CN106093861A - 一种相位定位信标方法及系统 - Google Patents

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CN106093861A
CN106093861A CN201610625387.9A CN201610625387A CN106093861A CN 106093861 A CN106093861 A CN 106093861A CN 201610625387 A CN201610625387 A CN 201610625387A CN 106093861 A CN106093861 A CN 106093861A
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綦声波
田久东
于敬东
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Ocean University of China
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Qingdao Senkete Intelligent Instrument Co Ltd
Ocean University of China
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    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种相位定位信标方法及系统，所述的系统包括信标和接收器；信标包括向外发送无线电波信号的电台，控制电台工作的控制器，为控制器和电台供电的电源管理模块，此外控制器还可以控制电源管理模块是否为电台上电；接收器包括三根以上的天线，用于发出定频信号S的信号源，用于对天线接收到的无线电波信号和定频信号S进行混频处理的混频器，用于对经混频处理后的信号进行滤波处理的低通滤波器，以及用于测量时间差的测量芯片。本发明所公开的相位定位信标系统，只需要使用电台，不需要GPS模块，并且电台也是仅在使用时打开一小段时间（小于0.1S），发送一小段无线电波信号，功耗小；只需要电台，不需要GPS模块，因此仅需要一根天线，可以缩小体积。

Description

一种相位定位信标方法及系统
技术领域
本发明属于海洋探测设备回收领域，特别涉及该领域中的一种相位定位信标方法及系统。
背景技术
21世纪是海洋世纪，要开发海洋、保护海洋，首先要了解海洋。人们探测海洋从近海逐步走向深远海，其中很多海洋探测设备需要沉入海底，工作一段时间后回收研究，在设备浮出水面的过程中，由于洋流的影响，浮出水面的位置与投放的位置往往有差距，再加之海浪的影响，往往使设备难以寻找。为了提高海洋设备的回收率，探测设备上往往需要绑定信标装置，信标装置能提供其所处的位置信息（例如GPS信息），根据该位置信息，搜寻船便能很容易找到目标设备。
现有技术中有GPS和微波测距两种定位信标方法。
GPS定位信标方法的原理为：信标固定在目标探测设备上，接收器由用户控制。信标和接收器内部均配有GPS模块，均可获得当前位置的GPS坐标。当目标探测设备工作完成，从水底浮上来时，它会释放信标，信标开始工作，它会不断的搜寻GPS信号，获得GPS坐标信息，并通过电台将信标所处地点的GPS坐标发送出去。
接收器的主要任务是：（1）搜寻GPS并获得当前位置（即接收器所处位置）的GPS坐标；（2）通过电台接收信标传来的GPS坐标（即信标所处位置的坐标）。得到这两个地方的GPS坐标后，接收器会比对、解算这两个坐标，获得这两个点之间的相对方位以及距离。
该方法要求信标既安装电台又安装GPS模块，功耗大，待机时间短；因为同时需要电台和GPS，就要安装两根天线（并且天线必须安装在顶端），采用柱形耐压舱的密封方式（因工作需要，信标需随探测设备一起潜入海底，因此需要抗压密封），无疑会增大密封舱的直径（舱顶需要并排放置两个天线），导致体积大，安装不方便。
微波测距定位信标方法的原理为：信标固定在目标探测设备上，接收器由用户控制。接收器有3根（或者更多）天线，这些天线的位置固定，接收器会通过其中某根天线向信标发送无线电波，信标收到无线电波后立马再向接收器发送一段无线电波，然后接收器捕捉这段无线电波，接收器能检测出它刚发出无线电波和再次接收到无线电波之间的时差，这样就能算出这根天线与信标之间的距离。以此类推，可以获得每根天线和信标间的距离，这样通过数学方法就能解算出来接收器与信标间的方位和距离。
该方法要求信标一直处于待机状态，等待从接收器发来的信号，功耗大，长时间运行可能会有意外故障发生，稳定性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种功耗小，稳定性强的相位定位信标方法及系统。
本发明采用如下技术方案：
一种相位定位信标方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
（1）信标定时向外发送无线电波信号；
（2）在接收器天线接收到来自信标的同一束无线电波信号时，天线A,B,C,D接收到无线电波信号的频率相同但时间不同，即接收到无线电波信号的频率相同但相位不同；
（3）测量各天线接收到无线电波信号的时间差：
（31）将天线A接收到的信号A1与信号源发出的信号S相混频后得到信号A2,将信号A2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号A3，由混频原理可知信号A3的频率为信号A1与S的频率之差；
（32）将天线B接收到的信号B1与信号源发出的信号S相混频后得到信号B2,将信号B2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号B3，由混频原理可知信号B3的频率为信号B1与S的频率之差；
（33）将天线C接收到的信号C1与信号源发出的信号S相混频后得到信号C2,将信号C2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号C3，由混频原理可知信号C3的频率为信号C1与S的频率之差；
（34）将天线D接收到的信号D1与信号源发出的信号S相混频后得到信号D2,将信号D2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号D3，由混频原理可知信号D3的频率为信号D1与S的频率之差；
（35）由于信号A1,B1间的相位差与经过处理后的信号A3,B3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线A,B接收到无线电波信号的时间差；
（36）由于信号A1,C1间的相位差与经过处理后的信号A3,C3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线A,C接收到无线电波信号的时间差；
（37）由于信号C1,D1间的相位差与经过处理后的信号C3,D3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线C,D接收到无线电波信号的时间差；
（4）根据各天线接收到无线电波信号的时间差Δt，通过Δs=v*Δt，解算信标到各天线间的距离差Δs，其中v为光速；
（5）定位信标位置：
（511）因为信标到俩固定点天线A,B的距离差ΔSab固定，则信标位于一条以A,B为焦点，O1为中心的双曲线上；
（512）将双曲线简化为两条交于O1的渐近线，即以O1为端点射向A侧的两条射线和射向B侧的两条射线；
（513）根据距离差ΔSab的正负得出信标距天线A远还是距天线B远，确定信标在以O1为端点射向A侧的两条射线上还是在射向B侧的两条射线上；
（521）因为信标到俩固定点天线A,C的距离差ΔSac固定，则信标位于一条以A,C为焦点O3为中心的双曲线上；
（522）将双曲线简化为两条交于O3的渐近线，即以O3为端点射向A侧的两条射线和射向C侧的两条射线；
（523）根据距离差ΔSac的正负得出信标距天线A远还是距天线C远，确定信标在以O3为端点射向A侧的两条射线上还是在射向C侧的两条射线上；
（531）因为信标到俩固定点天线C,D的距离差ΔScd固定，则信标位于一条以C,D为焦点O2为中心的双曲线上；
（532）将双曲线简化为两条交于O2的渐近线，即以O2为端点射向C侧的两条射线和射向D侧的两条射线；
（533）根据距离差ΔScd的正负得出信标距天线C远还是距天线D远，确定信标在以O2为端点射向C侧的两条射线上还是在射向D侧的两条射线上；
（54）各确定好之射线的交点即为信标所在位置。
进一步的，步骤（54）中，在存在误差的情况下，各确定好之射线无法交于一点，此时先找到以O1,O2,O3中任意两点，例如O1,O2为端点的射线的两个交点，上述两个交点中距离O1,O2,O3中以另外一点，例如O3为端点的射线较近的点即为信标所在位置。
进一步的，步骤（1）中信标定时向外发送的无线电波信号可以是单纯的无线电波信号，也可以是携带数据的无线电波信号。
进一步的，在步骤（31）、（32）、（33）和（34）中，经滤波处理后得到的信号A3、B3、C3和D3还需要进行放大整形处理。
进一步的，在步骤（31）、（32）、（33）和（34）中，通过调节信号S的频率可以调节时间差的放大倍数。
一种相位定位信标系统，使用上述的相位定位信标方法，其改进之处在于：所述的系统包括信标和接收器；信标包括向外发送无线电波信号的电台，控制电台工作的控制器，为控制器和电台供电的电源管理模块，此外控制器还可以控制电源管理模块是否为电台上电；接收器包括三根以上的天线，用于发出定频信号S的信号源，用于对天线接收到的无线电波信号和定频信号S进行混频处理的混频器，用于对经混频处理后的信号进行滤波处理的低通滤波器，以及用于测量时间差的测量芯片。
进一步的，所述的天线为四根，接收器的左右两侧各对称设置两根。
进一步的，所述的接收器还包括对经滤波处理后的信号进行放大整形处理的放大整形器。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的相位定位信标方法，利用无线电波到不同天线的时间差来定位，不使用GPS模块有如下好处：
（1）功耗低，待机时间更长，因为GPS模块不同于电台，不能做到上电就用，GPS模块首次定位需要大约1min，后续需要持续供电，否则掉电后又需要重新等待1min才能定位，电台则不同，上电就能用，无需等待。故而电台虽然瞬时功耗大，但绝大部分时间是掉电状态，无功耗，相比之下GPS模块功耗远高于电台，因此不用GPS模块能大大降低功耗。
（2）体积小，GPS模块和电台都需要天线，并且需要安装在设备顶部。设备需要沉入海底，因此需要加密封舱，通常都是柱形密封舱。在顶端安装两个天线势必会增大密封舱直径，使体积更大。
（3）抗干扰能力强，信标独立工作，不需要接收来自接收器的信号，以一定频率发送无线电波信号，发送完毕便进入休眠状态，不仅能降低功耗，断电状态还能避免外界的无线电干扰，提高稳定性。
本发明所公开的相位定位信标系统，只需要使用电台，不需要GPS模块，并且电台也是仅在使用时打开一小段时间（小于0.1S），发送一小段无线电波信号，功耗小；只需要电台，不需要GPS模块，因此仅需要一根天线，可以缩小体积。极大的降低信标功耗以及体积，使信标简化，待机时间更长，工作更稳定，因为信标需要长时间在无人状态下工作，它的功能越简单、待机时间越长越好。
信标不需要一直待机，而是采取用时上电，不用时进入睡眠状态（所有外设均断电，只有核心区一小部分上电），等待下次工作时间到时再打开电源管理模块给电台上电；信标仅作为发送源，不接收外界任何信号，因此可以保证它的稳定性。
附图说明
图1是测量各天线接收到无线电波信号时间差的原理示意图；
图2(a)是以A,B为焦点的双曲线；
图2(b)是由图2(a)中的双曲线简化而成的两条渐近线；
图2(c)是由图2(b)中的两条渐近线简化成的射向B侧的两条射线；
图3是根据三组天线的时间差确定的信标位置；
图4是本实施例所公开的相位定位信标系统的结构示意图；
图5是本实施例所公开的信标的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种相位定位信标方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
（1）信标定时向外发送无线电波信号；
（2）在接收器天线接收到来自信标的同一束无线电波信号时，天线A,B,C,D接收到无线电波信号的频率相同但时间不同，即接收到无线电波信号的频率相同但相位不同；
（3）测量各天线接收到无线电波信号的时间差：
（31）如图1所示，将天线A接收到的信号A1与信号源发出的信号S相混频后得到信号A2,将信号A2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号A3，由混频原理可知信号A3的频率为信号A1与S的频率之差；
（32）如图1所示，将天线B接收到的信号B1与信号源发出的信号S相混频后得到信号B2,将信号B2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号B3，由混频原理可知信号B3的频率为信号B1与S的频率之差；
（33）将天线C接收到的信号C1与信号源发出的信号S相混频后得到信号C2,将信号C2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号C3，由混频原理可知信号C3的频率为信号C1与S的频率之差；
（34）将天线D接收到的信号D1与信号源发出的信号S相混频后得到信号D2,将信号D2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号D3，由混频原理可知信号D3的频率为信号D1与S的频率之差；
（35）由于信号A1,B1间的相位差与经过处理后的信号A3,B3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线A,B接收到无线电波信号的时间差；
（36）由于信号A1,C1间的相位差与经过处理后的信号A3,C3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线A,C接收到无线电波信号的时间差；
（37）由于信号C1,D1间的相位差与经过处理后的信号C3,D3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线C,D接收到无线电波信号的时间差；
（4）根据各天线接收到无线电波信号的时间差Δt，通过Δs=v*Δt，解算信标到各天线间的距离差Δs，其中v为光速；
（5）定位信标位置：
（511）因为信标到俩固定点天线A,B的距离差ΔSab固定，则信标位于一条以A,B为焦点，O1为中心的双曲线上。
根据数学理论，如图2(a)所示，一动点P（信标）到两固定点AB（天线）的距离之差固定，则P点的运动轨迹是一条双曲线。
（512）将双曲线简化为两条交于O1的渐近线，即以O1为端点射向A侧的两条射线和射向B侧的两条射线。
根据数学原理可知，如图2(b)所示，在远处双曲线可以用它的渐近线来等效代替。正好本实施例的实施环境满足此条件（百米之内肉眼可见，该定位方法主要用于定位百米之外的设备），因此可以用渐近线等效替代双曲线，这样可以减少运算量，并且对精度影响很小。
（513）根据距离差ΔSab的正负得出信标P距天线A远还是距天线B远，确定信标在以O1为端点射向A侧的两条射线上还是在射向B侧的两条射线上；
假设距离差ΔSab为正，即PA>PB，那么P在右侧，因此两条渐近线可以简化成射向B侧的两条射线，如图2(c)所示。
（521）因为信标到俩固定点天线A,C的距离差ΔSac固定，则信标位于一条以A,C为焦点O3为中心的双曲线上；
（522）将双曲线简化为两条交于O3的渐近线，即以O3为端点射向A侧的两条射线和射向C侧的两条射线；
（523）根据距离差ΔSac的正负得出信标距天线A远还是距天线C远，确定信标在以O3为端点射向A侧的两条射线上还是在射向C侧的两条射线上；
（531）因为信标到俩固定点天线C,D的距离差ΔScd固定，则信标位于一条以C,D为焦点O2为中心的双曲线上；
（532）将双曲线简化为两条交于O2的渐近线，即以O2为端点射向C侧的两条射线和射向D侧的两条射线；
（533）根据距离差ΔScd的正负得出信标距天线C远还是距天线D远，确定信标在以O2为端点射向C侧的两条射线上还是在射向D侧的两条射线上；
（54）如图3所示，各确定好之射线的交点P即为信标所在位置。
进一步的，步骤（54）中，在存在误差的情况下，各确定好之射线无法交于一点，此时先找到以O1,O2,O3中任意两点，例如O1,O2为端点的射线的两个交点，上述两个交点中距离O1,O2,O3中以另外一点，例如O3为端点的射线较近的点即为信标所在位置。
进一步的，步骤（1）中信标定时向外发送的无线电波信号可以是单纯的无线电波信号，也可以是携带数据的无线电波信号。本实施例只需要一段无线电波信号，不管这段无线电波信号上有没有数据均可以。
进一步的，在步骤（31）、（32）、（33）和（34）中，经滤波处理后得到的信号A3、B3、C3和D3还需要进行放大整形处理。
进一步的，在步骤（31）、（32）、（33）和（34）中，通过调节信号S的频率可以调节时间差的放大倍数。
把信标固定在海洋探测设备上，一旦该设备浮出水面，即可使用本实施例所公开的相位定位信标方法，信标不断向周围发射信号，这时接收器通过检查接收到的信号即可判断信标所处的方位。获得信标方位后，搜寻船便能快速找到信标，从而找到目标探测设备。
如图4所示，本实施例还公开了一种相位定位信标系统，使用上述的相位定位信标方法，所述的系统包括信标和接收器；如图5所示，信标包括向外发送无线电波信号的电台，控制电台工作的控制器，为控制器和电台供电的电源管理模块，此外控制器还可以控制电源管理模块是否为电台上电，信标定时向外发送无线电波信号，然后不需要发送信号时进入睡眠状态，降低功耗。如图1所示，接收器包括三根以上的天线，用于发出定频信号S的信号源，用于对天线接收到的无线电波信号和定频信号S进行混频处理的混频器，用于对经混频处理后的信号进行滤波处理的低通滤波器，以及用于测量时间差的测量芯片。
进一步的，所述的天线为四根，接收器的左右两侧各对称设置两根。选用四根天线是为了对称和更高的精度。
进一步的，所述的接收器还包括对经滤波处理后的信号进行放大整形处理的放大整形器。

Claims (8)

1.一种相位定位信标方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）信标定时向外发送无线电波信号；
（2）在接收器天线接收到来自信标的同一束无线电波信号时，天线A,B,C,D接收到无线电波信号的频率相同但时间不同，即接收到无线电波信号的频率相同但相位不同；
（3）测量各天线接收到无线电波信号的时间差：
（31）将天线A接收到的信号A1与信号源发出的信号S相混频后得到信号A2,将信号A2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号A3，由混频原理可知信号A3的频率为信号A1与S的频率之差；
（32）将天线B接收到的信号B1与信号源发出的信号S相混频后得到信号B2,将信号B2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号B3，由混频原理可知信号B3的频率为信号B1与S的频率之差；
（33）将天线C接收到的信号C1与信号源发出的信号S相混频后得到信号C2,将信号C2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号C3，由混频原理可知信号C3的频率为信号C1与S的频率之差；
（34）将天线D接收到的信号D1与信号源发出的信号S相混频后得到信号D2,将信号D2送入低通滤波器进行滤波处理后得到信号D3，由混频原理可知信号D3的频率为信号D1与S的频率之差；
（35）由于信号A1,B1间的相位差与经过处理后的信号A3,B3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线A,B接收到无线电波信号的时间差；
（36）由于信号A1,C1间的相位差与经过处理后的信号A3,C3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线A,C接收到无线电波信号的时间差；
（37）由于信号C1,D1间的相位差与经过处理后的信号C3,D3间的相位差不变，但频率降低，相当于放大了时间差，即可通过测量芯片测得天线C,D接收到无线电波信号的时间差；
（4）根据各天线接收到无线电波信号的时间差Δt，通过Δs=v*Δt，解算信标到各天线间的距离差Δs，其中v为光速；
（5）定位信标位置：
（511）因为信标到俩固定点天线A,B的距离差ΔSab固定，则信标位于一条以A,B为焦点，O1为中心的双曲线上；
（512）将双曲线简化为两条交于O1的渐近线，即以O1为端点射向A侧的两条射线和射向B侧的两条射线；
（513）根据距离差ΔSab的正负得出信标距天线A远还是距天线B远，确定信标在以O1为端点射向A侧的两条射线上还是在射向B侧的两条射线上；
（521）因为信标到俩固定点天线A,C的距离差ΔSac固定，则信标位于一条以A,C为焦点O3为中心的双曲线上；
（522）将双曲线简化为两条交于O3的渐近线，即以O3为端点射向A侧的两条射线和射向C侧的两条射线；
（523）根据距离差ΔSac的正负得出信标距天线A远还是距天线C远，确定信标在以O3为端点射向A侧的两条射线上还是在射向C侧的两条射线上；
（531）因为信标到俩固定点天线C,D的距离差ΔScd固定，则信标位于一条以C,D为焦点O2为中心的双曲线上；
（532）将双曲线简化为两条交于O2的渐近线，即以O2为端点射向C侧的两条射线和射向D侧的两条射线；
（533）根据距离差ΔScd的正负得出信标距天线C远还是距天线D远，确定信标在以O2为端点射向C侧的两条射线上还是在射向D侧的两条射线上；
（54）各确定好之射线的交点即为信标所在位置。
2.根据权利要求1所述的相位定位信标方法，其特征在于：步骤（54）中，在存在误差的情况下，各确定好之射线无法交于一点，此时先找到以O1,O2,O3中任意两点，例如O1,O2为端点的射线的两个交点，上述两个交点中距离O1,O2,O3中以另外一点，例如O3为端点的射线较近的点即为信标所在位置。
3.根据权利要求1所述的相位定位信标方法，其特征在于：步骤（1）中信标定时向外发送的无线电波信号可以是单纯的无线电波信号，也可以是携带数据的无线电波信号。
4.根据权利要求1所述的相位定位信标方法，其特征在于：在步骤（31）、（32）、（33）和（34）中，经滤波处理后得到的信号A3、B3、C3和D3还需要进行放大整形处理。
5.根据权利要求1所述的相位定位信标方法，其特征在于：在步骤（31）、（32）、（33）和（34）中，通过调节信号S的频率可以调节时间差的放大倍数。
6.一种相位定位信标系统，使用权利要求1所述的相位定位信标方法，其特征在于：所述的系统包括信标和接收器；信标包括向外发送无线电波信号的电台，控制电台工作的控制器，为控制器和电台供电的电源管理模块，此外控制器还可以控制电源管理模块是否为电台上电；接收器包括三根以上的天线，用于发出定频信号S的信号源，用于对天线接收到的无线电波信号和定频信号S进行混频处理的混频器，用于对经混频处理后的信号进行滤波处理的低通滤波器，以及用于测量时间差的测量芯片。
7.根据权利要求6所述的相位定位信标系统，其特征在于：所述的天线为四根，接收器的左右两侧各对称设置两根。
8.根据权利要求6所述的相位定位信标系统，其特征在于：所述的接收器还包括对经滤波处理后的信号进行放大整形处理的放大整形器。
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