CN101408610A - 基于北斗的扩频无线电救生装置及救生信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于北斗的扩频无线电救生装置及救生信号处理方法。求救部分由编码器、扩频模块和调制发送模块组成，待救方位置信号经过北斗接收机处理后进入编码器与时间信息内容一同转换成扩频电台的导航电文，由扩频模块扩频，通过调制发送模块将生成信号经天线发送；救援部分由射频前端、信号处理平台及输出显示部分组成，射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号送入信号处理平台，信号处理平台对输入的信号进行解扩、解调获得待救人员的位置信息传送到输出显示模块输出。本发明应用范围不仅限于民用搜救，也可扩展至军用；同时，本发明对“北斗”卫星导航系统产业化进程也具有积极的推动作用。

Description

基于北斗的扩频无线电救生装置及救生信号处理方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种救生装置，具体地说是一种基于北斗的扩频无线电救生装置。本发明也涉及一种信号的处理方法。

(二)背景技术

对无线电救生系统的研制最早始于美国。其具有代表性的配套产品为“PRC”系列，随着技术的进步而不断改进更新。如最早的“AN/PRC-49”以及在此基础上发展起来的“AN/PRC-90”、“AN/PRC-103”、“AN/PRC-106”等等。目前应用最为广泛的是“PRC-112”及其改进的“PRC-112/B”系列产品。该系统专门针对美军各兵种飞行员所研制，以保证其跳伞降落后搜救工作的顺利实施。该系统工作频率121.5MHz，可根据环境不同将其扩展至225-299.975MHz频段；内置GPS信号接收机；电台采用传统的AM方式；信号覆盖待救方60至100公里半径范围；定位精度100米；接收机具有视距范围内目标自动引导功能；系统体积为28立方英寸，大小为7.69×3×1.5英寸；重量为28盎司；常规电源为“A-5312/0”型号电池，另配外接电源接口；其应用主要针对军方，具体为陆军9300套，海军3700套，空军2128套。此外，该系列还有正在研制的“PRC-149”型号，尚未发布相关资料，也未投入使用。近年来，西欧、日本等国也陆续研制出属于自己的无线电救生系统。

目前我国的搜救技术还比较落后，民用搜救基本依赖进口，军用无线电救生设备目前国内尚没有成熟产品，基本还处于依赖人力的阶段。虽然也有一些关于无线电救生装置或方法的报道，例如：专利申请号为200420023936、名称为：一种单兵无线电定位装置的专利文件；《通讯与电视》2005.4其中刊登的：船载应急无线电示位标(EPIRB)设计研究[M]等。但是均没有应用北斗定位和通信，也没有涉及扩频技术。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种信号不易被干扰、不易被破译的基于北斗的扩频无线电救生装置。本发明的目的还在于提供一种基于北斗的扩频无线电救生装置的救生信号处理方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于北斗的扩频无线电救生装置由求救、救援两部分组成的扩频电台；求救部分由编码器、扩频模块和调制发送模块组成，待救方位置信号经过北斗接收机处理后进入编码器与时间信息内容一同转换成扩频电台的导航电文，由扩频模块扩频，通过调制发送模块将生成信号经天线发送；救援部分由射频前端、信号处理平台及输出显示部分组成，射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号送入信号处理平台，信号处理平台对输入的信号进行解扩、解调获得待救人员的位置信息传送到输出显示模块输出。

基于北斗的扩频无线电救生装置的救生信号处理方法为：

由求救、救援两部分组成基于北斗的扩频无线电救生装置，求救部分由编码器、扩频模块和调制发送模块组成，救援部分由射频前端、信号处理平台及输出显示部分组成；

由北斗接收机接收到的待救方位置信号通过接口传入编码器，该位置信号和时间信息内容转换成扩频电台的导航电文，在扩频模块产生一组伪随机码，并将导航电文与伪随机码进行模二相加，实现扩频，将位置信息调制到扩频序列当中，通过调制发送模块将已有的扩频序列与载波进行调制并将生成信号通过天线发送；搜救接收机射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号并送入信号处理平台，信号处理平台输入的信号采用与发送信号相同的伪随机码进行解扩、解调获得待救人员的位置信息并通过相应接口将信息内容传送到输出显示模块输出待救人员位置信息。

所述的实现扩频的方法为：扩频电台的载波调制方式为二进制移相键控调制，载波调制信号数学模型可表示为：

其中：w₀—载波频率；

A—信号振幅；

—信号初相。

待救方位置信号经过北斗接收机处理后以信息码{a_n}的形式进入扩频电台，其中n为信息码序列所含信息比特数；在扩频电台的发射端，该位置信息{a_n}首先经编码器编码形成具有固定格式的导航电文d(t)，其中t为时间；导航电文d(t)与由本振产生的伪码c(t)进行模二加运算，该过程即为扩频过程；扩频以后的导航电文经载波调制生成信号s(t)表示为：

所述的搜救接收机射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号并送入信号处理平台，信号处理平台输入的信号采用与发送信号相同的伪随机码进行解扩、解调获得待救人员的位置信息并通过相应接口将信息内容传送到输出显示模块输出待救人员位置信息的具体方法为：

获得的扩频信号首先经带通滤波器滤波，低噪声放大器放大，两次混频，由射频信号转化为中频信号，此时信号数学模型为：

$r\left(t\right)=s^{\′}(t-\mathrm{\τ})+J\left(t\right)+n\left(t\right)$

其中：s′(t-τ)—扩频电台接收端获得的期望信号；

n(t)—信道噪声、电源热噪声等干扰信号；

J(t)—传输信道中存在的各种干扰信号；

τ—信号传输时延；

w_IF—经过变频后的中频信号频率；

接收信号r(t)经过本地载波解调和本地伪码c^*(t-τ′)解扩后可表示为：

r(t)＝w₁(t)+w₂(t)+w₃(t)

其中：

τ′—本地伪码相位差；

w′—本地载波频率；

—本地载波相位；

在r′(t)中，w₁(t)为接收机对接收有用信号的解调和解扩的结果；w₂(t)为本地伪码和载波对信道干扰作频谱扩展的结果；w₃(t)为本地伪码和载波与噪声的相乘结果；对r′(t)作基带滤波处理后可滤去w₂(t)、w₃(t)项；若扩频接收机与接收信号实现完全同步，则本地伪码相位、载波频率和相位与接收信号完全相同，即w_IF＝w′，

τ＝τ′；接收机无失真的获得发送端信息内容d(t)；该信号经译码、校验等环节，最终得到待救方发送的位置信息。

本发明提供了一种具有我国自主知识产权的无线电救生系统。目前国内外普遍应用的无线电救生系统定位信息主要由美国的全球定位系统(GPS)提供，是否对某国开放，开放后定位精度如何均由美国控制，它国无权决定。如果类似系统应用于我国则必然受制于人，针对这一问题，本发明将北斗卫星定位系统用户终端作为系统核心，提供待救方位置信息。

本发明的主要特点是采用基于扩频技术的电台发送救援信号。目前国内外普遍应用的无线电救生系统主要依靠调幅(AM)电台发送含有位置信息的求救信号，该类型电台由传统方法设计，具有信号易被干扰、易被破解的缺陷。针对这一问题，本发明将扩频技术应用于对电台的设计当中，通过采用伪码调制、载波调制等信号处理手段使信号传送过程具有抗干扰、保密性好的特点。

无线电救生系统由求救、救援两部分组成。求救部分主要包括卫星定位系统与求救电台；救援部分主要为搜救接收机。系统的主要工作方式为：待营救人员依靠卫星定位系统获得自身的位置信息，并将其传入求救电台中发送至救援方，在求救过程中连续发送信号，并实时修正自身所处位置；救援方依靠搜救接收机提供的求救者位置信息拟定搜救方案并最终完成搜救工作。现将每一部分对应的功能及设计内容介绍如下：

(1)北斗用户终端：该部分为我国独立研制并设计具有自主知识产权的系统，其主要功能为接收“北斗”卫星定位系统传输的待救方位置信息，此外北斗用户终端还具有实时通讯功能，操作者可将身体状况和周围环境等内容以短消息方式发送至救援方，以辅助救援方制定合理的营救方案。

(2)扩频电台：电台主要完成的功能为发送待营救人员位置信息至接收端，由于需要保证待营救人员位置信息的安全性，电台发送的信息内容需要加密；鉴于扩频信号具有抗干扰、抗多径、保密性好等优点，在本发明中拟采用扩频技术将电台设计为扩频电台。扩频电台主要分为三个模块：编码器、扩频模块和调制发送模块。编码器的作用为将接口传来的位置和时间等信息内容转换成扩频电台的导航电文；扩频模块将产生一组伪随机码，并将导航电文与伪随机码进行模2相加，实现扩频。该过程也是对信息加密的过程，将位置信息调制到扩频序列当中，只有固定的对应伪码方能解扩，以此完成对信息的加密工作；调制发送模块主要将已有的扩频序列与载波进行调制并将生成信号通过天线发送。

(3)搜救接收机：搜救接收机为救援方所持，主要实现接收并显示待救人员位置信息的功能。主要包括射频前端、信号处理平台及输出显示三部分。其中：射频前端通过对接收信号的放大、滤波以提取有用信号并送入信号处理平台；信号处理平台则对输入的信号采用与发送信号相同的伪随机码进行解扩、解调以获得待救人员的位置信息并通过相应接口将信息内容传送到输出显示模块；输出显示模块即为系统的外设，如显示器、LED屏等等，作用为显示待救人员位置信息。

综上所述，本发明是一种具有自主知识产权的无线电救生系统。本发明针对目前同类型产品定位信息依赖GPS提供的问题，提出了采用我国自行研制的“北斗”卫星定位系统用户终端作为定位位置来源的方法；针对目前同类型产品信号易被干扰、易被破译的问题，提出采用扩频体制设计电台的方法。基于以上的原因，本发明应用范围不仅限于民用搜救，也可扩展至军用；同时，本发明对“北斗”卫星导航系统产业化进程也具有积极的推动作用。

(四)附图说明

图1为本发明系统工作流程图；

图2为本发明系统结构框图；

图3为信号扩频、调制流程图；

图4为扩频电台发射机结构框图；

图5为扩频电台接收机结构框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

本发明主要应用在交通工具(如飞机、舰船、车辆等)失事后对人员的搜救工作中。由于交通工具失事后待救人员所处地域环境往往恶劣复杂，待救人员人身安全一般会受到威胁甚至已经受伤，难于对系统展开操作。基于以上原因考虑，本发明将系统工作方式定义为手动、自动两个部分。现以飞行员为例说明系统工作方式：当座椅将飞行员弹射出机舱后系统自动运行，接收“北斗”卫星定位系统传来的位置信息并发送给接收方，并根据飞行员位置的不断变化实时修正；飞行员落地后信息仍然持续发送，由于北斗接收机具有实时通讯功能，飞行员可据此手动更新位置信息并发送自身状态，如身体条件、环境条件等情况以便救援方准确制定援救方案并实施救援。

结合图2，基于北斗的扩频无线电救生装置由求救、救援两部分组成的扩频电台；求救部分由编码器、扩频模块和调制发送模块组成，待救方位置信号经过北斗接收机处理后进入编码器与时间信息内容一同转换成扩频电台的导航电文，由扩频模块扩频，通过调制发送模块将生成信号通过天线发送；救援部分由射频前端、信号处理平台及输出显示部分组成，射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号送入信号处理平台，信号处理平台对输入的信号进行解扩、解调获得待救人员的位置信息传送到输出显示模块输出。

现结合附图对本发明的方法作进一步阐述。扩频电台的载波调制方式选为二进制移相键控调制(BPSK)，载波调制信号数学模型可表示为：

其中：w₀—载波频率；

A—信号振幅；

—信号初相。

待救方位置信号经过北斗接收机处理后以信息码{a_n}的形式进入扩频电台，其中n为信息码序列所含信息比特数。在扩频电台的发射端，该位置信息{a_n}首先经编码器编码形成具有固定格式的导航电文d(t)，其中t为时间；导航电文d(t)与由本振产生的伪码c(t)进行模二加运算，该过程即为扩频过程；扩频以后的导航电文经载波调制生成信号s(t)可表示为：

上述过程即为信号的扩频、调制过程，附图3为信号扩频、调制流程图。该信号经镜像滤波、功率放大、输出滤波等过程处理后发送，信号经信道传输后到达扩频电台接收机；附图4为扩频电台发射机结构框图，通过附图4可以看到扩频模块由编码器、DDS、伪码发生器、模二加运算器四部分组成，电源经稳压电路控制给本振和功率放大器供电，镜像滤波、输出滤波可选用无源滤波器进行处理。在扩频电台的接收端，获得的扩频信号首先经带通滤波器滤波，低噪声放大器放大，两次混频，由射频信号转化为中频信号，此时信号数学模型可表示为：

$r\left(t\right)=s^{\′}(t-\mathrm{\τ})+J\left(t\right)+n\left(t\right)$

其中：s′(t-τ)—扩频电台接收端获得的期望信号；

n(t)—信道噪声、电源热噪声等干扰信号；

J(t)—传输信道中存在的各种干扰信号；

τ—信号传输时延；

w_IF—经过变频后的中频信号频率；

接收信号r(t)经过本地载波

解调和本地伪码c^*(t-τ′)解扩后可表示为：

r(t)＝w₁(t)+w₂(t)+w₃(t)

其中：

τ′—本地伪码相位差；

w′—本地载波频率；

—本地载波相位；

在r′(t)中，w₁(t)为接收机对接收有用信号的解调和解扩的结果；w₂(t)为本地伪码和载波对信道干扰作频谱扩展的结果；w₃(t)为本地伪码和载波与噪声的相乘结果。对r′(t)作基带滤波处理后可滤去w₂(t)、w₃(t)项。若扩频接收机与接收信号实现完全同步，则本地伪码相位、载波频率和相位与接收信号完全相同，即w_IF＝w′，

τ＝τ′。此时接收机即可无失真的获得发送端信息内容d(t)。该信号经译码、校验等环节，最终得到待救方发送的位置信息，附图5为扩频电台接收机结构框图。

本发明中求救电台的设计基于扩频技术。扩频电台的工作过程也就是对由北斗用户终端传来的数据信息进行处理的过程，可概括为：扩频-调制-解扩-解调，如附图4、5所示。在发送端，由北斗用户终端传来的位置信号经过基带编码处理后与高速的伪随机码序列进行模二加运算，以此实现扩频。在接收端，接收到的扩频信号经过低噪声放大、混频后，用与发送端相同的伪随机码对接收信号进行相关解扩，得到信息内容。由于伪随机码具有良好的自相关特性，即只有当伪随机码相位一致时才表现出强自相关特性，不同伪随机码序列彼此正交。即：如果τ＝τ′，则 $\frac{1}{N}\underset{t_i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}c(t_i-\mathrm{\τ})c^{*}(t_i-{\mathrm{\τ}}^{\′})=1;$ |τ-τ′|大于一个码元，则 $\frac{1}{N}\underset{t_i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}c(t_i-\mathrm{\τ})c^{*}(t_i-{\mathrm{\τ}}^{\′})=-\frac{1}{N},$ N为一个伪随机码周期包含的码元个数。这种特性可以用来区分不同用户，达到抗干扰、保密的目的。在扩频电台中，扩频信号需要经过载波调制方能发送出去，目的是要使传输信号特性与信道相匹配。解调则是调制的逆过程。

综上所述，本发明提出了一种新型的无线电救生系统，以“北斗用户终端+扩频电台”为系统组成模式，能够有效提高我国的搜救技术水平。本发明涉及到扩频通信、信号处理、卫星定位等相关知识及技术，可供军民两用；可应用在飞行员搜救、海上救生、探险运动员搜救等等领域。本发明将会极大的推动我国搜救技术的发展，并能够促进其广泛应用，对“北斗”系统的产业化同样具有积极的现实意义。

如无特殊说明，本说明书所有数学符号所表示意义均统一。

Claims (4)

1、一种基于北斗的扩频无线电救生装置，由求救、救援两部分组成的扩频电台；其特征是：求救部分由编码器、扩频模块和调制发送模块组成，待救方位置信号经过北斗接收机处理后进入编码器与时间信息内容一同转换成扩频电台的导航电文，由扩频模块扩频，通过调制发送模块将生成信号通过天线发送；救援部分由射频前端、信号处理平台及输出显示部分组成，射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号送入信号处理平台，信号处理平台对输入的信号进行解扩、解调获得待救人员的位置信息传送到输出显示模块输出。

2、一种基于北斗的扩频无线电救生装置的救生信号处理方法，其特征是：

由求救、救援两部分组成基于北斗的扩频无线电救生装置，求救部分由编码器、扩频模块和调制发送模块组成，救援部分由射频前端、信号处理平台及输出显示部分组成；

由北斗接收机接收到的待救方位置信号通过接口传入编码器，该位置信号和时间信息内容转换成扩频电台的导航电文，在扩频模块产生一组伪随机码，并将导航电文与伪随机码进行模二相加，实现扩频，将位置信息调制到扩频序列当中，通过调制发送模块将已有的扩频序列与载波进行调制并将生成信号通过天线发送；搜救接收机射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号并送入信号处理平台，信号处理平台输入的信号采用与发送信号相同的伪随机码进行解扩、解调获得待救人员的位置信息并通过相应接口将信息内容传送到输出显示模块输出待救人员位置信息。

3、根据权利要求2所述的基于北斗的扩频无线电救生装置的救生信号处理方法，其特征是：所述的实现扩频的方法为扩频电台的载波调制方式为二进制移相键控调制，载波调制信号数学模型可表示为：

其中：w₀-载波频率；

      A-信号振幅；

-信号初相。

待救方位置信号经过北斗接收机处理后以信息码{a_n}的形式进入扩频电台，其中n为信息码序列所含信息比特数；在扩频电台的发射端，该位置信息{a_n}首先经编码器编码形成具有固定格式的导航电文d(t)，其中t为时间；导航电文d(t)与由本振产生的伪码c(t)进行模二加运算，该过程即为扩频过程；扩频以后的导航电文经载波调制生成信号s(t)表示为：

4、根据权利要求2或3所述的基于北斗的扩频无线电救生装置的救生信号处理方法，其特征是：所述的搜救接收机射频前端通过对接收信号的放大、滤波提取有用信号并送入信号处理平台，信号处理平台输入的信号采用与发送信号相同的伪随机码进行解扩、解调获得待救人员的位置信息并通过相应接口将信息内容传送到输出显示模块输出待救人员位置信息的具体方法为：

获得的扩频信号首先经带通滤波器滤波，低噪声放大器放大，两次混频，由射频信号转化为中频信号，此时信号数学模型为：

$r\left(t\right)=s^{\′}(t-\mathrm{\τ})+J\left(t\right)+n\left(t\right)$

其中：s′(t-τ)-扩频电台接收端获得的期望信号；

      n(t)-信道噪声、电源热噪声等干扰信号；

      J(t)-传输信道中存在的各种干扰信号；

      τ-信号传输时延；

      w_IF-经过变频后的中频信号频率；

接收信号r(t)经过本地载波

解调和本地伪码c^*(t-τ′)解扩后可表示为：

r(t)＝w₁(t)+w₂(t)+w₃(t)

其中：

τ′-本地伪码相位差；

w′-本地载波频率；

-本地载波相位；

在r′(t)中，w₁(t)为接收机对接收有用信号的解调和解扩的结果；w₂(t)为本地伪码和载波对信道干扰作频谱扩展的结果；w₃(t)为本地伪码和载波与噪声的相乘结果；对r′(t)作基带滤波处理后可滤去w₂(t)、w₃(t)项；若扩频接收机与接收信号实现完全同步，则本地伪码相位、载波频率和相位与接收信号完全相同，即w_IF＝w′，

τ＝τ′；接收机无失真的获得发送端信息内容d(t)；该信号经译码、校验等环节，最终得到待救方发送的位置信息。

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