本發(fā)明涉及電磁態(tài)勢可視化，具體涉及一種電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、隨著天基低軌通信技術(shù)及電磁頻譜數(shù)據(jù)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是新型天基通信技術(shù)降低了全球信息傳輸?shù)臅r(shí)延和成本，這也為頻譜管理和頻譜有序利用帶來的新的挑戰(zhàn)。通過低軌電磁測繪衛(wèi)星星座測繪地表空間電磁頻譜分布情況，結(jié)合地面目標(biāo)和地理信息，生成電磁空間圖，是認(rèn)知電磁空間規(guī)劃頻譜資源的關(guān)鍵。目前，全局、大范圍的頻譜地圖研究進(jìn)展明顯，關(guān)注范圍已經(jīng)從單個(gè)目標(biāo)跨越到了區(qū)域空間。低軌衛(wèi)星星座相比同步軌道大衛(wèi)星平臺(tái)，其信號(hào)傳輸距離近、時(shí)延低，對(duì)地面天線的接收能力需求不高，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的費(fèi)效比。

2、當(dāng)前，國外的電磁頻譜測繪衛(wèi)星星座及系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低軌星座的建設(shè)及相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的發(fā)布，第二代系統(tǒng)也正在發(fā)展當(dāng)中。我國目前具有預(yù)研性的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)也相對(duì)匱乏；當(dāng)前，地基和空基的電磁數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)及系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但其能力只存在于小范圍的測繪或精細(xì)化描述，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)域、大范圍的電磁測繪及可視化能力?？臻g系統(tǒng)(即太空中的星座系統(tǒng))依靠其“高邊疆”的優(yōu)勢，能夠滿足當(dāng)前發(fā)展需求。

3、對(duì)比上述背景，電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)存在以下幾個(gè)關(guān)注點(diǎn)：一是電磁頻譜測繪衛(wèi)星星座采集到的頻譜數(shù)據(jù)量極大，冗余度極高，需要有效的數(shù)據(jù)處理與分析能力；二是電磁頻譜數(shù)據(jù)分布密度存在較大的差異，城市區(qū)域遠(yuǎn)高于城郊區(qū)域，需要多層級(jí)多維度的復(fù)雜電磁環(huán)境可視化系統(tǒng)；三是天基通信網(wǎng)絡(luò)的建立對(duì)電磁頻譜空間化描述提出了更高的要求，需要全球電磁空間態(tài)勢的有效描述手段；綜上，當(dāng)前亟需基于天基頻譜測繪平臺(tái)的電磁空間表征與可視化系統(tǒng)對(duì)空間頻譜態(tài)勢進(jìn)行分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，即為了實(shí)現(xiàn)電磁空間的有效表征與應(yīng)用，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊獲取電磁數(shù)據(jù)并測繪，實(shí)現(xiàn)全球、寬頻帶的多重覆蓋數(shù)據(jù)采集；以及通過測繪數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊實(shí)現(xiàn)電磁頻譜測繪數(shù)據(jù)的多層級(jí)、多維度、多尺度表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球電磁頻譜的組織和應(yīng)用。

2、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

3、本發(fā)明所采用的第一個(gè)技術(shù)方案是：一種電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，包括天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊、測繪數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊；

4、所述天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊用于獲取全球電磁頻譜信息，并將所述全球電磁頻譜信息進(jìn)行測繪，獲得測繪數(shù)據(jù)；以及將所述測繪數(shù)據(jù)傳輸給測繪數(shù)據(jù)處理模塊；

5、所述測繪數(shù)據(jù)處理模塊用于接收所述天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊所傳輸?shù)臏y繪數(shù)據(jù)，并將所述測繪數(shù)據(jù)以剖分網(wǎng)格的方式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；對(duì)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中的測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)；以及根據(jù)應(yīng)用需求從所述標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)中篩選出所需電磁頻譜數(shù)據(jù)，將所需電磁頻譜數(shù)據(jù)傳輸給所述數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊；

6、所述數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊用于接收所需電磁頻譜數(shù)據(jù)，基于所述所需電磁頻譜數(shù)據(jù)生成電磁空間圖；以及將所述電磁空間圖進(jìn)行可視化并應(yīng)用。

7、優(yōu)選地，所述天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊通過以下步驟傳輸所述測繪數(shù)據(jù)，包括：

8、s11、確定星座與地面站點(diǎn)的拓?fù)渑c鏈路狀態(tài)，構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可用性三維矩陣，得到任一時(shí)刻衛(wèi)星和地面站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間序列；

9、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可用性三維矩陣通過以下公式表示：

10、q＝[t,sm,sn]

11、式中，q為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可用性三維矩陣；t為時(shí)刻；sm表示地面站編號(hào)；sn表示衛(wèi)星編號(hào)；

12、s12、基于需求和約束，明確衛(wèi)星的數(shù)據(jù)下傳需求，從而確定數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求優(yōu)先級(jí)；以及基于所述數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求優(yōu)先級(jí)建立優(yōu)先級(jí)模型和衛(wèi)星-地面站點(diǎn)接入優(yōu)先級(jí)序列模型，得到數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)序列和地面站點(diǎn)接入優(yōu)先級(jí)序列；

13、優(yōu)先級(jí)模型通過以下公式表示：

14、pi＝ln(i1i2…in)+1

15、式中，pi為數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)序列；in表示因素重要程度值，取值[0,10]，n為考慮的因素個(gè)數(shù)；

16、衛(wèi)星-地面站點(diǎn)接入優(yōu)先級(jí)序列模型通過以下公式表示：

17、

18、式中，pfinal為最終接入優(yōu)先級(jí)；pbase為基本優(yōu)先級(jí)；fj為動(dòng)態(tài)調(diào)整因子；j為調(diào)整因子的個(gè)數(shù)；

19、s13、基于地面站點(diǎn)接入優(yōu)先級(jí)序列、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間序列和數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級(jí)序列，確定傳輸路徑及站點(diǎn)拓?fù)洌?/p>

20、s14、判斷傳輸過程中是否有數(shù)據(jù)丟失或失真的情況，若有，則將該數(shù)據(jù)傳輸序列調(diào)整至最高優(yōu)先級(jí)重新傳輸；若沒有，則保持原有傳輸序列。

21、優(yōu)選地，所述天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊包括空間層和第一地面層；

22、所述空間層用于通過衛(wèi)星獲取全球電磁頻譜信息，并將所述全球電磁頻譜信息進(jìn)行測繪，獲得測繪數(shù)據(jù)；以及將所述測繪數(shù)據(jù)傳輸給測繪數(shù)據(jù)處理模塊；

23、所述第一地面層用于對(duì)空間層的衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測量、遙測和通信。

24、優(yōu)選地，所述測繪數(shù)據(jù)處理模塊包括第二地面層和數(shù)據(jù)層；

25、所述第二地面層用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面目標(biāo)的空間位置匹配、分辨率匹配、地理信息融合，以及接收下傳的測繪數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)層；

26、所述數(shù)據(jù)層用于對(duì)測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)；以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，篩選出所需電磁頻譜數(shù)據(jù)。

27、優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)分析單元和安全與隱私保護(hù)單元；

28、所述數(shù)據(jù)預(yù)處理單元用于接收測繪數(shù)據(jù)，并將所述測繪數(shù)據(jù)以剖分網(wǎng)格的方式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；以及將存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中的測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一與數(shù)據(jù)入庫、校正與標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)插值與重采樣、數(shù)據(jù)清洗、時(shí)間同步與配準(zhǔn)，獲得標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)；

29、所述數(shù)據(jù)分析單元用于根據(jù)應(yīng)用需求從標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)中篩選出所需要的電磁頻譜數(shù)據(jù)；

30、所述安全與隱私保護(hù)單元用于設(shè)置數(shù)據(jù)訪問權(quán)限和數(shù)據(jù)追蹤機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)和用戶的隱私進(jìn)行加密。

31、優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊包括數(shù)據(jù)映射單元、數(shù)據(jù)解析單元、應(yīng)用接口單元、人機(jī)交互、可視化層和應(yīng)用層；

32、所述數(shù)據(jù)映射單元用于將所需電磁頻譜數(shù)據(jù)映射至地表空間，在地表空間標(biāo)記地理位置和其上空域周圍存在的特定頻率范圍的使用情況，獲得電磁空間圖；將所述電磁空間圖傳輸至可視化層進(jìn)行可視化；

33、所述可視化層用于將所述電磁空間圖進(jìn)行可視化；

34、所述應(yīng)用層用于將可視化數(shù)據(jù)在相應(yīng)應(yīng)用場景進(jìn)行應(yīng)用；

35、所述數(shù)據(jù)解析單元用于可視化層不同系統(tǒng)或應(yīng)用程序之間交換數(shù)據(jù)信息時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解碼、驗(yàn)證、格式化操作；

36、所述應(yīng)用接口單元用于定義可視化層不同軟件系統(tǒng)之間的通信規(guī)則和協(xié)議；

37、所述人機(jī)交互用于接收用戶輸入的觸控或語音命令，基于觸控或語音命令設(shè)計(jì)可視化顯示界面和交互流程。

38、優(yōu)選地，所述可視化層包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)、多維度電磁空間展示、三維可視化工具和定制化報(bào)告與導(dǎo)出單元。

39、優(yōu)選地，所述應(yīng)用層包括國家安全監(jiān)測單元、頻譜資源管理單元、航運(yùn)監(jiān)控單元和重要目標(biāo)勘察單元。

40、優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊執(zhí)行以下操作：

41、s31、基于用戶需要確定數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)以及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式；所述數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求包括關(guān)鍵指標(biāo)、數(shù)據(jù)更新頻率、交互性要求；

42、s32、對(duì)所需電磁頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、映射，獲得電磁空間圖；以及按照不同可視化平臺(tái)和數(shù)據(jù)報(bào)告平臺(tái)開發(fā)數(shù)據(jù)接口；

43、基于所述數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式將所述電磁空間圖通過各數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)讲煌梢暬ぞ吆推脚_(tái)進(jìn)行可視化；

44、s33、獲取應(yīng)用需求，基于應(yīng)用需求設(shè)計(jì)可視化界面，基于可視化界面將電磁空間圖在相應(yīng)應(yīng)用場景進(jìn)行應(yīng)用。

45、本發(fā)明所采用的第二個(gè)技術(shù)方案是：一種基于第一個(gè)技術(shù)方案中所述系統(tǒng)的電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

46、s100：獲取全球電磁頻譜信息，并將所述全球電磁頻譜信息進(jìn)行測繪，獲得測繪數(shù)據(jù)；

47、s200：將所述測繪數(shù)據(jù)以剖分網(wǎng)格的方式存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；并對(duì)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中的測繪數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)；以及根據(jù)應(yīng)用需求從所述標(biāo)準(zhǔn)電磁頻譜數(shù)據(jù)中篩選出所需電磁頻譜數(shù)據(jù)；

48、s300：基于所述所需電磁頻譜數(shù)據(jù)生成電磁空間圖；以及將所述電磁空間圖進(jìn)行可視化并應(yīng)用。

49、上述技術(shù)方案的有益效果：

50、(1)本發(fā)明公開的一種電磁空間圖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通過天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪模塊獲取電磁數(shù)據(jù)并測繪，實(shí)現(xiàn)全球、寬頻帶的多重覆蓋數(shù)據(jù)采集；以及通過測繪數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成模塊實(shí)現(xiàn)電磁頻譜測繪數(shù)據(jù)的多層級(jí)、多維度、多尺度表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球電磁頻譜的組織和運(yùn)用；特別針對(duì)天基衛(wèi)星電磁頻譜測繪及頻譜態(tài)勢生成應(yīng)用。

51、(2)本發(fā)明通過系統(tǒng)化天基電磁頻譜測繪過程，可支持下一步天基電磁頻譜測繪系統(tǒng)建設(shè)；將傳統(tǒng)的地基、空基電磁頻譜測繪方式，轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星-地面站-數(shù)據(jù)中心-數(shù)據(jù)產(chǎn)品-用戶的閉環(huán)鏈路，對(duì)于下一步電磁頻譜測繪星座系統(tǒng)建設(shè)提供可行模板。

52、(3)相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明最終是將數(shù)據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域，而不是僅做可視化。