Monitoring & Detection
译者注：
本文的原文来自第十七届国际WROCLAW电磁兼容论坛（2004年7月）。其作者Victor V. Kogan教授是俄罗斯长距离无线电通信开发和研究院（NIIDAR）的专家，主要研究HF频段电波传播以及计算机无线电通信建模等课题。Alexander P. Pavliouk教授是俄罗斯无线电开发和研究院（NIIR）的首席科学家，主要研究无线电测量、频谱管理和无线电通信。Pavliouk教授目前是国际电联（ITU-R）词汇协调委员会（CCV）的副主席，在此之前在国际电联曾担任多个重要的职务。本文介绍的方法已经被纳入正在修订中的国际电联《频谱监测手册》2010版。
频谱监测网络的规划方法
■ Victor V. Kogan Alexander P. Pavliouk 著国家无线电监测中心无线电监测处 刘卓然 译
摘 要
介绍一种用于V/UHF频段频谱监测网络规划和优化的新方法。它用来对固定监测站两类监测功能的覆盖区域进行计算，这两类监测功能包括：对于诸如频率、带宽、调制方式、场强等的远距离测量（依照ITU建议书进行的测量，即所谓的“ITU测量”）；交会定位。此外，分析了所用的传播模型和网络规划参数设置的方法。
关键词：ITU测量 定位覆盖模板 网络规划 频谱监测
[4]、[5]中有一些HF频段监测覆盖的分析，但这仅是
0 前言
直至最近，几乎没有国际文件（ITU、CEPT等）研究无线电监测网络规划和（或）优化的问题。除了在1995版的《频谱监测手册》第二章的图4，以及与之相对应的一段文字简单描述了其基本原理。这段文字对于我们在V/UHF频段如何进行无线电监测网络规划和优化作出了提示。我们把这幅图作为本文的图1。然而，在2002版的《频谱监测手册》中，又删除了这样一幅描述概念的图片，同时压缩了文字简介篇幅。在各国公开的文献中同样无法找到关于这一课题的资料（指标、规范等）。在文献[3]、
初步的分析，并且不覆盖V/UHF频段。
图1 固定监测站的布局
由于在这方面缺乏实际的指导，无线电主管
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部门在发展、扩充和升级其无线电监测网络时只有依赖直觉而缺乏定量分析，因而很难达到优化的目的。
使用本文介绍的方法和实用工具，发展中国家的主管部门一方面能够得到其国家监测网络真实能力的定量信息，另一方面可以制订出精确的升级和扩展监测网络的计划，并在随后的实施阶段显著地节省经费。
监听、ITU测量和测向的覆盖区域随着L的增大而增大，直到达到a图中的情形。当L>R时，监测站之间会有覆盖不到的区域。
1 V/UHF监测网络规划原理
1.1 概述
监测网络的规划可以基于对固定监测站覆盖区域的计算来完成。监测的功能主要包括两方面：一是远距离测量发射参数，如频率、带宽、调制、场强等（按照ITU-R建议书的测量，即通常所谓的“ITU测量”）；二是定位，即通过交会（triangulation）确定发射源的位置。监听（listening）通常可以作为第一类功能的补充。ITU测量的相关的覆盖区域的计算程序同广播所用的覆盖计算程序相类似。与此相反的是，交会定位的覆盖计算需要考虑至少两个测向（DF）机，因而需要特殊的计算程序。这些计算程序直到最近才被开发出来。
我们的目的是在建站伊始或扩展升级时，利用软件工具对监测网络或一组固定监测站进行优化。这种优化通过找到监测站在地理上的最优分布，调整监测站的密度，去除对监测网络覆盖贡献不大的监测站点。
图2 监测覆盖区域图
与之相反的是，由于定位的覆盖区域对应着两个或三个测向覆盖区域相重叠的部分，定位的覆盖区域随着L的增加而减少，并且当时，与整个测向覆盖区域相比要小得多。这一结论对于多个分离的监测网同样适用。对于一个包含了多个监测站，站间距离的连续网络，情况会有所不同[6]。
这意味着定位覆盖区域是最为敏感的和受限制的因素，如果需要对一个特定的区域进行足够的定位覆盖，那么确定定位的覆盖区域应该作为监测网络规划的基础。
1.3 监测网络覆盖区域的计算
从图1和图2可以看出，监测覆盖（除定位覆盖以外）在某种程度上是一种点对多点的情形。因此在原则上可以利用建议书ITU-R P.1546[7]中的传播模型。图3a中描述了这一模型的基本情形。在覆盖区域边界上的条件如下：信号发射功率为，有效天线高度为，监测接收机的天线高度为，为了满足任务（监听、ITU测量、测向）的需要，应该接收到一个不小于的场强最小值。
1.2 监测覆盖区域
对于图2中a和b所示的，由站间距离为L的三个监测站组成的监测网络来说，可以得到如图所示不同类型的监测覆盖区域。对于不同的监测任务，如监听、ITU测量和测向来说，由于监测接收机的灵敏度各不相同，其对应的覆盖范围也各不相同。如图2中区域1、2、3所示，覆盖半径分别为、和。对于测向功能来说，覆盖区域意味着可以获得可靠示向度的一定区域。所有这些覆盖区域互不依赖，对于每个监测站来说是独立的。因此，整个监测网共同的
如果直接参考建议书P.1546，上述情形并不是一个典型的情形。这是因为同广播和移动通信的覆盖计算不同，在监测中通常接收天线位置较高，而发射天线位置较低。按照建议书P.1546有约50%的情形下会得出负值，这会使计算变复杂。为了解决这一困难，可以利用无线电收发的互换原理，拉近监测和发射天线的距离，如图3 b所示。从图中可以清楚地看到覆盖区域边界的条件。它使发射天线有效高度和在接收点的地形净空角与建议书P.1546变得完全一致。
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网络，同样二级网络也不会受更低级别网络的影响。在L=60km的情况下，最稠密、最实用的低级别网络应该是。
图3 监测覆盖计算模型
在覆盖区域计算时，当考虑到规划的参数时，可以使用下列从Butova（位于俄罗斯莫斯科郊区）中心监测站的实际经验得出的参数：
测试发射机的功率：10W；测试接收机的天线高度：1.5m。
监听所需的测试接收机的最小场强()：，其中A是用于监听操作的测试接收机的灵敏度。在时的典型值为1；因此在大多数情况下（或做比较计算时），可以认为是0。
ITU测量所需的测试接收机的最小场强（）：，图4 监测网络结构图
在大多数情况下（或作比较计算时），可以认为是利用这样的混合配置，我们能够利用更加密12。
集的低级别监测网络覆盖一个工业最发达的区域，测向所需的测试接收机的最小场强（）：，这些工业区域常常拥有大量的发射源。而其余的区在大多数情况下（或作比较计算时），可以认为是域，可以用间距较大的一级网络或级别较高的次级20。
网络来覆盖。这样的网络具有较高的经济性，并且便于我们采取新建、扩充或升级网络等措施。
1.4 监测网络的配置
从上文可以得出结论，不同的监测站的覆盖区2 确定定位的精确度
域是多变的，依赖于地形条件和频率。为了保证基本的连续覆盖，可能需要各不相同的监测站间距。如前所述，定位任务是频谱监测任务中最为关然而，为了设计监测网络，有必要对一些抽象的概键的任务，应该成为监测网络规划的基础。这是因念进行讨论。
为定位的覆盖区域最小，并且与监测站（测向站）按照上述方法进行计算，确认了将站间距离之间的距离密切相关。同时，监听、ITU测量和独立60km（如图1所示）作为监测网络的典型间隔（一个测向是在各自的覆盖区域内独立完成的，而定位的等边网状小区结构）。在比较平坦的地形和1GHz以功能（通过两个或多个测向站交会完成）在覆盖区下的频率上，它可以提供基本连续的监测覆盖区域域的子区域中包含多种不确定性（误差）。这是定（监测天线安装在山顶）。
位同其他监测任务主要的区别。因此，要了解一个因此，与广播和移动通信类似，一级监测网监测网络或监测站组合的全部信息，必须考虑到定络可以用一个小区网络来表示，如图4a。这一网状位的不确定度或精度的特性。
结构包含若干个等边三角形，这些三角形可以组成若干个六边形。每一个这样的三角形又可以细化为我们现在考虑两个或多个固定测向站的情形，四个更小的等边三角形，边长分别为和，如图4b所这也是频谱监测中的最关键的操作。众所周知，每示。它提供了密度更大的二级网络而不会影响一级
一个测向机，无论其原理如何，在测量示向度时都
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有仪器误差或系统误差。一次测量无法得到优于由分布函数确定，可以表示如下：
系统或仪器误差所决定的精度。建议通过平均多次。
测量结果增加精度。为了便于研究，我们继续进行其中、分别是两个示向的概率特征，分别由单次测量结果的分析。
第一台和第二台测向机测得，、分别是发射源的坐这样示向度的集合可以表示为一组示向度，其标。
按照高斯分布分布在一定角度的扇区内，并具有一为了将角度误差分布密度函数转化为发射源坐定的r.m.s值，如图5a和5b所示。
标的函数，有必要首先确定示向和坐标之间的函数从图5a中可以看出，当利用两个测向站进行定关系：
位操作时，发射源可以位于两个示向度扇区的交，，、。
汇区域内，但具有不同的概率p。p由二维高斯律决分布密度函数则可以转化为：定。其参数很大程度上决定于两个示向扇区的交(1)。
角。可以看出，定位的不确定性在很大程度上随着地图上的位置而变化，主要依赖于到达测向站的距离、测向机的仪器或系统准确度以及示向扇区的交其中，是示向误差分布密度，是坐标误差的分角。具体的定位不确定度（误差）的数值同时依赖布密度。
于在复杂的概率环境下得到不确定度选取的标准。
然而，由于函数和的非线性特性，这类问题通用的解决方法是用蒙特卡洛方法[8]。
这样，在任何情况下，角度误差可以使用有关方法转换成线性误差。通过这种转换，对于位于两个示向度扇区的交会部分区域中任意一点，在地图上的任何一点都可以在已知概率下确定测量的发射源坐标与其真值偏差。
很明显，当增加第三个以至更多位置不同的测向机时，这些测向机通常具有不同的仪器精度（见图5 b）。这就显著增加了我们所必须计算的二位概率密度函数的各参数的难度。这需要进行大量的近似计算，也是为什么直到最近这种计算方法才面世的原因。
图5 定位精度的计算
由于对这一问题精确的分析方案十分复杂，成当其他的因素完全一致时，经过近似处理，最功解决问题很大程度上依赖于近似方法的选择。其小的不确定度椭圆（对应于一个二维高斯分布）对他的方法包括采用已经在HF频段类似应用中取得成应着两个示向度扇区成90度交角的情形，此时的椭功的蒙特卡洛技术[3,4]。
圆最接近于圆形。与之相反，当示向扇区交角接近0度或180度时，椭圆会很快地沿着其长轴方向拉长，3 定位覆盖模板
直到无限长。对于两个测向站连线上的点（所谓的“死区”），有必要利用远离这条连线的第三个测利用上述的方法，我们可以确定若干测向站不向站完成测量任务。考虑到经济问题，这类问题可同定位精度的定位覆盖区域。
以利用移动监测站来完成。
图6是“定位覆盖模板”的一个示例。图中显示如果上述的误差只含有单纯的统计特性而不包了若干个城市及郊区，其中有三个测向机的由红色含系统成分，则这种误差完全由一个二维误差概率
实线包围着的整体的测向覆盖区域。按照本文所述
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方法，这一测向覆盖区域考虑了实际的地形不规则因素。图中在整体的测向覆盖区域之内同时显示了三个测向机的“定位覆盖模板”。图中右侧的“精确度系数”一栏体现了不同的定位不确定度对应的不同区域的色彩。
图6“定位覆盖模板”示例
4 结论
本文所述的方法使我们能够获得ITU测量和定位不确定度的地图显示，并通过它分析出覆盖不足、定位精度不足的地点。这些地点将成为新建监测站重点需要考虑的地点。另一方面，我们能够找出那些对于整个覆盖贡献不大的监测站，并将其撤除。
[1] ITU, Spectrum Monitoring Handbook, Geneva, 1995. [2] ITU, Spectrum Monitoring Handbook, Geneva, 2002. [3] H. I. Toure, Location Capabilities Increasing of HF Spectrum Monitoring Networks, Proceedings of the Sixteenth International Wroclaw Symposium on EMC, 2002. [4] V. V. Kogan, A.P. Pavlyuk, H.I. Toure. To optimization of Russian spectrum monitoring network in HF frequency band. Trudy NIIR, 2002 (in Russian). [5] Q. R. Black, R.L. Johnson, Fix Accuracy Improvements in Confirming DF Networks”, Symposium on Radiolocation and Direction Finding, Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, USA, June 1995. [6] V. V. Kogan, A.P. Pavliouk. Analysis of location coverage templates in spectrum monitoring. Proceedings of the Seventeenth International Wroclaw Symposium on EMC, 2004. [7] ITU-R Recommendations at CD-ROM. Recommendation ITU-R P.1546. Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz. Geneva, 2003. [8] I.M. Sobolev. Monte-Carlo Method. Nauka, Moscow, 1972. (In Russian)中国无线电 2009年第10期
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