分布式电磁频谱监测定位系统设计及应用研究

1. 引言

目前，电磁频谱具有设备数目指数级增长、信号类型复杂多样、干扰形式动态变化等新特点。目前，我国城市区域内的电磁辐射密度已经突破 2000 个/km2，而传统的单台观测方法由于视线传输距离及空间分辨率的限制，很难满足现代化的频谱管理要求。本项目拟采用空间多样性与智能化信号处理相结合的方法，针对复杂环境中存在的多径效应抑制、微弱信号检测等难点问题展开研究。基于模块化的设计思想，使其能够灵活地进行部署与可伸缩，在保证监控能力的前提下，极大地减少了建设成本，为构建全域电磁态势传感网络提供了一条新的技术途径。

2. 系统总体设计

该系统由感知层、边缘计算层、云平台三个层次组成一个有机的体系结构。在感知层，布设 4-8个可随地形变化而变化的智能监控节点，并整合宽带接收天线、软件无线电平台以及北斗/GPS 双模时间同步模块。本项目以 AD9361 RF 芯片为基础，采用 Xilinx 超宽带 MPSoC 为核心，实现 56MHz 瞬时带宽在 2⋅6GHz 范围内的信号获取和实时处理。在边缘计算层，采用高性能的嵌入式处理器，对信号进行特征提取、初定位解算以及异常情况报警。云平台以“微服务”为框架，将大数据分析引擎与 3D 可视化技术相结合，实现跨地域数据的融合与历史态势追溯。在 LoRaWAN 上采用了最优的通讯协议，使各节点之间的时间同步精度达到了 5 ns 以上，从而保证了时差定位的可靠性。

3. 关键技术研究

本项目拟在宽频带信号探测环节，创新地将能量和信息熵相结合，构建复合判决因子，对微弱信号进行有效探测。算法核心在于动态构建时频二维检测矩阵，基于滑动窗口内的信号能量分布计算局部能熵比：

＼$＼$ MER（t，f） ＼frac{E_{window}（t，f）}{H_{spectrum} epsilon} ＼$＼$

其中＼E_window表示时频窗内信号能量积分，＼H_spectrum为归一化功率谱熵值，＼ϵ为防除零常数。通过引入自适应门限调整机制，根据环境噪声基底实时更新检测阈值，在-15dB 至-10dB 信噪比范围内实现检测概率从 78%到 95% 的渐进提升，较传统能量检测算法灵敏度提高 12dB

时延估计采用三层渐进优化框架，第一层采用广义互相关算法（GCC-PHAT）实现微秒量级的粗估，并通过相位转换权函数对多路径干扰进行抑制。其次，利用分数傅里叶变换，将直达波和多路径信号进行最优化的旋转角度，建立延迟校正模型。在此基础上，利用 Levenberg-Marquardt 等非线性优化方法，构建时滞误差与空间几何结构之间的映射，使时滞估算精度提高至 2.8ns （均方根误差），比单个处理提高 5 倍以上。针对复杂的传输环境，本项目拟采用多路径甄别方法，根据时延扩散的统计特性，动态调节算法参数，实现在城区高密度地区 3.5 ns 内的高精度定位。

定位解算模块创新融合 Chan 算法全局收敛特性与泰勒展开法的局部优化能力，提出混合定位引擎架构。首先基于 Chan 算法构建双曲线位置方程组：

$$ ＼begin{cases}

R_{i，j} = c＼cdot＼Delta t_{i，j} = ＼sqrt{（x-x_i）^2+（y-y_i）^2} - ＼sqrt{（x-x_j）^2+（y-y_j）^2}

＼end{cases} $$

通过加权最小二乘求解初始位置估计值，权重矩阵根据各节点信噪比和时延估计置信度动态生成。随后采用泰勒级数展开进行迭代修正，引入自适应步长控制策略避免局部最优陷阱，同时设计残差检验机制：当定位残差＼|Δ| ＼mathbb { R } | > 3 ＼}σ时自动触发测量值剔除与算法重构流程。实测表明，该混合算法在非视距环境下的定位误差较传统方法降低 62% ，六节点布局下 95% 置信区间的定位精度达到

28-35 米量级。

采用“在线监控+离线校准”的双模式工作模式，构建闭环反馈控制框架。在线监控部分，采用内嵌基准信号发生器的方式，定期发送标定信号；采用 PTPv2 协议，实现亚纳秒级的时序同步；采用最小方差无偏估计（MVUE）对频偏进行补偿；在此基础上，采用可移动的标准信号源，对整个系统进行周期性的传输功能测试，并构建温度和湿度补偿模型。实验数据显示，经过校准的系统在 72 小时连续运行中，时延测量漂移量控制在 ±0.3ns 以内，频率稳定度优于 0.05ppm ，有效保障了长期监测的可靠性。

4. 系统实现与测试

在国家级电子信息产业园区（占地面积 2.3km² ）搭建了全场景实验环境，采用六边形网格拓扑结构布置监测节点，具体实现包括：布置 6 个监测节点构成边长 150±5 m 的等边三角形监测网，节点间距经 RTK-GNSS 校准（误差 <0.3m ）；采用宽带对数周期天线（0.8-6GHz，增益 12dBi）配合软件定义无线电平台（USRP X310），实现多频段信号采集；创新性集成 15W 太阳能供电模块与 LoRa 无线回传链路（传输距离 1.2km@10dBm ），实现 72 小时不间断工作与 10 分钟快速部署能力。实验采用Keysight N5173B 信号源模拟 0.5-6GHz 频段 EMP 信号（步进 1MHz，功率范围-110dBm 至+20dBm），通过对比实测数据与 FEKO 电磁仿真结果，在 2.4GHz/5.8GHz 频段分别实现 ±∂ 0.8dB 的幅度测量精度和 ±1.2° 的相位一致性。系统在 200MHz/s 频谱扫描速率下仍保持 80dB 动态范围（噪声基底-125dBm/Hz@1GHz），时频分析采用改进的 STFT 算法（窗长 256 点，重叠率 75% ）。实际测试中，系统在园区西北角（坐标 34°12'45"N，108°54'32"E）成功定位到 3 个违规 2.4GHz 无线摄像机（RSSI-62dBm，TOA 328ns）和 1 个伪基站（中心频点 1.8GHz±50kHz ），通过 TDOA 定位算法将水平位置误差控制在 3.2m（CEP68%）以内，较传统三角定位法提升 42% 精度。持续 30 天的环境监测数据显示，系统误报率<0.5 次/天，漏检率 <2% ，验证了方案的工程实用性。

5. 结论与展望

本项目提出一种基于多点协作与智能算法相结合的分布式电磁监控系统，可有效提高复杂环境下的频谱监控性能。该系统使用了模块化体系结构，并结合了软件无线电技术，使其在满足设计要求的前提下，大大减少了工程造价。实验结果表明，该方法具有较高的实际应用价值，可为电磁频谱管理提供一种新的途径。在此基础上，本项目拟对多路径抑制方法进行优化，并将机器学习技术引入到信号识别领域，研制出小型化、低功耗的监控终端，促进其在智慧城市和边境监控等领域的大规模应用。本项目的研究成果将为我国电磁空间安全防御系统的建设提供重要的借鉴意义。

参考文献：

[1]赵明芳，刘军，杨青，等.电磁频谱监测系统中间件设计实现方法[J].卫星电视与宽带多媒体，2020（18）：3.

[2]姜美雷，丁丽丽，柏永斌，等.分布式频谱监测系统中间件技术研究[J].计算机科学，2011，38（B10）：5.

[3]刘红飞，张伟军，孙冠伦，等.分布式电磁频谱自动监测系统研制[J].计算机测量与控制，2016，24（11）：3.

作者简介郭细根-1992 年 2 月-汉族-男-江西吉安-工程师-硕士研究生-电磁频谱---