李 軍，王 娜，劉志勇，李 寧，楊 壘，顏 帥

(1. 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；4. 成都七中育才中學(xué)，四川 成都 610011)

隨著不斷增加的固定電子設(shè)備(如基站、電腦和路由器等)[1]和移動(dòng)電子設(shè)備(如手機(jī)、便攜式電腦和相機(jī)等)[2]的使用，射電天文臺(tái)站受到的射頻干擾日益嚴(yán)重。通常固定電子設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)可根據(jù)射頻干擾管理?xiàng)l例采用屏蔽等技術(shù)手段抑制或消除[3]，而移動(dòng)電子設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難、管控難度大等特點(diǎn)，尤以可移動(dòng)、基數(shù)大的手機(jī)信號(hào)更為突出。用戶在射電望遠(yuǎn)鏡附近使用手機(jī)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)，如手機(jī)與基站之間的通信信號(hào)、手機(jī)發(fā)出的熱點(diǎn)信號(hào)、手機(jī)搜索基站的信號(hào)和開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)信號(hào)等[2,4]，影響天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)手機(jī)用戶達(dá)到15.7億(1)http://www.miit.gov.cn/newweb/n1146290/n4388791/c6692299/part/6692305.pdf，另?yè)?jù)央視網(wǎng)公布，2018年上半年500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)接待游客數(shù)量為513萬(wàn)人次(2)http://news.cctv.com/2018/09/19/ARTILC4VdwN79euV5lQj9mKl180919.shtml。若不對(duì)游客攜帶的手機(jī)采取管控措施，直接影響射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對(duì)于影響天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的手機(jī)信號(hào)，現(xiàn)有的解決辦法包括設(shè)置無(wú)線電寧?kù)o區(qū)、設(shè)定警示牌和使用無(wú)線探測(cè)器檢測(cè)手機(jī)[3]。然而，上述解決辦法存在缺陷，如工作人員管理寄存手機(jī)會(huì)增加管理成本；臺(tái)站如果不強(qiáng)制寄存手機(jī)，用戶可能會(huì)忘記開(kāi)啟飛行模式或關(guān)機(jī)；警示牌的數(shù)量有限，致使作用收效甚微?？梢?jiàn)，現(xiàn)有方式不能主動(dòng)、實(shí)時(shí)、有效地管理手機(jī)。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一款基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)干擾管理軟件(Mobile Interference Management Application, MIMA)。當(dāng)用戶進(jìn)入離望遠(yuǎn)鏡較近的區(qū)域，如無(wú)線電寧?kù)o區(qū)，手機(jī)會(huì)以振動(dòng)和鈴聲的方式提醒用戶開(kāi)啟飛行模式或關(guān)機(jī)，以降低手機(jī)信號(hào)對(duì)射電天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

1 功能需求

設(shè)計(jì)一款能幫助手機(jī)用戶在射電望遠(yuǎn)鏡無(wú)線電寧?kù)o區(qū)內(nèi)主動(dòng)、智能管理手機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的軟件，功能需求包括：(1)當(dāng)手機(jī)用戶進(jìn)入寧?kù)o區(qū)時(shí)，主動(dòng)提醒用戶管理手機(jī)；(2)用戶離開(kāi)寧?kù)o區(qū)，提醒用戶恢復(fù)正常通信；(3)具有服務(wù)端與客戶端；(4)初始化配置信息位于服務(wù)端，手機(jī)干擾管理軟件開(kāi)啟后能自動(dòng)加載數(shù)據(jù)；(5)記錄用戶在寧?kù)o區(qū)內(nèi)開(kāi)啟/關(guān)閉飛行模式或開(kāi)關(guān)機(jī)操作，并將操作記錄上傳至服務(wù)端；(6)定位方式包括手機(jī)定位、基站定位和第三方定位；(7)能同時(shí)管理多個(gè)天文臺(tái)站；(8)增加站點(diǎn)管理功能，并由管理人員負(fù)責(zé)審核。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能保證手機(jī)干擾管理軟件可擴(kuò)展、可移植和易維護(hù)等特性。本文主要從設(shè)計(jì)思路、架構(gòu)設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)3方面進(jìn)行闡述。

2.1 設(shè)計(jì)思路

國(guó)內(nèi)外射電天文臺(tái)站的無(wú)線電寧?kù)o區(qū)(或電磁波寧?kù)o區(qū))是依據(jù)望遠(yuǎn)鏡的口徑、頻率，臺(tái)址的電磁環(huán)境、地形特征、地方規(guī)則等因素設(shè)置。因此，不同天文臺(tái)站對(duì)無(wú)線電寧?kù)o區(qū)的層級(jí)范圍不同，命名規(guī)則也各不相同，但大多設(shè)置為3級(jí)，從內(nèi)到外的要求逐步降低[5-6]。如FAST的3個(gè)層級(jí)從內(nèi)到外對(duì)應(yīng)區(qū)域的范圍分別為半徑5 km、10 km和30 km。110米射電望遠(yuǎn)鏡則依托地形特征將無(wú)線電寧?kù)o區(qū)從內(nèi)到外劃分為長(zhǎng)方形的核心區(qū)和限制區(qū)，區(qū)域范圍分別為2.5 km × 4 km、10 km × 15 km以及半徑為30 km的協(xié)調(diào)區(qū)。用戶在不同層級(jí)的提醒方式存在差異，當(dāng)處于協(xié)調(diào)區(qū)時(shí)，手機(jī)干擾管理軟件會(huì)彈出對(duì)話框，且伴有鈴聲和振動(dòng)(提醒時(shí)長(zhǎng)為10 s，提醒2次)；進(jìn)入限制區(qū)后(用戶不離開(kāi)限制區(qū))，提醒15 s，最多提醒兩次；當(dāng)位于核心區(qū)時(shí)，提醒時(shí)長(zhǎng)為20 s且只提醒一次。使用球面距離公式[7]

D=Rarccos [cosβu1cosβt1cos(αu1-αt1)+sinβu1sinβt1]

(1)

計(jì)算手機(jī)與望遠(yuǎn)鏡的距離，并判斷用戶所處的區(qū)域。其中，ρ1,ρt分別為地球上兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(αt1,βt1)和(αu1,βu1)；D為點(diǎn)ρ1和點(diǎn)ρt的距離；R為地球的半徑。

在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)天文機(jī)構(gòu)有多個(gè)臺(tái)站，手機(jī)干擾管理軟件能同時(shí)管理多個(gè)臺(tái)站。其中，依據(jù)手機(jī)定位技術(shù)、球面距離公式等相結(jié)合的方式判斷與用戶最近的射電望遠(yuǎn)鏡，獲取用戶與望遠(yuǎn)鏡的距離，判斷用戶是否處于無(wú)線電寧?kù)o區(qū)，以提醒用戶管理手機(jī)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由3層模型-視圖-控制器(Model-View-Controller, MVC)架構(gòu)的客戶端系統(tǒng)架構(gòu)和4層分層架構(gòu)的服務(wù)端系統(tǒng)架構(gòu)組成，這兩個(gè)架構(gòu)能提高模塊之間的耦合性，降低模塊的內(nèi)聚性，保障系統(tǒng)層級(jí)間的接口定義標(biāo)準(zhǔn)，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展、可移植和易維護(hù)的特性[8]。

2.2.1 客戶端架構(gòu)設(shè)計(jì)

客戶端使用3層的MVC架構(gòu)，圖1展示了客戶端由用戶層、應(yīng)用層和存儲(chǔ)層組成。其中，用戶層為用戶查看并與之交互的界面，能顯示用戶與射電望遠(yuǎn)鏡的距離，將存在的缺陷或未添加的望遠(yuǎn)鏡配置信息反饋給管理員，也可快速跳轉(zhuǎn)到全球定位系統(tǒng)或飛行模式界面。應(yīng)用層是整個(gè)客戶端架構(gòu)的核心，通過(guò)分析第1部分的功能需求，提出以下解決方法：(1)根據(jù)手機(jī)耗電量和耗流量的不同，將第三方定位(如百度Android SDK定位)、基站定位和全球定位系統(tǒng)定位等定位方式[9]賦予不同的優(yōu)先級(jí)(見(jiàn)表1)；(2)用戶所處位置的基站信號(hào)差(或無(wú)基站信號(hào))、全球定位系統(tǒng)已關(guān)閉和未開(kāi)啟飛行模式的情況下，應(yīng)用程序會(huì)提醒用戶開(kāi)啟全球定位系統(tǒng)，以判定用戶位置；(3)界面退出后，能繼續(xù)實(shí)現(xiàn)定位、數(shù)據(jù)管理、判別距離、網(wǎng)絡(luò)傳輸和進(jìn)程管理等。存儲(chǔ)層能保存位置信息、中間結(jié)果及配置信息等。SQLite存儲(chǔ)射電望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)緯度，寧?kù)o區(qū)的范圍、層級(jí)，用戶操作記錄等。其中，射電望遠(yuǎn)鏡配置信息表包括射電望遠(yuǎn)鏡唯一編碼、名稱、無(wú)線電寧?kù)o區(qū)的范圍和層級(jí)等字段；用戶操作記錄表包括用戶唯一編碼、飛行模式狀態(tài)、開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、距離、手機(jī)序列號(hào)和開(kāi)啟/關(guān)閉飛行模式或開(kāi)/關(guān)機(jī)的時(shí)間等字段。

圖1 客戶端系統(tǒng)架構(gòu)

Fig.1 Architecture of clientsystem

表1 手機(jī)定位類型

2.2.2 服務(wù)端架構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)端系統(tǒng)架構(gòu)使用4層的分層架構(gòu)，由用戶層、邏輯層、數(shù)據(jù)層和存儲(chǔ)層構(gòu)成(見(jiàn)圖2)，能存儲(chǔ)和查詢手機(jī)用戶在手機(jī)干擾管理軟件上的操作記錄。用戶層顯示用戶的操作及搜索操作記錄。邏輯層管理用戶層的請(qǐng)求分發(fā)，將存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)返回用戶層。數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等接口，以完成數(shù)據(jù)的讀取。存儲(chǔ)層保存手機(jī)用戶的操作記錄及管理員的操作記錄。

2.3 設(shè)計(jì)流程

圖3為手機(jī)干擾管理軟件的設(shè)計(jì)流程，包括初始化配置信息，計(jì)算用戶與射電望遠(yuǎn)鏡的距離，識(shí)別與用戶最近的射電望遠(yuǎn)鏡，判斷用戶是否處于無(wú)線電寧?kù)o區(qū)，確定是否開(kāi)啟飛行模式或關(guān)機(jī)，最終將用戶操作記錄上傳到服務(wù)端。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括初始化、系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)等，保證手機(jī)干擾管理軟件在寧?kù)o區(qū)能主動(dòng)智能地開(kāi)啟飛行模式或關(guān)機(jī)，記錄用戶在寧?kù)o區(qū)內(nèi)的操作，并最終將用戶在客戶端的操作記錄上傳至服務(wù)端。

圖2 服務(wù)器端系統(tǒng)架構(gòu)

Fig.2 System architecture of server

圖3 手機(jī)干擾管理軟件系統(tǒng)流程圖

Fig.3 Flow chart of MIMA system

3.1 初始化

系統(tǒng)初始化由初始化配置信息和初始化定位組成。配置信息的初始化以鍵值對(duì)的形式存儲(chǔ)在JSON中，初始化3種定位方式能獲取手機(jī)用戶的經(jīng)緯度。其中，初始化Android SDK定位需導(dǎo)入jar、so包和添加開(kāi)發(fā)密鑰、權(quán)限等，且在應(yīng)用程序初始化過(guò)程中需引用全局變量、調(diào)用初始化函數(shù)?；径ㄎ怀跏蓟▽?dǎo)入jar、so包及添加權(quán)限等，通過(guò)調(diào)用初始化函數(shù)可獲取經(jīng)緯度、地理位置。全球定位系統(tǒng)定位的初始化過(guò)程則需導(dǎo)入jar、so包和添加權(quán)限等。

3.2 功能模塊實(shí)現(xiàn)

客戶端使用的MVC架構(gòu)使應(yīng)用程序的前臺(tái)界面和后臺(tái)服務(wù)分離。其中，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Android Studio，界面的開(kāi)發(fā)工具為JAVA + XML，后臺(tái)服務(wù)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為JAVA。圖4為客戶端功能模塊類圖，界面中的類MIMAFront展示用戶與望遠(yuǎn)鏡的距離，將展示距離保留兩位小數(shù)。后臺(tái)服務(wù)是客戶端的核心，在界面退出后，類BackService依賴類JudgeDis, KLService和ShowDiag能定位、計(jì)算、判斷和提醒等。管理進(jìn)程類KLService確保后臺(tái)服務(wù)類BackService能正常運(yùn)行，而類JudgeDis依賴初始化配置信息(類InitConInfo)、手機(jī)定位(類Location)，以判斷用戶與望遠(yuǎn)鏡的位置關(guān)系。類ShowDiag為用戶進(jìn)入寧?kù)o區(qū)時(shí)，能彈出對(duì)話框提醒用戶管理手機(jī)。

圖4 客戶端模塊類圖

Fig.4 Class diagram of client module

服務(wù)端中的用戶層使用開(kāi)發(fā)工具HTML, CSS和JavaScript，邏輯層、數(shù)據(jù)層和存儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為JAVA。圖5中的類BehRecSerImpl繼承于類DBUtil的數(shù)據(jù)庫(kù)操作功能，以獲取模型數(shù)據(jù)，且在類BehRecSerImpl實(shí)例化了BehRecSer的接口函數(shù)getPageSetting(), getAll()等。與類BehRecSerImpl具有依賴關(guān)系的類PageSetting為管理頁(yè)面的基本設(shè)置，pageSize為一個(gè)頁(yè)面顯示的信息條數(shù)，currentPage, rowCount, pageCount分別為當(dāng)前頁(yè)、信息的總條數(shù)和頁(yè)面數(shù)量，startIndex, endIndex分別表示首頁(yè)和尾頁(yè)。類Page是PageSetting類的部分，為前臺(tái)頁(yè)面信息的展示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試包括功能測(cè)試和結(jié)果對(duì)比兩部分，其中，功能測(cè)試為軟件在寧?kù)o區(qū)內(nèi)提醒用戶管理手機(jī)，而結(jié)果對(duì)比則比較手機(jī)在開(kāi)啟飛行模式和關(guān)閉的狀態(tài)下產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度。

4.1 功能測(cè)試

在手機(jī)上安裝該軟件后，結(jié)合全球定位系統(tǒng)定位、基站定位和Android SDK定位技術(shù)可獲取用戶的經(jīng)緯度，使用球面距離公式計(jì)算用戶與射電望遠(yuǎn)鏡的距離，判斷離用戶最近的望遠(yuǎn)鏡并將數(shù)據(jù)顯示于圖6(a)，當(dāng)用戶處于無(wú)線電寧?kù)o區(qū)時(shí)，會(huì)彈出一個(gè)圖6(b)所示的提醒對(duì)話框，此時(shí)用戶點(diǎn)擊 “飛行模式設(shè)置” 按鈕便可進(jìn)入圖6(c)展示的飛行模式界面。同時(shí)，服務(wù)端存儲(chǔ)用戶在手機(jī)干擾管理軟件上的操作，管理員可查看或搜索手機(jī)用戶在寧?kù)o區(qū)的操作記錄。

圖5 服務(wù)端模塊類圖

Fig.5 Class diagram of server module

圖6 手機(jī)干擾管理軟件系統(tǒng)界面。(a) 獲取用戶的當(dāng)前位置;(b) 提醒用戶管理手機(jī)信號(hào);(c) 進(jìn)入飛行模式界面

Fig.6 MIMA system interface. (a) Get a user′s location; (b) Remind users to manage mobile signals;(c) Enter an airplane mode interface

4.2 結(jié)果對(duì)比

在測(cè)試手機(jī)的開(kāi)啟/關(guān)閉飛行模式時(shí)發(fā)現(xiàn)，正常運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出信號(hào)搜索2 G，3 G和4 G的基站，以檢測(cè)手機(jī)是否正常通信，此時(shí)搜索手機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)見(jiàn)圖7(a)；開(kāi)啟飛行模式后，手機(jī)不會(huì)產(chǎn)生搜索信號(hào)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7(b)。因此，手機(jī)干擾管理軟件能有效地管理手機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)，以減小手機(jī)信號(hào)對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡天文觀測(cè)數(shù)據(jù)帶來(lái)的危害。

圖7 軟件系統(tǒng)管理和抑制干擾前后對(duì)比。(a) 手機(jī)正常運(yùn)行;(b) 手機(jī)開(kāi)啟飛行模式

Fig.7 Before and after the APP′s interference management and suppression.(a) Mobile runs normally; (b) Mobile in airplane mode

5 總結(jié)與討論

電子設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)影響射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，且這類信號(hào)很難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、追蹤和管理，無(wú)線電寧?kù)o區(qū)周圍用戶隨身攜帶手機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)尤為突出。因此，本文設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一款基于安卓系統(tǒng)的手機(jī)干擾管理軟件，當(dāng)用戶進(jìn)入寧?kù)o區(qū)時(shí)，主動(dòng)提醒用戶開(kāi)啟飛行模式或關(guān)機(jī)，以降低手機(jī)信號(hào)對(duì)射電天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的不良影響。相比于其他抑制或消干擾的方法，該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)相對(duì)于投放大量的警示牌，使用手機(jī)干擾管理軟件的經(jīng)濟(jì)成本低；(2)通過(guò)手機(jī)的友好提醒，使游客知曉移動(dòng)電子設(shè)備對(duì)射電天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的危害；(3)另外，本方法也是對(duì)射頻干擾管理?xiàng)l例的補(bǔ)充。

手機(jī)干擾管理軟件的不足之處是目前的測(cè)試環(huán)境為安卓系統(tǒng)，蘋果公司的移動(dòng)操作系統(tǒng)平臺(tái)尚未開(kāi)發(fā)完成，需進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和完善，以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)平臺(tái)的全面管理。