基于空间局部估计的海上短波频率数据重构方法

摘要

本发明涉及一种基于空间局部估计的海上短波频率数据重构方法，属于无线通信频率预测技术领域。其特征是利用短波频谱管理设备采集的样本数据，计算各分离距离内样本点对的平均距离和实验变异函数值。利用实验变异函数点对数据对指数模型变异函数进行拟合，得到理论指数变异函数参数。根据短波频率数据重构区域样本点求解空间局部估计方程组，获得各样本点参与数据重构的权重系数。建立待重构点在空间局部的频率值重构公式，求出待重构点的短波通信频率数据。本发明充分考虑了短波频率数据的空间相关性，根据舰船实际使用的数据进行频率数据重构，数据重构精度较准确，能够有效缩短自适应短波通信设备的选频时间，提高海上短波中远程通信的效果。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信频率预测技术领域，涉及到一种基于空间局部估计的 海上短波频率数据重构方法。

背景技术

短波通信是一种主要借助电离层反射天波实现远距离通信的通信方式，是 海上舰船实现中远程通信的重要手段之一。频率的选用制约着短波通信的发展， 实现短波通信频率的优选是发挥短波通信设备性能，提高短波通信效果的关键。

目前，海上舰船在短波通信频率优选过程中，主要使用中、长期预测和实 时探测两种手段和方法。中、长期预测方法依据电离层特性参量的时空变化和 太阳活动性指数的历史数据，推断出最高可用频率等参数的中值。缺点是该方 法预测的中值与实际通信过程中的最高可用频率值有较大偏差。频率实时探测 方法是对短波频段进行扫描探测，实时处理收端信号的频率、误码率、信噪比 等参数，按照信道质量给频率打分排队，获得可以实时利用的频率数据。缺点 是需要发射无线电探测信号，容易造成电磁环境的恶化，影响通信效果；探测 体制与通信体制不一致时，频率数据的参考价值不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是运用空间局部重构方法，以海上舰船实际通信 频率数据为重构样本，实现利用已知海域频率数据重构未知海域数据的目的， 为海上短波通信频率选择提供一种可操作性强的新方法。

本发明的技术方案是：

一种基于空间局部估计的海上短波频率数据重构方法，首先以频管设备采 集的海上短波通信频率数据为样本，计算各分离距离内样本点对的平均距离和 实验变异函数值；利用实验变异函数点对数据对指数模型变异函数进行拟合， 得到理论指数变异函数参数；根据短波频率数据重构区域样本点求解空间局部

估计方程组，获得各样本点参与数据重构的权重系数。建立待重构点在 空间局部的频率值重构公式，求出待重构点的短波通信频率数据。

根据分离距离区间将样本点对分类，计算不同分离距离区间内样本点对的 平均距离，计算落在每段分离距离内的样本点对的实验变异函数值，由各平均 距离和实验变异函数值组成实验变异函数点对。

利用得到的实验变异函数点对，对指数模型变异函数进行最小二乘法拟合， 删除严重偏离拟合曲线的特异值点，利用新的实验变异函数点对进行再次拟合， 拟合出理论指数变异函数参数，得到理论指数变异函数。

选取参与短波频率数据重构的样本点，计算样本点间及各样本点与待重构 点之间的电离层距离及变异函数值。

列出并求解空间局部估计方程组，求出各样本点参与数据重构的权重系数。

建立待重构点在空间局部的频率值重构公式，求出待重构点的短波通信频 率数据。

本发明充分考虑了短波频率数据的空间相关性，根据舰船实际使用的数据 进行频率数据重构，数据重构精度较准确，能够有效缩短自适应短波通信设备 的选频时间，提高海上短波中远程通信的效果。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。

步骤一：利用短波频谱管理设备采集重构区域的样本数据，检查样本数据 质量，要求样本数据要素完整，必须包含的数据要素有：通信收发两端的地理 位置信息、通信时间信息、频率数据信息。

步骤二：运用$h(A,B)=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+[\mathrm{SF}·(y_i-y_j){]}^2}$计算步骤一获得的样本数据之 间点对点的电离层距离，个数为N个；其中，(x_i,y_i)为收信点A的经、纬度坐标， (x_j,y_j)为收信点B点的经、纬度坐标，SF为尺度因子，根据重构区域的不同纬 度范围选取尺度因子值，纬度在[0°20°)范围内时，SF＝2.5，纬度在[20°40°) 范围内时，SF＝2，纬度在[40°～90°)范围内时，SF＝1.5。

步骤三：确定步骤二中N个电离层距离的最大值dmax，将分离距离区间h确 定为0～2、2～4、4～6、…、2*([dmax/2]-1)～2*[dmax/2]，按照分离距离区间将N 个样本点对分类。

步骤四：计算各分离距离区间h内样本点的电离层距离的平均距离h'，运用 计算样本点对实验变异函数值，其中γ^*(h')为 实验变异函数，N(h)是分隔距离为h时样点对的个数，Z(x_i,y_i)和Z(x_i+1,y_i+1)是样 本点在空间位置(x_i,y_i)，(x_i+1,y_i+1)的短波通信频率值。由平均距离h'和实验变异函 数值γ^*(h')构成实验变异函数点对(h'，γ^*(h'))。

步骤五：依据实验变异函数点对(h'，γ^*(h'))，对指数模型变异函数 $\gamma \left(h^{\prime }\right)=\left(\begin{array}{cc}0,& h^{\prime }=0\\ C_0+C(1-e^{-\frac{h^{\prime }}{a}}),& h^{\prime }>0\end{array}\right)$进行最小二乘法拟合，拟合过程中首先将曲线模型转换 成线性模型，再利用最小二乘法原理对模型参数进行估计，拟合出变异函数及 曲线。删除严重偏离拟合曲线的特异值点，利用新的实验变异函数点对进行再 次拟合，得到理论指数变异函数。

步骤六：选取参与短波频率数据重构的样本点n，计算样本点间及各样本点 与待重构点之间的电离层距离，根据电离层距离计算相应样本点对间及待重构 点与各样本点间的变异函数值。

步骤七：由样本点对间及待重构点与各样本点间的变异函数值构成空间局 部估计矩阵表达式：$\left(\begin{array}{ccccc}\gamma (x_1,x_1)& \gamma (x_1,x_2)& ...& \gamma (x_1,x_n)& 1\\ \gamma (x_2,x_1)& \gamma (x_2,x_2)& ...& \gamma (x_2,x_n)& 1\\ ...& ...& ...& ...& 1\\ \gamma (x_n,x_1)& \gamma (x_n,x_2)& ...& \gamma (x_n,x_n)& 1\\ 1& 1& ...& 1& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\lambda }_1\\ {\lambda }_2\\ .\\ .\\ .\\ {\lambda }_n\\ \mu \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\gamma (x_1,x_0)\\ \gamma (x_2,x_0)\\ .\\ .\\ .\\ \gamma (x_n,x_0)\\ 1\end{array}\right),$其中γ(x_i,x_j) 为样本点对(x_i,x_j)(i,j＝1,2,...,n)之间的变异函数值，γ(x_i,x₀)为样本点x_i(i＝1,2,...,n) 与待重构点x₀之间的变异函数值，λ_i(i＝1,2,...,n)为重构权重系数，μ为拉格朗日 乘子。

步骤八：求解各样本点参与数据重构的权重系数λ_i和μ。

步骤九：建立待重构点在空间局部的频率值重构公式： 求出待重构点(x₀,y₀)处的短波通信频率数据Z^*(x₀,y₀)。其 中，Z(x_i,y_i)为样本点在空间位置(x_i,y_i)的短波通信频率值。