CN102109593B - 九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统 - Google Patents

Abstract

本发明是九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，包括小双锥全向监测天线、九单元测向天线阵、放大器、单极子监测天线、九通道信号切换模块、滤波合路器、放大器模块、九通道接收机、监测测向控制器、DSP处理模块、嵌入式工控机、GPS天线、GPS模块、3G天线、3G路由器、电源模块、遥控单元、交换机等。优点：实现对无线电信号的远程化和自动化监测测向；内置嵌入式计算机系统，结构紧凑轻便；测向天线阵很解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间耦合和相位模糊；结构紧凑轻便，架设维护方便；组网灵活，可支持多种有线/无线网络数据安全传输；实现无线电信号的采集、压缩编码、自动任务监测、统计分析、异态报警。

Description

九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统

技术领域

本发明涉及的是一种九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，属于无线电监测技术领域。

背景技术

无线电监测测向固定站的建设需要占用大量的土地，且监测测向的范围比较有限，因此需要一些可以移动的监测站系统对整个无线电监测测向网络进行补充。此外在实践中我们发现多信号同时监测测向对无线电监测测向提出了新的挑战。例如，在无线电管理中我们经常遇到受干扰的用户通信不允许中断(如机场的通信导航频率、公众通信)，以及使用多基站发射设备(如寻呼、蜂窝公众通信网)的情况，以及在同一频率同时出现多点发射信号时，常规的测向技术难以分辨。经过研究，采用空间谱估计超分辨率测向技术，可解决同频多点发射信号的分辨和截获。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出九信道无线电监测和超分辨率测向移动站系统。提出采用九单元的宽孔径测向天线系统、九信道同频/异频接收机，运用先进的空间谱估计超分辨率测向技术和DSP数字信号处理技术，通过先进的统计算法(MUSIC多信号分类法)来实现对垂直极化波的无线电通信信号和水平极化波的无线电信号的高分辨率测向。

九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统具体功能包括：无线电信号监测测向、监测测向数据的处理和保存、实时信号分析、指挥控制功能、远程监控设备运行状况等功能。

本发明的技术解决方案：其特征是九单元测向天线阵的输出端接九通道信号切换模块的测向信号输入端对应相接；单极子监测天线的输出端接滤波合路器的第一信号输入端；小双锥全向监测天线的信号输出端接放大器的信

号输入端；放大器的信号输出端与滤波合路器的第二信号输入端相接；滤波合路器的信号输出端与九通道信号切换模块的监测信号输入端相接；九通道信号切换模块的信号输出端与放大器模块的信号输入端相接；放大器模块的信号输出端与九通道接收机的信号输入端相接；九通道接收机的自校信号输出端与九通道信号切换模块的自校信号输入端相接；九通道接收机的输出端与DSP处理模块的信号输入端相接；DSP处理模块的信号输入/输出端与嵌入式工控机的第一信号输出/输入端相接；嵌入式工控机的第一信号输出端与监测测向控制器的信号输入端相接；监测测向控制器的第一输出端与放大器模块的控制端相接；监测测向控制器的第二输出端与九通道信号切换模块的控制端相接；GPS天线的信号输出端与GPS模块的信号输入端相接；GPS模块的信号输出端与嵌入式工控机的第一信号输入相接，3G天线的信号输出端与3G路由器的信号输入端相接；3G路由器的信号输入/输出端与交换机的第一输出/输入端相接；嵌入式工控机的第二信号输入/输出端与交换机的第二信号输入/输出端相接；车头方位指示器的信号输入端与嵌入式工控机的第二信号输出端对应相接；嵌入式工控机的第三信号输入端与遥控单元的信号输出端相接，电子罗盘的信号输出端与嵌入式工控机的第二信号输入端相接；电源模块的输出端与不间断供电电源模块的输入端相接；不间断供电电源模块的输出端与遥控单元的输入端相接，交换机的第三输出/输入端与遥控单元的输入/输出端对应相接。

本发明的优点：系统实现了对无线电信号的远程化和自动化监测测向；该系统采用空间谱估计测向体制，在一定的条件下可区分由于多径引起的相干信号，故可广泛用于复杂电磁环境下的无线电测向。另外，数字跳频、扩频、跳扩频等通信技术越来越发达，跳频速度越来越快，带宽越来越宽，传统的无线电监测测向系统/设备无法对数字跳频、扩频、跳扩频信号实施有效的监测测向，而空间谱系统抗多径效应能力强、灵敏度高、监测测向速度快、精度高，可快速捕获各种数字跳频、扩频、跳扩频信号。

该系统硬件组成部分采用综合一体化设计、中频信号DSP技术和模块化组合，配置简洁实用；内置嵌入式计算机系统，结构紧凑轻便；测向天线阵很好地解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间耦合和相位模糊；监测天线将两功能放大器、滤波合路合路器、小双锥全向监测天线集成在一个天线罩内，结构紧凑轻便，架设维护方便；采用了具有放大、直通、衰减三种功能的放大器，扩大了接收信号的动态应用范围；组网灵活，可支持多种有线/无线网络数据安全传输；可实现无线电信号的采集、压缩编码、自动任务监测、统计分析、异态报警等功能。

附图说明：

附图1是本发明实施例电原理框图。

附图2是滤波合路器电原理图。

附图3不间断供电电源模块电原理框图。

附图4是遥控单元电原理框图。

附图5是九单元测向天线阵示意图。

附图6是DSP处理模块电原理框图。

附图7是九通道信号切换模块电原理图。

图中的1是小双锥全向监测天线(300-3000M)、2是九单元测向天线阵、3是放大器、4是单极子监测天线(30-300M)、5是九通道信号切换模块、6是滤波合路器、7是放大器模块、8是九通道接收机、9是监测测向控制器、10是DSP处理模块、11是嵌入式工控机、12是GPS天线、13是GPS模块、14是3G天线、15是3G路由、16是电源模块、17是不间断供电电源模块、18是遥控单元、19是交换机、20是车头方位指示器、21是电子罗盘。

具体实施方式：

对照附图1，其结构是九单元测向天线阵2的输出端接九通道信号切换模块5的测向信号输入端对应相接；单极子监测天线4的输出端接滤波合路器6的第一信号输入端；小双锥全向监测天线1的信号输出端接放大器3的信号输入端；放大器3的信号输出端与滤波合路器6的第二信号输入端相接；滤波合路器6的信号输出端与九通道信号切换模块5的监测信号输入端相接；九通道信号切换模块5的信号输出端与放大器模块7的信号输入端相接；放大器模块的信号输出端与九通道接收机8的信号输入端相接；九通道接收机8的自校信号输出端与九通道信号切换模块5的自校信号输入端相接；九通道接收机8的输出端与DSP处理模块10的信号输入端相接；DSP处理模块10的信号输入/输出端与嵌入式工控机11的第一信号输出/输入端相接；嵌入式工控机11的第一信号输出端与监测测向控制器9的信号输入端相接；监测测向控制器9的第一输出端与放大器模块7的控制端相接；监测测向控制器9的第二输出端与九通道信号切换模块5的控制端相接；GPS天线12的信号输出端与GPS模块13的信号输入端相接；GPS模块13的信号输出端与嵌入式工控机11的第一信号输入相接，3G天线14的信号输出端与3G路由器15的信号输入端相接；3G路由器15的信号输入/输出端与交换机19的第一输出/输入端相接；嵌入式工控机的第二信号输入/输出端与交换机19的第二信号输入/输出端相接；车头方位指示器20的信号输入端与嵌入式工控机11的第二信号输出端对应相接；嵌入式工控机11的第三信号输入端与遥控单元18的信号输出端相接，电子罗盘21的信号输出端与嵌入式工控机11的第二信号输入端相接；电源模块16的输出端与不间断供电电源模块17的输入端相接；不间断供电电源模块17的输出端与遥控单元18的输入端相接，交换机19的第三输出/输入端与遥控单元18的输入/输出端对应相接。

小双锥全向监测天线1，工作频率为300MHz～3000MHz，为一种在水平面内无方向性的有源双锥全向天线。尺寸为：底部直径248mm；高度318mm。输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座。

九单元测向天线阵2，共分两层(对应两个频段)，沿高度方向排列，每层均由九单元有源垂直偶极子天线组成圆型阵列。下层为A波段(20MHz～1000MHz)，阵列最大直径1.0米，单元偶极子长度0.27米；上层是B波段(1000MHz～3000MHz)，阵列最大直径0.38米，单元偶极子长度0.185米。天线阻抗为50Ω。

放大器3为两功能放大器，工作频率为30MHz～1300MHz，具有放大、直通两种功能。对来自小双锥全向监测天线的信号进行处理。它有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端。放大器由第一高频继电器、第二高频继电器、放大电路和电源组成，高频继电器(型号RF303-12)、放大器中的放大管(型号ERA-51SM)。+12V电源分别加到第一高频继电器和第二高频继电器上。当第一高频继电器加电，而第二高频继电器不加电时，输入信号经放大电路后得到线性放大，再经第二高频继电器的直通部分输出。即为“放大”。当第一高频继电器和第二高频继电器都不加电时，输入信号经第一高频继电器和第二高频继电器的直通部分输出。即为“直通”。故该放大器具有“直通、放大两功能。

有源单极子监测天线4，工作频率为20MHz～300MHz，输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座。

九通道信号切换模块5，工作频率为30MHz～3000MHz，对来自九单元测向天线阵的测向信号、滤波合路器的监测信号进行处理。由自校功分电路、切换电路组成。它有2组测向信号输入端，每组有9个接口，分别与九单元测向天线阵2的2层天线对应相接；有9个输出接口，与九通道接收机8的九个输入接口对应相接；有1个自校信号输入接口，与九通道接收机8的自校信号输出接口对应相接；有1个监测信号输入接口，与滤波合路器的输出端对应相接；有1个控制接口，与监测测向控制器的9的第二输出端相接，用来进行各路信号的切换。对照图6，其工作原理是测向时，V1、V4上电，二极管D1～D3、D7～D9导通，自校信号从信号输出端输出，V2、V4上电时。二极管D4～D9导通，测向信号从信号输出端输出；监测时，V3、V4上电，二极管D7～D12导通，监测信号从信号输出端输出。

滤波合路器6，工作频率为30MHz～3000MHz，对来自放大器和单极子监测天线的信号进行处理，它有两个接口，分别接放大器的输出端和单极子天线的输出端，所处理的信号范围为300MHz～3000MHz和30MHz～300MHz两段信号，每段信号分别加上低通和高通滤波器，使其两段信号互不影响，之后从合路器的输出端输出。

放大器模块7，包括五个宽频带低噪声三功能放大器，工作频率为30MHz～3000MHz，具有放大、直通、衰减三种功能，在使用中根据实际需要由软件设定。分别对来自相位处理器模块9路信号进行处理。它们各有1个控制/供电端、1个输入端、1个输出端。放大器由A高频继电器、B高频继电器、放大电路、衰减电路和电源组成，高频继电器(型号RF303-12)、放大器中的放大管(型号ERA-51SM)。+12V电源受软件控制分别加到A高频继电器和B高频继电器上。当A高频继电器加电，而B高频继电器不加电时，输入信号经放大电路后得到线性放大，再经B高频继电器的直通部分输出。即为“放大”。当A高频继电器不加电，而B高频继电器加电时，输入信号经A高频继电器的直通部分后到达B高频继电器的衰减电路，经衰减后输出。即为“衰减”。当A高频继电器和B高频继电器都不加电时，输入信号经A高频继电器和B高频继电器的直通部分输出。即为“直通”。故该放大器具有“直通、放大、衰减”三功能。

九通道接收机8，对测向天线阵所接收到的空中无线电信号进行变频输出数字中频信号，再送到DSP模块10处理。它由九个板卡式接收机组成，采用PCI总线结构和模块化设计，一块板卡就是一个接收信道，板卡插在PCI插槽的标准机箱内，用压条固定。当系统在测向时，九信道接收机同时工作，共用同一本振源，相位一致性好，保证了空间谱估计超分辨率测向系统的高精度。而当系统不测向时，又可通过软件自动切换到监测测量，用作对来自监测测向天线阵的信号进行多信道分别处理，适应不同频域、调制域、时域的监测测量，真正做到一机两用，充分利用资源。

监测测向控制9，(型号为DFC 050L)是系统各部分控制驱动单元和直流供电单元。处理模块通过并口与计算机系统通讯，接受计算机系统的控制指令，实施对有关单元的控制，使系统按着软件程序对无线电信号进行监测和测向。

DSP处理模块10，对来自九通道接收机8的数字中频信号进行处理，包括采样、解调、解码以及A/D变换等，输出包括信号频率、幅度、频偏、调制度、带宽、电平等信息至嵌入式工控机11进行处理。其主要是由通道数字化处理部分、同步采样时钟信号发生单板、背板组成。其中通道数字化处理部分包括9个通道处理单板及一个同步采样时钟发生板，主要功能是提供9通道的同步采样时钟、数据预处理及数据的存储发送；背板是通信数字化处理部分各单板的母板，负责对各个通道数据进行帧处理、与计算机进行数据交换。

嵌入式工控11，为工业控制计算机(ADVANTECH IPC-610)，它具有运行速度快、容量大、稳定可靠、可扩展、抗震性能好等特点。其作为应用软件的载体，除了执行程序(包括存储、打印)外，还对大量的数据、音频、视频等进行处理，它通过对从天线阵元接收到的大量数据信息进行处理，采用先进的统计算法——多重信号分类(MUSIC)算法，从而得出信号的方位。在空间谱估计超分辨率测向中，测量所有可能天线阵元接收到的信号电压，生产测量协方差矩阵R，该矩阵用于分辨接收信号中的同信道分量。MUSIC算法的过程为先计算协方差矩阵R，对R进行特征分解求出其特征值和特征向量。根据特征值可以确定信号源的数量，利用由特征向量组成的信号子空间和噪声子空间的正交关系，对两个子空间进行适当的处理，确定无线电信号的来波方向。超分辨率测向使用内插方位值来计算多个方位角，该值根据与测量协方差矩阵R生产的信号子空间最匹配的方位校准矢量生成。

GPS模块13即全球定位系统(Global Positioning System)，它是由空间卫星、地面监控和用户设备三部分组成的，广泛地应用于各类导航定位系统中。GPS接收机是一个接收GPS卫星信号并实时计算出所处位置坐标的设备。GPS用于移动监测站中，其用途是随时确定移动车的地理位置(经、纬度)，并把数据提供给计算机。在电子地图上实时显示当前位置，同时为显示测向方位和交叉定位提供数据。

本系统采用美国GARMIN公司的GPS 12XL(美洲豹)GPS接收机。GPS 12XL采用并行12通道接收体制，灵敏度高。

电源模块16，将AC220V市电输入转为DC28V输出，为系统提供电源。

不间断供电电源模块17，由不间断供电电源板、锂电池组成，其主要功能是当220V市电断电的情况下，进行市电和锂电池供电的无隙切换；另外，在锂电池电量不足的情况下自动充电。它有一个输入端，一个输出端。

遥控单元18，其功能包括远程控制设备电源的通断、设备工作状态监控、工作环境的监测、电源电压的监测、计算机重启等功能。对照附图1，遥控单元由控制模块、反馈模块、通讯模块、监测模块、数据采集模块、电源模块及MCU单元几部分组成。MCU单元选用89C51单片机和I/O扩展芯片8255组成；控制模块由光耦、三极管、继电器组成，MCU单元的相应管脚输出高低电平来控制控制模块中的光耦、三极管使继电器工作在接通和断开的状态，实现控制功能。反馈模块与控制模块相接，由继电器、光耦、二极管组成，反馈模块中的继电器控的输出回路接MCU单元的对应管脚及地，输入回路接控制模块的继电器，其工作状态随控制模块中的继电器的工作状态变化而变化，MCU单元随着反馈模块中的继电器工作状态的不同，向上位机软件发送不同的数据，从而达到数据及工作状态监控的目的。通讯模块由周立功串口转网口模块组成，型号为ZNE-100PT，主要功能是将单片机串口转为网口，以供单片机和上位机操作软件进行通信。监测模块由SHT11温湿度监测探头和89C2051单片机组成，主要用来对温度、湿度进行监测。数据采集模块由AD采集芯片AD1674及外围电路，主要功能是在MCU的控制下，进行工作电压的采集。电源模块采用DC28V转DC12V、DC-12V、DC5V的开关电源组成，提供遥控单元所需的电源。

车头方位指示器20是在液晶显示屏上实时显示相对于车头的信号方位，以便驾驶员及时掌握信号出现的方向，为快速查找信号提供便利。它通过串口与PC机相连。

电子罗盘21是为移动监测站提供实时的参考方位数据，并把数据传输给计算机。本系统采用美国KVH公司的C100型电子罗盘。

Claims (6)

1.九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，其特征是九单元测向天线阵的输出端与九通道信号切换模块的测向信号输入端对应相接；有源单极子监测天线的输出端接滤波合路器的第一信号输入端；小双锥全向监测天线的信号输出端接放大器的信号输入端；放大器的信号输出端与滤波合路器的第二信号输入端相接；滤波合路器的信号输出端与九通道信号切换模块的监测信号输入端相接；九通道信号切换模块的信号输出端与放大器模块的信号输入端相接；放大器模块的信号输出端与九通道接收机的信号输入端相接；九通道接收机的自校信号输出端与九通道信号切换模块的自校信号输入端相接；九通道接收机的信号输出端与DSP处理模块的信号输入端相接；DSP处理模块的信号输入/输出端与嵌入式工控机的第一信号输出/输入端相接；嵌入式工控机的第一信号输出端与监测测向控制器的信号输入端相接；监测测向控制器的第一输出端与放大器模块的控制端相接；监测测向控制器的第二输出端与九通道信号切换模块的控制端相接；GPS天线的信号输出端与GPS模块的信号输入端相接；GPS模块的信号输出端与嵌入式工控机的第一信号输入端相接，3G天线的信号输出端与3G路由器的信号输入端相接；3G路由器的信号输入/输出端与交换机的第一输出/输入端相接；嵌入式工控机的第二信号输入/输出端与交换机的第二信号输入/输出端相接；车头方位指示器的信号输入端与嵌入式工控机的第二信号输出端对应相接；嵌入式工控机的第三信号输入端与遥控单元的信号输出端相接，电子罗盘的信号输出端与嵌入式工控机的第二信号输入端相接；电源模块的输出端与不间断供电电源模块的输入端相接；不间断供电电源模块的输出端与遥控单元的输入端相接，交换机的第三输出/输入端与遥控单元的输入/输出端对应相接。

2.根据权利要求1所述的九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，其特征是小双锥全向监测天线，工作频率为300MHz～3000MHz，为一种在水平面内无方向性的有源双锥全向天线，尺寸为：底部直径248mm；高度318mm，输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座。 

3.根据权利要求1所述的九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，其特征是九单元测向天线阵，共分两层，对应两个频段，沿高度方向排列，每层均由九单元有源垂直偶极子天线组成圆型阵列，下层为A波段20MHz～1000MHz，阵列最大直径1.0米，单元偶极子长度0.27米；上层是B波段1000MHz～3000MHz，阵列最大直径0.38米，单元偶极子长度0.185米，天线阻抗为50Ω。

4.根据权利要求1所述的九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，其特征是有源单极子监测天线，工作频率为20MHz～300MHz，输入阻抗：50Ω，接口型式为N型插座。

5.根据权利要求1所述的九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，其特征是九通道信号切换模块，工作频率为30MHz～3000MHz，对来自九单元测向天线阵的测向信号、滤波合路器的监测信号进行处理，有2组测向信号输入端，每组有9个接口，分别与九单元测向天线阵的2层天线对应相接；有9个输出接口，与九通道接收机的九个输入接口对应；有1个自校信号输入端，与九通道接收机的自校信号输出端对应相接；有1个监测信号输入端，与滤波合路器的信号输出端对应相接；有1个控制端，与监测测向控制器的第二输出端相接，用来进行各路信号的切换。

6.根据权利要求1所述的九信道空间谱估计超分辨率监测测向移动站系统，其特征是滤波合路器，工作频率为30MHz～3000MHz，对来自放大器和单极子监测天线的信号进行处理，它有两个接口，分别接放大器的信号输出端和有源单极子监测天线的输出端，所处理的信号范围为300MHz～3000MHz和30MHz～300MHz两段信号，每段信号分别加上低通和高通滤波器，使两段信号互不影响，之后从合路器的输出端输出。 

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