CN102508199A

CN102508199A - 一种基于无线电鉴相技术的定位方法

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Publication number: CN102508199A
Application number: CN2011103617955A
Authority: CN
Inventors: 萧英喆; 萧宝瑾; 吴双娥; 王丽娟; 宋成明; 贺康; 于丽君
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2011-11-12
Filing date: 2011-11-12
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种基于无线电鉴相技术的定位方法，属于无线电技术领域，涉及一种基于无线电鉴相技术的厘米级定位方法，该方法是利用无线电波产生的相位差来确定目标的位置。本发明将调制、解调技术和倍频、分频技术用于无线电波的发射和接收设备中，它与现有的定位技术相比，在保证原有定位精度的基础上使系统得到了简化，降低了系统造价，提高了系统的可靠性。本发明可在半径为0～144m的定位区间内使定位误差≤1cm，适用于各种运动目标或静止目标的位置监测。

Description

一种基于无线电鉴相技术的定位方法

技术领域

本发明一种基于无线电鉴相技术的定位方法，属于无线电技术领域，涉及一种基于无线电鉴相技术的厘米级定位方法，确切地讲，就是将无线电鉴相技术应用于运动目标或静止目标定位的方法。

背景技术

目前的卫星定位和雷达定位具有定位范围广的特点，但精度很难达到厘米级。利用GPS和RTK技术的发明专利有“一种机动车行驶精确定位方法”，专利号为“CN 101477745A”，虽然能够实现厘米级定位，但费用很高。目前用于炼焦厂机车定位的γ射线定位方法和编码电缆定位方法精度都能达到厘米级，但安装及维修费用都很高。此外，γ射线具有放射性，对保护装置的要求较高，难以普及。在100m半径内定位的“高精度局部无线定位系统”，专利号为“CN101782643A”，该系统的中心处理模块包括10个鉴相器，一个带有10路A/D转换器的微处理器MCU，一片实现数字调制解调功能的FPGA芯片，该系统是对无线电信号解调后鉴相，精度为50cm，系统复杂度高。“一种无线电通讯、测距及区域定位系统”，专利号为“CN 1339879A”，该系统利用无线电信号解调后鉴相，定位谱线的位置在20kHz～200kHz之间，定位精度为1.4m。综上所述，在目前的定位技术中，能够实现厘米级定位的系统造价高，而造价低的系统，精度达不到厘米级。

发明内容

本发明一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其目的在于，为了克服上述现有技术的缺点，从而公开一种采用倍频技术以减少天线数目和防止干扰、使系统结构简单、可靠性高、定位精度达到厘米级和可对载波信号进行鉴相的基于无线电鉴相技术的定位方法的技术方案。

本发明一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于是一种采用倍频技术以减少天线数目和防止干扰、使系统结构简单、可靠性高、定位精度达到厘米级和可对载波信号进行鉴相的定位方法，该方法采用同时发出基频和倍频无线电波的两个或两个以上的无线电发射机，被测目标上装有接收天线和接收设备，对接收到的无线电信号进行处理和相位比较，并利用相位差确定目标的位置，其无线电发射机采用两个晶体振荡器分别产生频率f_H和f_L的两个振荡信号s₁(t)和m(t)，其中f_H＝18f_L，并将m(t)调制到s₁(t)上得到调幅波s_P(t)，再经功率放大后用天线T_P发送出去，安装在被测目标上的接收天线和接收设备将接收到的信号进行解调得到信号m(t)，并对载波进行限幅放大得到信号s₁(t)，然后分别送往鉴相f和鉴相e。

上述一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于无线发射和接收设备中，分别采用倍频技术和分频技术，发射设备首先产生信号s₁(t)，再经2倍频得到频率为2f_H的信号s₂(t)，然后将m(t)分别调制到s₁(t)和s₂(t)上得到信号s_P(t)和s_Q(t)，用天线T_P和T_Q发送出去，T_P和T_Q分别置于被测范围的两侧，接收设备将收到的信号s_P(t)放大后送到鉴相e的一个输入端，并将收到的信号s_Q(t)放大后经2分频再送到鉴相e的另一个输入端，两路信号通过鉴相器输出一个与相位差成线性关系的电压。

上述一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于所述的接收设备中利用温顿天线接收信号a_P(t)和s_Q(t)。

上述一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于所述的被测目标包括运动目标或静止目标，对运动目标或静止目标进行N维定位，其中N＝1，2，3，方法是在定位范围外侧安装N+1套无线电发射设备，在被测目标上安装N+1套无线电接收设备和N套鉴相电路，定位区间的半径为0～144m，定位误差≤1cm。

本发明一种基于无线电鉴相技术的定位方法，与现有的定位方法相比，具有定位精度高、费用低、便于安装和维修等优点。在保证定位精度的基础上使系统得到了简化，缩短了天线的长度，减少了天线的数量，并克服了各路信号之间的干扰。

附图说明

图1是无线电鉴相定位系统原理框图

图2是无线电鉴相定位发送设备与接收设备框图

图3是温顿天线示意图，图中①、②为馈电端点

图4是4：1巴伦示意图

图5是无线电鉴相技术的2维定位系统示意图

图6是无线电鉴相技术的3维定位系统示意图

具体实施方式：

实施方式1无线电鉴相技术在1维定位系统中的应用

设线段

延线

即

在P、Q点各设置一个发射塔，分别发射无线电信号s_P(t)和s_Q(t)。便可对

上的运动目标或静止目标进行1维定位，绝对误差不超过1cm。

具体实现步骤如下：

I整体结构

如图1所示，设被测目标的运动轨迹为线段在

的延线上分别取点P和点Q，使

在P、Q点各设置一个发射塔，分别发射无线电信号s_P(t)和s_Q(t)。

无线电鉴相定位发送设备与接收设备框图见附图2。

II细定位

现有鉴相器的分辨力可达到1°，为使定位精度达到1cm，可取载波波长λ_H＝3.6m。由于光速c＝299792458±1m/s，所以载波频率f_H＝c/λ_H＝83 275 683Hz≈83.3MHz。

设

中点为O，当被测目标处于O点时，x＝0，

当被测目标沿

右移λ_H/360＝1cm时，使

相位差

由于鉴相器的分辨力可达到1°，因此单从鉴相器的分辨力来说，定位精度可达0.5cm。但考虑到其它误差，所以本系统的定位精度约为1cm。为保证定位精度，f_H由晶体振荡器产生，晶体振荡器的精度可以达到10^-5，由它所产生的定位误差可以控制在0.5cm以下。

III粗定位

被测目标上的接收设备将接收到的s_P(t)送往鉴相e的一个输入端，将接收到的s_Q(t)分频后送往鉴相e的另一个输入端，鉴相后得到输出电压

u(x)是被测目标位置x的周期性线性函数，周期为1.8m。为了确定被测目标处在第几个周期，可令

m_P(t)＝cos[2πf_Lt+ψ_P(x)]，m_Q(t)＝cos[2πf_Lt+ψ_Q(x)]

其中f_L＝f_H/180＝462963Hz≈463kHz。

利用图2中的解调c和解调d分别对s_P(t)和s_Q(t)解调得到m_P(t)和m_Q(t)，再将它们送往鉴相f，鉴相后得到输出电压

v(x)＝v(Δψ)＝v[ψ_P(x)-ψ_Q(x)]

当被测目标处于O点时，x＝0，ψ_P(0)＝ψ_Q(0)＝0°。由于λ_L＝c/f_L＝648m，当被测目标沿

移动λ_L/360＝1.8m时，使ψ_P(1)＝1°，ψ_Q(1)＝-1°，相位差Δψ＝ψ_P(x)-ψ_Q(x)＝2°，因此鉴相f的分辨力为0.9m，相当于u(x)的半个周期，可用来确定u(x)处于第几个周期。将u(x)和v(x)综合处理，便可唯一确定被测目标的位置x。

IV接收天线

接收天线采用温顿天线，它是一种偏中心馈电的偶极天线，可以良好地工作在基波和偶次谐波上，而不必使用天调。如附图3所示，当信号波厂λ_H＝3.6m时，温顿天线的总长度为1.8m，其馈电端点①、②到天线两端的距离分别为0.6m和1.2m。接收信号经4∶1巴伦实现阻抗匹配，再通过50Ω的同轴电缆送到接收电路，如附图4所示。

实施方式2无线电鉴相技术在2维定位系统中的应用

在实施方式1的基础上，设点R与P、Q构成一个等边三角形如图5所示。相应地在点R处增加一套发送设备，在P、Q、R三点处分别设置发射塔，在原有发射信号的基础上，再增加发射信号

并令m_R(t)＝cos[2πf_Lt+ψ_R(x)]，在被测目标上增加接收设备。在接收电路中增加一套鉴相电路，鉴相后得到输出电压

v(x)＝v(Δψ)＝v[ψ_P(x)-ψ_Q(x)]，z(x)＝z(Δψ)＝z[ψ_P(x)-ψ_R(x)]

其中u(x)、w(x)用于细定位，v(x)、z(x)用于粗定位，可以确定2维空间中的目标位置。其它操作同实施方式1。

实施方式3无线电鉴相技术在3维定位系统中的应用

在实施方式2的基础上，设点S与R、P、Q构成一个正四面体如图6所示。相应地再增加一套发送设备和接收设备，便可以确定3维空间中的目标位置。其它同实施方式2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，利用本发明提出的原理和方法，可以对本发明做出若干改进，这些改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于是一种采用倍频技术以减少天线数目和防止干扰、使系统结构简单、可靠性高、定位精度达到厘米级和可对载波信号进行鉴相的定位方法，该方法采用同时发出基频和倍频无线电波的两个或两个以上的无线电发射机，被测目标上装有接收天线和接收设备，对接收到的无线电信号进行处理和相位比较，并利用相位差确定目标的位置，其无线电发射机采用两个晶体振荡器分别产生频率为f_H和f_L的两个振荡信号s₁(t)和m(t)，其中f_H＝180f_L，并将m(t)调制到s₁(t)上得到调幅波s_P(t)，再经功率放大后用天线T_P发送出去，安装在被测目标上的接收天线和接收设备将接收到的信号进行解调得到信号m(t)，并对载波进行限幅放大得到信号s₁(t)，然后分别送往鉴相f和鉴相e。

2.按照权利要求1所述一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于无线发射和接收设备中，分别采用倍频技术和分频技术，发射设备首先产生信号s₁(t)，再经2倍频得到频率为2f_H的信号s₂(t)，然后将m(t)分别调制到s₁(t)和s₂(t)上得到信号s_P(t)和s_Q(t)，用天线T_P和T_Q发送出去，T_P和T_Q分别置于被测范围的两侧，接收设备将收到的信号s_P(t)放大后送到鉴相e的一个输入端，并将收到的信号s_Q(t)放大后经2分频再送到鉴相e的另一个输入端，两路信号通过鉴相器输出一个与相位差有线性关系的电压。

3.按照权利要求1所述一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于所述的接收设备中利用温顿天线接收信号s_P(t)和s_Q(t)。

4.按照权利要求1所述一种基于无线电鉴相技术的定位方法，其特征在于所述的被测目标包括运动目标或静止目标，对运动目标和静止目标进行N维定位，其中N＝1，2，3，方法是在定位范围外侧安装N+1套无线电发射设备，在被测目标上安装N+1套无线电接收设备和N套鉴相电路，定位区间的半径为0～144m，定位误差≤1cm。