本發(fā)明涉及無線電監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間插值-聚類分析的無線固定發(fā)射源定位方法，可應(yīng)用于無線電移動(dòng)監(jiān)測(cè)中對(duì)無線固定發(fā)射源的定位。

背景技術(shù)：

無線電發(fā)射源的監(jiān)測(cè)定位是無線電管理部門日常無線電監(jiān)測(cè)中重要內(nèi)容，通常采用固定站監(jiān)測(cè)和移動(dòng)站監(jiān)測(cè)兩種方式，通過對(duì)來波信號(hào)特征參數(shù)的分析計(jì)算達(dá)到發(fā)射源定位的目的。

當(dāng)前使用的單個(gè)固定監(jiān)測(cè)站利用AOA、POA、相關(guān)干涉等信號(hào)定位技術(shù)側(cè)重于利用天線陣列通過對(duì)信號(hào)的幅度和相位變化的監(jiān)測(cè)分析處理來判斷來波方向，通過多監(jiān)測(cè)站的聯(lián)合測(cè)向?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的交匯定位。網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)站則利用TDOA技術(shù)計(jì)算到達(dá)每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的信號(hào)時(shí)間差實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的交匯定位。

移動(dòng)監(jiān)測(cè)站則多數(shù)利用相關(guān)干涉技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的測(cè)向，同時(shí)對(duì)測(cè)向結(jié)果疊加計(jì)算實(shí)現(xiàn)信號(hào)定位。

由于信號(hào)定位的精度取決于接收到的信噪比、GPS時(shí)間精度、接收機(jī)靈敏度等參數(shù)。對(duì)于固定站而言，站點(diǎn)位置和高度經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，接收到的多為視距傳輸信號(hào)，測(cè)向定位結(jié)果較為準(zhǔn)確穩(wěn)定，可以有效地發(fā)現(xiàn)發(fā)射源位置。

移動(dòng)監(jiān)測(cè)作為固定站監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充，彌補(bǔ)了固定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)過于稀疏，不能抵近監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。但由于移動(dòng)監(jiān)測(cè)站高度不足，容易受城區(qū)道路分布以及周圍環(huán)境影響，監(jiān)測(cè)點(diǎn)離散化，且接收到的信號(hào)經(jīng)過多次的反射和衰落，其幅度和相位出現(xiàn)了復(fù)雜變化。使用傳統(tǒng)的測(cè)向定位技術(shù)得到的測(cè)向或定位結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)，測(cè)向質(zhì)量有明顯的下降。

同時(shí)移動(dòng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)反映了監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)無線固定臺(tái)站使用情況，但目前尚沒有一種有效的利用手段，導(dǎo)致大量的移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被閑置，數(shù)據(jù)利用效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)移動(dòng)監(jiān)測(cè)在城區(qū)對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)定位存在的問題，提供一種空間插值—聚類分析的信號(hào)定位方法。所述方法將將地理上離散化分布的移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用空間插值方法將其擬合變?yōu)榈乩砩线B續(xù)分布的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并使用聚類算法為確定監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射源的位置從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射源的定位。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于空間插值-聚類分析的無線固定發(fā)射源定位方法，包括以下主要步驟：

第一步，構(gòu)建移動(dòng)監(jiān)測(cè)掃描獲取的經(jīng)緯度-場(chǎng)強(qiáng)/電平數(shù)據(jù)集{Z_ij(Lng,Lat,P)}

第二步，根據(jù)所選頻段(頻率)、區(qū)域、門限對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選

第三步，將所選監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行柵格化處理，柵格交點(diǎn)作為未知數(shù)據(jù)點(diǎn)

第四步，計(jì)算篩選后監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩兩之間的距離{d_ij}和半方差{γ_ij}

第五步，對(duì)距離{d_ij}和半方差{γ_ij}數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，獲取擬合曲線函數(shù)γ_ij＝f(d_ij)

第六步，根據(jù)擬合曲線重新計(jì)算已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩兩之間的半方差{γ_ij}

第七步，任選一個(gè)未知點(diǎn)，利用擬合函數(shù)計(jì)算其與已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離{d_io}和半方差{γ_io＝f(d_io)}

第八步，計(jì)算未知點(diǎn)到各個(gè)已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)λ_i

第九步，計(jì)算未知點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度得到未知點(diǎn)數(shù)據(jù)Z_o(Lng,Lat,P)

第十步，重復(fù)第七步到第九步，直到完成所有未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算，生成未知點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集{Z_o}

第十一步，根據(jù)數(shù)據(jù)集{Z_o}范圍，設(shè)定若干三維球，其初始中心點(diǎn)x^t(Lng,Lat,P)，三維球半徑h，容許誤差ε

第十二步，三維球中心點(diǎn)x^t到球體內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的矢量和均值M_h(x^t)

第十三步，平移三維球中心，令x^t+1＝M_h(x^t)+x^t

第十四步，判斷矢量和均值是否滿足收斂條件，‖M_h(x^t)‖<ε。如不滿足則重復(fù)第十二步、第十三步，如滿足則進(jìn)入認(rèn)為已找到峰值點(diǎn)，輸出x^t的數(shù)據(jù)結(jié)果

第十五步，完成所有三維球的計(jì)算過程，直到滿足收斂條件，并輸出x^t的數(shù)據(jù)結(jié)果。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射源位置的定位計(jì)算。

作為優(yōu)選，第四步中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離dij(Zi,Zj)(km)計(jì)算涉及球面兩點(diǎn)間距計(jì)算，經(jīng)緯度參數(shù)需要做一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

d_ij[Z_i(Lng_i,Lat_i,P_i),Z_j(Lng_i,Lat_j,P_j)]＝

int((cos^-1(sin(Lat_i/180×π)×sin(Lat_j/180×π)

+cos(Lat_i/180×π)×cos(Lat_j/180×π)

×cos(Lng_i/180×π-Lng_j/180×π))×180

×60÷π)×100000)÷100000×1.852

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的半方差γij計(jì)算：

作為優(yōu)選，第八步中，采用Kriging空間插值算法計(jì)算未知點(diǎn)到各個(gè)已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)λ_i

在Kriging插值中，權(quán)重系數(shù)λ與半方差{γ_ij}、{γ_io}有線性函數(shù)關(guān)系，具體關(guān)系如下：

對(duì)矩陣求逆，即可解得：

作為優(yōu)選，第十一步到第十四步的Mean-shift聚類分析算法，通過構(gòu)造三維球約束空間和收斂條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集的快速分析和計(jì)算，判定峰值區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)定位功能。

本發(fā)明的基于空間插值和聚類分析的無線信號(hào)定位方法，可用于無線電移動(dòng)監(jiān)測(cè)中對(duì)無線固定發(fā)射源的定位。本發(fā)明的主要思路是：將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過篩選、清洗后，使用在地理統(tǒng)計(jì)學(xué)中廣泛使用的Kriging空間插值算法重構(gòu)無線固定發(fā)射源在空間電磁分布的統(tǒng)計(jì)性趨勢(shì)數(shù)據(jù)，同時(shí)使用聚類分析中的經(jīng)典算法Mean Shift自動(dòng)尋找出監(jiān)測(cè)區(qū)域中電磁頻譜分布的所有峰值位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無線固定發(fā)射源的快速搜尋和定位。本發(fā)明根據(jù)無線電固定發(fā)射源的空間輻射分布具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上使用Kriging空間插值算法實(shí)現(xiàn)對(duì)固定發(fā)射源的輻射趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，同時(shí)利用Meanshift聚類分析算法實(shí)現(xiàn)快速定位計(jì)算。有助于無線電監(jiān)管機(jī)構(gòu)充分利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)站的靈活性，提高移動(dòng)監(jiān)測(cè)歷史數(shù)據(jù)的利用效率，監(jiān)督無線篤定發(fā)射臺(tái)站使用變動(dòng)情況，推動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)無線固定臺(tái)站的精細(xì)化管理工作。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：

1、根據(jù)無線發(fā)射源信號(hào)強(qiáng)度的空間分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，綜合使用地理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘方法實(shí)現(xiàn)對(duì)無線發(fā)射源的自動(dòng)定位判斷。拓展了無線電定位技術(shù)的范圍。

2、充分利用現(xiàn)有監(jiān)測(cè)條件，降低了無線電發(fā)射源定位技術(shù)的硬件成本

3、基于規(guī)模數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析技術(shù)，避免因?yàn)榫植繑?shù)據(jù)異常引起的計(jì)算結(jié)果失真，提高了定位的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明

如圖1所示，一種基于空間插值和聚類分析的無線發(fā)射源定位方法，其方法步驟如下：

第一步，構(gòu)建移動(dòng)監(jiān)測(cè)掃描獲取的經(jīng)緯度-場(chǎng)強(qiáng)/電平數(shù)據(jù)集

{Z_ij(Lng,Lat,P)}

第二步，根據(jù)所選頻段/頻率、區(qū)域、門限對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選

第三步，將所選監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行柵格化處理，柵格粒度為50m×50m,柵格交點(diǎn)作為未知數(shù)據(jù)點(diǎn){Z_o(Lng_o,Lat_o,P_o)}

第四步，計(jì)算篩選后監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩兩之間的距離d_ij和半方差γ_ij

監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離dij(Zi,Zj)(km)計(jì)算涉及球面兩點(diǎn)間距計(jì)算，經(jīng)緯度參數(shù)需要做一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下：

d_ij[Z_i(Lng_i,Lat_i,P_i),Z_j(Lng_i,Lat_j,P_j)]＝

int((cos^-1(sin(Lat_i/180×π)×sin(Lat_j/180×π)

+cos(Lat_i/180×π)×cos(Lat_j/180×π)

×cos(Lng_i/180×π-Lng_j/180×π))×180

×60÷π)×100000)÷100000×1.852

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的半方差γij計(jì)算：

第五步，對(duì)距離d_ij和半方差γ_ij數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，獲取擬合曲線函數(shù)γ_ij＝f(d_ij)

第六步，根據(jù)擬合曲線重新計(jì)算已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩兩之間的半方差γ_ij

γ_ij＝f(d_ij)

第七步，任選一個(gè)未知點(diǎn)，計(jì)算其與已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離d_io和半方差γ_io＝f(d_io)

第八步，計(jì)算未知點(diǎn)到各個(gè)已知監(jiān)測(cè)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)λ_i

在Kriging插值中，權(quán)重系數(shù)λ與半方差{γ_ij}、{γ_io}有線性函數(shù)關(guān)系，具體關(guān)系如下：

對(duì)矩陣求逆，即可解得：

第九步，計(jì)算未知點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度獲得單個(gè)未知點(diǎn)的結(jié)果Z_o(Lng_o,Lat_o,P_o)

第十步，重復(fù)第七步到第九步，直到完成所有未知點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算，生成未知點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集{Z_o(Lng_o,Lat_o,P_o)}

第十一步，在數(shù)據(jù)集{Z_o}范圍內(nèi)，設(shè)定若干三維球，其隨機(jī)初始中心點(diǎn)x^t(Lng,Lat,P)，三維球半徑h，容許誤差ε

第十二步，三維球中心點(diǎn)x^t到球體內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的矢量和均值M_h(x^t)

第十三步，平移三維球中心，令x^t+1＝M_h(x^t)+x^t

第十四步，判斷矢量和均值是否滿足收斂條件，‖M_h(x^t)‖<ε。如不滿足則重復(fù)第十二步、第十三步，如滿足則進(jìn)入認(rèn)為已找到峰值點(diǎn)，輸出x^t的數(shù)據(jù)結(jié)果

第十五步，完成所有三維球的計(jì)算過程，直到滿足收斂條件，并輸出x^t的數(shù)據(jù)結(jié)果。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射源位置的定位計(jì)算。

本發(fā)明引入了Kriging空間插值算法和Mean shift聚類分析算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)離散數(shù)據(jù)的插值預(yù)測(cè)和信號(hào)峰值區(qū)域的快速定位。根據(jù)篩選后離散的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過空間插值算法構(gòu)建連續(xù)的信號(hào)強(qiáng)度分布曲面，并使用聚類分析算法快速找到區(qū)域內(nèi)的所有信號(hào)強(qiáng)度峰值點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固定發(fā)射源的快速準(zhǔn)確定位。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。