接收机幅度和相位的不一致，都会造成空间谱估计测向性能的下降。

（2）受现场环境限制，信号绕射能力不强。在实践中，移动站由于存在行驶道路的限制，监测和测向距离及精度会受到周边环境（如高楼、山脉、树林）反射或信号衰减的影响。

（3）对硬件性能要求高，设备组成复杂。

（4）空间谱估计算法运算较大，其算法还不够成熟，使其实用性受到影响。

5.结语

现今，长江海事局已在长江干线上海至泸州水域设置了1个监测管理中心、2个监测控制中心、7个固定监测站、11个移动監测站和11套手持式测向设备。随着二期系统工程的展开，水上无线电甚高频监测网将进一步的覆盖长江沿线，这意味着长江船舶非法使用大功率甚高频通信设备的状况将会收到有效的监控及管制，这将为水上船舶运输安全及长江黄金水道的发展奠定良好的基础。

参考文献

[1]霍娜.浅谈长江水上无线电监测系统的建设应用[J].中国水运，2013（2）.

[2]刘英，李冬.水上无线电监测测向系统技术研究[J].中国无线电，2008（12）.

[3]胡菠，王智.水上甚高频无线电数字通信系统技术特性要求[J].交通标准化，2009（10）.

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