基于PR100的二维交叉测向定位平台的设计与应用
白亮 王涛 马昕
国家新闻出版广电总局二九一台
摘要：二维交叉测向定位是小范围地波或空间波测向定位的具体应用，在无线电频谱管理、广播电视监管与打击非法电台方面有重要意义。本文依靠R&S PR100可编程频谱分析仪，依据二维测向定位原理实现小范围地波与空间波测向，并开发测向定位平台对数据进行收集与处理，实现平面精准定位。关键词：PR100 二维 测向 定位 平台1 引言
无线电测向与定位在广播电视监测监管领域的应用，分为短波广播三维单站定位、三维交叉定位与中波、调频广播二维交叉定位。其中二维交叉定位又叫平面定位，用于小范围地波或者空间波测向定位，城市间发射源定位在无线电频谱管理中有重要意义。R&S公司生产的PR100频谱分析仪也可做便携式接收机，可从9kHz到7.5GHz范围进行现场无线电监测，满足我国中波526.5kHz-1606.5kHz及调频87MHz-108MHz的测量要求，尤其是手持天线在定位微型发射机与可移动性方面有优势，通过对RS PR100的后期开发与测向定位平台的开发，可实现城市间快速精准的二维交叉测向定位，对甄别非法电台发射源、查找干扰等监测项目由较大帮助。本文结合实际开发经验，详细阐述了测量原理、测量方法与数据处理模式，通过平面地理信息网格映射，实现二维交叉测向定位。2 设计原理
2.1近似与误差分析在城市间进行测向定位，地球的半径约为米，以兰州市区为例，城区东西长约为米，5kw调频发射机实际测试视距传播距离约为50公里，一般不超过150公里。根据周长公式推导弧长计算公式，其中n为圆心角。导入求得150公里弧长对应的地心角为1.34，与其构成的等腰三角形底边长，150公里最大长度误差为0.2%，324米，30公里城区最大理论误差约为10米，实际测距一般小于10公里，并且可以通过由远及近逐步缩小测距，实现理论近似误差趋近于0，故城区小范围无线电测向可近似为二维平面进行计算。图1 弧度理论近似图
2.2二维交叉定位测向在途中，通过测量点A、B及测向夹角以及AB之间的距离，可以得到E的坐标。测向角以真北方向为起点顺时针旋转记录为和，A、B连线的真北线起角度为，实际使用时通过角度换算，以A、B连线为0度，逆时针计算算至测向角度分别为和。图2 二维交叉定位测向示意图
A,B间实际间隔距离为L，根据三角公式，则可算得测量点A到发射点E的距离为；可算得测量点B到发射点E的距离为。至此，将二维交叉测向定位问题完全转化为平面几何问题。通过相交圆测向同侧交点定位发射点位置。如图3。图3 二维测向定位原理图
3 PR100测向控制
PR100频谱分析仪时R&S公司制造的便携式频谱分析与信号接收设备，通过手持天线柄，更换不同频段类型天线，可测量不同波段信号。3.1 PR100工作原理PR100将天线接收到的信号通过前置放大器直接传到A/D转换器，通过20MHz到3.5GHz的信号预选器和前置放大器，在高信号电平通过时增加衰减，传输至中频，通过下变频、数字带通滤波和FFT阶段计算，降噪后得到所需信号。在信号测量时可通过平均、均方根、最大峰值或SAMPLE函数确定电平绝对值，在显示屏显示并可通过LAN口输出。图4 PR100前段框
R&S公司提供了PR100基于RJ45接口的通用接口程序，用于与PR100通讯，通过C#客户端实现与PR100接口控制，并获取PR100设备测量数据，通过输入工作模式和初始化参数，设定PR100工作频段、扫描模式、扫描出高于门限的频点，并与已知频率进行对照。通过输入频率返回测得场强与最大场强值方向参数。3.2手持测向方法手持天线柄上有方向指针，选择信号场强测量界面，通过人工握持定向天线，水平旋转360度，可标定最大来波方向角度，即，更换测量位置，可得到下一最大测量角度.将真北坐标换算至基线坐标，可得到和。通过E的距离公式可在平面图上得到两个圆图5 PR100测向界面
3.3数据传输设计通过车载PR100与带有GPS和无线网卡的笔记本电脑连接，笔记本电脑端数据采集软件采集并确认数据后，传回服务器数据库。图6 数据链路设计图
笔记本采集软件采用C#编写，为C/S软件，通过Socket通信与服务端软件进行数据交互，向上传递频率、场强、方向三项数据并进行已知频率查询，向下传递已知频率、台名、发射台信息三项数据，将接收到的侧向数据存储至数据库，数据库表设计中除自增长ID以外，每组连续测量相同的频率频率采用同一Freq_ID,以方便关联查询。图7 PR100客户端软件截图
4 测向定位平台的实现与数据处理
测向平台采用B/S结构，服务端使用java+blazeDS+flex推送与反射框架编写，实现消息的浏览器段反射抓取与服务端主动推送。使用Tomcat6.0作为服务端，使用flex4.0和AS3.0编写RIA界面。对用户管理进行简单处理，开发及测试期间仅设置admin用户，使用session和cookie判定用户，明码存储密码与数据。与客户端通讯的服务端采用C#编写，通过Socket实现客户端通讯，通讯消息采用xml，并增加验证字段。服务端直接与数据库通讯，并管理Freq_ID的生成与增长。同时远端车载笔记本电脑课通过浏览器访问平台网站，当数据库Freq_ID更新后，java服务端实时抓取Freq_ID最新数据组，获得最新测向数据并更新，浏览器端得到测向数据即可开始绘制图像并进行测向，再将测向数据录入数据库，同时显示经纬度结果，并留一格备份地点，用来标的标志性建筑物名称。根据实际测向结果与标定的建筑物名称来确定发射源位置，然后进行现场核查。5 平面地理信息网格化映射方法
在短波测向中，无论是单站定位还是多站交汇定位，均需要使用3维GIS服务，实现地球空间的弧线交汇。在二维交汇定位中，我们只需将图形界面两个相交圆形的发射源侧交点坐标读出即可确定平面位置。难点在于经纬度与平面坐标的转化。通过对地图基础数据的分析，取谷歌18级卫星地图作为瓦片数据（仅用于测试研究，非商业用途），通过FLEX图形拼接，形成兰州城区宽度34496像素、高度14848像素、分辨率为72像素/英寸的地图。(0,0)坐标对应西北边角数据为（36.15007354140755,103.57360839843750），（34496,14848）坐标对应东南边角数据位（36.02078061497173,103.96671295166015）。根据经纬度与坐标点一一映射的关系，可推得任意点坐标（x,y）对应的经纬度公式为：北纬纬度度计算公式：36.15007354140755-0.12929292643582,东经经度计算公式：103.57360839843750+0.39310455322265x使用浮点计数在java后台进行运算，可反推得到精度到小数点后14位的经纬度坐标。通过计算，在坐标（23748，8862）处测向定位的经纬度是（36.07290530904802，103.84423243977364）。图8 二维交汇测向定位
18级瓦片图已经可以直接死别建筑物，从图中可以识别相应建筑物位置，与实际测试发射调频台位置基本重合（实际位置比测得点北偏西约10米）。图9 局部放大观测图
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