CN109946717A - 一种无线跟踪系统及跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线跟踪系统，包括目标发射模块和地面站接收模块，地面站接收模块包括跟踪平板天线、目标接收射频收发模块以及目标接收基带模块；跟踪平板天线与目标接收射频收发模块之间用和通道以及差通道通信；目标接收射频收发模块和目标接收基带模块之间采用和通道以及差通道通信；目标接收基带模块连接有显示器和伺服控制模块，伺服控制模块连接伺服电机；地面站接收模块还连接有上位机，地面站接收模块与上位机双向通信；本发明能规避通用频段的干扰；设定不同带宽，有效抑制带外噪声；利用通信数据完成目标跟踪，通过算法补偿天线方向图带来的偏差，提高跟踪精度；使用一套设备实现数据传输完成目标跟踪，降低成本，提高系统的性能。

Description

一种无线跟踪系统及跟踪方法

技术领域

本发明属于数据通信领域，具体涉及一种无线跟踪系统及跟踪方法。

背景技术

目前，在市场上常见的无线跟踪设备主要使用GPS、蓝牙和wifi技术来实现目标的无线跟踪。由于这些技术使用的都是公用频段，在外部环境使用中容易导致有用信号被干扰，数据传输出现错误，系统的可靠性和稳定性大幅下降；现有的基于GPS的自跟踪设备，在跟踪的时候需要传输GPS信息，占用了有效传输带宽；GPS通信要求天线方向图理想，如果天线方向图有偏差时，测量结果就会存在一定的偏差，而且这个偏差不能消除；同时，目前的无线跟踪设备只能完成目标跟踪，不能在跟踪的同时实现高清视频图像和控制指令的传输。

因此在无线跟踪系统中，如何提高系统的可靠性和改进系统的功能，成为当前无线跟踪系统面临的主要问题。

发明内容

为了解决了现有技术中存在的问题，本发明提供一种无线跟踪系统及跟踪方法，该系统在完成数据通信的同时利用通信数据实现高可靠性、强抗干扰和高跟踪精度的无线跟踪功能，解决了现有技术的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种无线跟踪系统，包括目标发射模块、地面站接收模块以及伺服系统，伺服系统包括伺服控制模块和伺服电机；

地面站接收模块包括跟踪平板天线、目标接收射频收发模块以及目标接收基带模块；跟踪平板天线与目标接收射频收发模块连接，跟踪平板天线与目标接收射频收发模块之间设置和通道以及差通道；目标接收射频收发模块和目标接收基带模块连接，目标接收射频收发模块和目标接收基带模块之间设置和通道以及差通道；

目标接收射频收发模块用于接收跟踪平板天线的信号并传送至目标接收基带模块，并将目标接收基带模块处理后的信号发送至跟踪平板天线；

目标接收基带模块连接有显示器和伺服控制模块，伺服控制模块连接伺服电机；地面站接收模块还连接有上位机，地面站接收模块与上位机双向通信；

目标接收基带模块用于将接收到指令、信号以及数据进行拆包和解码处理并输出，同时将上位机的控制指令进行处理发送至伺服系统以及目标接收射频收发模块。

目标发射模块包括目标天线、目标射频收发模块以及目标基带模块；目标射频收发模块连接目标基带模块；目标基带模块连接SDI摄像头，SDI摄像头获得图像信息，并将其传送至目标基带模块；目标基带模块用于设置通信频段、带宽和采样率，同时将高清视频和控制指令信号进行压缩编码并调制后发送至目标射频收发模块；

目标射频模块用于接收目标天线接收到的信息并将其发送至目标基带模块，还用与将目标基带模块的信号发送至目标天线。

目标基带模块采用AD9361芯片连接FPGA芯片连接架构，目标接收基带模块采用AD9268芯片连接FPGA芯片的架构，FPGA芯片采用Z7系列芯片。

目标发射模块包括FPGA芯片、AD9361芯片、时钟电路、电源电路、DDR模块、RS422电路和SDI电路；RS422模块RS422_RX管脚连接到FPGA的AJ16管脚，RS422_TX管脚连接到FPGA的AK16管脚；SDI模块SDI_P管脚连接到FPGA的AH10管脚，SDI_N管脚连接到FPGA的AH9管脚；DDR模块DDR_D[31：0]管脚和DDR_A[15：0]管脚连接到FPGA的D2O上；时钟电路连接到FPGA芯片的AG17管脚；AD9361芯片P0[11:0]管脚和P1[11:0]管脚连接到FPGA芯片的D2H上。

目标接收基带模块包括FPGA芯片、AD9268芯片、时钟电路、电源电路、DDR模块、RS422电路和SDI电路，RS422模块RS422_RX管脚连接到FPGA的AA14管脚，RS422_TX管脚连接到FPGA的AD18管脚；SDI模块SDI_P管脚连接到FPGA的AK10管脚，SDI_N管脚连接到FPGA的AK9管脚；DDR模块DDR_D[31：0]管脚和DDR_A[15：0]管脚连接到FPGA的D12O上；时钟电路连接到FPGA的AE22管脚；AD9268芯片P0[11:0]管脚和P1[11:0]管脚连接到FPGA的D12N上。

目标天线采用全向天线，跟踪平板天线采用具有和通道以及差通道输出的定向平板天线；伺服电机采用航插与地面站接收模块连接通信，航插的型号为F105T03J102-130。

一种无线跟踪系统的跟踪方法，首先，使用手动模式或随动模式使得地面定向天线指向目标位置；

进入跟踪模式，进入跟踪模式后通过通信数据实时更新地面定向天线的角度偏差，使得地面站处于跟踪状态，并判断通信是否中断，根据判断结果确定继续跟踪模式或者更新扇扫中心角；

进入扇扫模式，伺服系统以更新后的扇扫中心角为当前扇扫中心角，以设定的扫描范围进行扫描，在扫描过程中通信正常后，伺服系统立即运动到成功通信时刻伺服的位置，控制地面站接收模块进入跟踪模式，如果在扇扫过程中通信系统一直通信中断，那么伺服将一直扇扫下去，此时使用手动模式或者随动模式调整伺服扫描中心角和扫描范围来实现通信和跟踪。

跟踪模式下如果通信中断，在设定的时间内通信没有恢复伺服系统将通信中断的位置默认设置成扇扫中心角进入扇扫模式，在扇扫过程中通信恢复正常时，则自动进入跟踪模式。

系统通信正常的情况下，每隔40ms，FPGA芯片的PL端会根据通信的有无会给PS端发送通信中断标志；在设定时间内没有收到通信中断标志信号，系统则认为通信中断。

地面站接收模块中，跟踪平板天线和目标接收射频收发模块之间，以及目标接收射频收发模块与目标接收基带模块之间均采用和通道与差通道进行数据传输。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明可用于一切需要远距离目标跟踪和实时高清视频图像传输的场合，本发明可以通过设置工作频段，规避通用频段的干扰；设定不同带宽，可以有效抑制带外噪声；利用通信数据完成目标跟踪，提高了频带的利用率；通过算法补偿天线方向图带来的偏差，提高了跟踪精度；在硬件上使用一套设备实现数据传输完成目标跟踪，降低了成本，提高了系统的性能。

在硬件设计上，地面站接收模块使用FPGA芯片连接AD9361芯片的架构；其中，AD9361芯片的频段可定制，能够规避通用频段，而且AD9361芯片能够设定不同带宽，从而抑制带外噪声，拥有更优异的发射和接收特性；AD9631芯片能够设定不同的采样率，完成高倍采样，因此信号在信道传输上抗干扰能力得到大幅度提高，不会受到2.4G公用频段干扰，大幅度提高设备的稳定性和可靠性；无线跟踪使用通信数据进行目标的跟踪，提高了通信效率，节约了传输带宽；在硬件上，利用一套通信设备的通信数据就可以实现高可靠性、抗干扰的无线跟踪功能，节约了硬件成本；FPGA芯片使用的是Z7系列芯片，PL部分实现了数据链路层的设计，PS实现了数据处理和控制算法的实现。

附图说明

图1为本发明系统连接图；

图2为本发明地面站设备内部连接图；

图3为本发明机载设备内部连接图；

图4为伺服控制流程图；

图5为目标发射模块硬件连接关系示意图；

图6为地面站接收模块硬件连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述。

在硬件设计上，地面站接收模块使用FPGA芯片连接AD9361芯片的架构；AD9361芯片的频段可定制，能够规避通用频段；AD9361芯片能够设定不同带宽，从而抑制带外噪声，拥有更优异的发射和接收特性；AD9631芯片能够设定不同的采样率，能够完成高倍采样，因此信号在信道传输上抗干扰能力得到大幅度提高，不会受到公用频段干扰，大幅度提高设备的稳定性和可靠性；本发明使用通信有效数据进行目标跟踪，提高了通信效率，节约了传输带宽；

利用定向平板天线和通道与差通道输出的信号来控制跟踪目标，这样可以实时修正由于天线方向图可能存在的误差而带来的跟踪偏差，提高了跟踪精度；在硬件上，利用一套通信设备在完成数据通信，同时利用通信数据实现高可靠性、强抗干扰和高跟踪精度的无线跟踪功能，节约了产品成本，FPGA芯片使用的是Z7系列芯片，PL部分实现了数据链路层的设计，PS实现了数据处理和跟踪控制的实现。

如图1～图3所示，一种无线跟踪系统，包括目标发射模块、地面站接收模块以及伺服系统，伺服系统包括伺服控制模块以及伺服电机；目标发射模块包括目标天线、目标射频收发模块以及目标基带模块，目标天线与目标射频收发模块连接，相互传输高频信号；目标射频收发模块连接与目标基带模块连接，相互传输高频信号；目标基带模块连接SDI摄像头，SDI摄像头获取图像信息并传输至目标基带模块；

地面站接收模块包括跟踪平板天线、目标接收射频收发模块以及目标接收基带模块；跟踪平板天线与目标接收射频收发模块连接，跟踪平板天线与目标接收射频收发模块之间设置有和通道和差通道；目标接收射频收发模块和目标接收基带模块连接，目标接收射频收发模块和目标接收基带模块之间设置和通道和差通道；地面站接收模块连接有显示器和伺服控制模块，伺服控制模块连接伺服电机；地面站接收模块还连接有上位机，地面站接收模块与上位机双向通信。

目标天线采用全向天线，跟踪平板天线采用具有和差通道输出的定向平板天线；目标发射模块采用AD9361芯片连接FPGA芯片的架构，目标发射模块进行通信频段、带宽和采样率的设置，对高清视频信号进行压缩编码；地面站接收模块采用AD9268芯片连接FPGA芯片的架构，地面站接收模块进行通信频段、带宽和采样率的设置，通过SDI接口和串口分别输出高清视频图像和数传数据。

FPGA芯片采用Z7系列芯片，PL部分完成数据链路层的设计，PS完成跟踪算法和系统控制任务。

伺服电机采用航插与地面站接收模块连接通信，航插的型号为F105T03J102-130。

无线跟踪系统包括目标天线、目标发射模块、跟踪平板天线、地面站接收模块、伺服控制模块和伺服电机。

目标天线采用全向天线，完成目标发射模块信号的发射。

如图2、图5和表1所示，目标发射模块将接收到的地面站信号进行下变频、解调和解码；同时将高清视频和控制指令信号进行压缩编码、调制并发射出去；目标发射模块包括FPGA芯片、AD9361芯片、时钟电路、电源电路、DDR模块、RS422电路和SDI电路，其连接关系如图5所示。

表1目标发射模块硬件及其功能

RS422模块RS422_RX管脚连接到FPGA的AJ16管脚，RS422_TX管脚连接到FPGA的AK16管脚；SDI模块SDI_P管脚连接到FPGA的AH10管脚，SDI_N管脚连接到FPGA的AH9管脚；DDR模块DDR_D[31：0]管脚和DDR_A[15：0]管脚连接到FPGA的D2O上；时钟电路连接到FPGA芯片的AG17管脚；AD9361芯片P0[11:0]管脚和P1[11:0]管脚连接到FPGA芯片的D2H上；

目标发射模块中，SDI摄像头将图像数据送入SDI电路，SDI电路将处理后的图像数据送入FPGA芯片，FPGA芯片将接收的图像数据缓存在DDR模块中，FPGA芯片将DDR模块中缓存的图像数据读出并进行编码处理；串口数据通过RS422电路进入FPGA芯片，FPGA芯片最后将编码的图像数据和串口数据进行组包并通过AD9361芯片发射出去。

跟踪平板天线采用定向天线，接受目标发射模块发送的信号，实现跟踪功能。

如图3、图6和表2所示，地面站接收模块接收指令信号进行下变频、解调和解码；将高清视频和控制指令输出；硬件电路包括FPGA芯片、AD9268芯片、时钟电路、电源电路、DDR模块、RS422电路和SDI电路，其连接关系如图6所示；

表2地面站接收模块硬件及其供能

RS422模块RS422_RX管脚连接到FPGA的AA14管脚，RS422_TX管脚连接到FPGA的AD18管脚；SDI模块SDI_P管脚连接到FPGA的AK10管脚，SDI_N管脚连接到FPGA的AK9管脚；DDR模块DDR_D[31：0]管脚和DDR_A[15：0]管脚连接到FPGA的D12O上；时钟电路连接到FPGA的AE22管脚；AD9268芯片P0[11:0]管脚和P1[11:0]管脚连接到FPGA的D12N上；

地面站接收模块中，AD9268芯片将采集到的数据送到FPGA芯片，FPGA芯片将接收到的数据缓存在DDR模块中，FPGA芯片将缓存的数据读出进行拆包和解码处理，将拆包后的图像数据输出到SDI电路最终输出到SDI显示器，将拆包后的串口数据输出到RS422电路最终通过串口打印输出；FPGA芯片用接收到的数据进行偏差角计算，通过计算出的偏差角控制伺服跟踪系统。

伺服控制模块通过解调接受到的和差信号输出控制伺服的指令，完成目标跟踪；伺服电机可以在俯仰轴向和方位轴向两个方向独立运动，可以精确地定位到空间任意位置。

地面站接收模块发送信号给目标发射模块，目标发射模块接收到地面站接收模块发送的信号后发送控制指令和目标发射模块接收到的图像信息给地面站接收模块，地面站接收模块接收到所述控制指令和所述图像信息后输出和差通道信息，伺服控制模块收到和差通道的信息后计算出目标偏离角，伺服控制模块通过计算出的偏离角控制伺服电机，进而实时跟踪目标。同时，地面站接收模块实时显示无线传输的高清视频图像和反馈的状态信息。

地面站接收模块根据上位机发送控制指令可以实现伺服电机在方位方向和俯仰方向进行运动，实现跟踪动态目标的目的。在无线通信正常的情况下，通过上位机下发跟踪指令，伺服电机开启跟踪模式跟踪任意空间位置的目标。

如图2～图3以及图4～图6所示，无线跟踪系统的跟踪方法如下所述：

首先，使用手动模式或随动模式使得地面定向天线大致指向目标位置；

其次，进入跟踪模式，进入跟踪模式后通过通信数据实时更新角度偏差，使得地面站处于跟踪状态，并判断通信是否中断，根据判断结果确定继续跟踪模式或者更新扇扫中心角；

然后，进入扇扫模式后，伺服系统以更新后的扇扫中心角为当前扇扫中心角，以设定的扫描范围进行扫描，在扫描过程中一旦通信正常，伺服系统立即运动到成功通信时刻伺服的位置，控制进入跟踪模式，如果在扇扫过程中通信系统一直通信中断，那么伺服将一直扇扫下去，此时使用手动模式或者随动模式调整伺服扫描中心角和扫描范围来实现通信和跟踪；

伺服控制模块用于控制伺服电机的伺服运动模式，伺服运动模式分为手动模式、随动模式和跟踪模式。在不确定目标空间位置的情况下，使用手动模式大致确定目标方位和俯仰位置；在大致明确目标方位和俯仰位置的情况下使用随动模式伺服电机能快速运动到目标所在大致位置；在地面跟踪平板天线大致对准目标的情况下使用跟踪模式进入实时跟踪目标状态。

跟踪模式下一旦通信中断，在设定的时间内通信没有恢复伺服系统将通信中断的位置默认设置成扇扫中心角进入扇扫模式，在扇扫过程中通信一旦恢复正常，则自动进入跟踪模式。

系统通信正常的情况下，每隔40ms，PS端就会收到通信中断标志；在设定时间内没有收到通信中断标志信号，系统则认为通信中断。

地面站设备上电后，定向天线指向为任意方向。在大致确定目标位置后，使用上位机发送手动模式或随动模式指令使得地面定向天线大致指向目标位置，伺服跟踪系统默认定向天线大致指向目标的方位角度为扇扫中心角；接下来上位机发送跟踪模式指令，伺服跟踪系统进入跟踪模式后通过通信数据实时更新角度偏差，使得地面站处于实时跟踪状态，在实时跟踪过程中一旦通信中断(或者一直没有通信成功)，在设定时间内通信没有恢复正常，伺服控制程序将通信中断的位置默认成扇扫中心角进入扇扫模式，如果在设定时间内内通信恢复正常，则自动进入跟踪模式；伺服跟踪系统如果进入扇扫模式，伺服以通信中断时的角度为扇扫中心角，以设置的扫描范围进行扫描，在扫描过程中一旦通信正常，伺服立即运动到成功通信时伺服的位置，伺服控制程序自动进入跟踪模式，如果在扇扫过程中通信系统一直通信中断，伺服跟踪系统将一直处于扇扫模式，则需要调整扇扫范围和扇扫中心角来协助寻找目标，此时需要使用上位机发送手动模式或随动模式指令来修改扇扫范围和扇扫中心角来更改扫描状态寻找目标，使得能够快速跟踪上目标。

Claims (10)

1.一种无线跟踪系统，其特征在于，包括目标发射模块、地面站接收模块以及伺服系统，伺服系统包括伺服控制模块和伺服电机；

地面站接收模块包括跟踪平板天线、目标接收射频收发模块以及目标接收基带模块；跟踪平板天线与目标接收射频收发模块连接，跟踪平板天线与目标接收射频收发模块之间设置和通道以及差通道；目标接收射频收发模块和目标接收基带模块连接，目标接收射频收发模块和目标接收基带模块之间设置和通道以及差通道；

目标接收射频收发模块用于接收跟踪平板天线的信号并传送至目标接收基带模块，并将目标接收基带模块处理后的信号发送至跟踪平板天线；

目标接收基带模块连接有显示器和伺服控制模块，伺服控制模块连接伺服电机；地面站接收模块还连接有上位机，地面站接收模块与上位机双向通信；

目标接收基带模块用于将接收到指令、信号以及数据进行拆包和解码处理并输出，同时将上位机的控制指令进行处理发送至伺服系统以及目标接收射频收发模块。

2.根据权利要求1所述无线跟踪系统，其特征在于，目标发射模块包括目标天线、目标射频收发模块以及目标基带模块；目标射频收发模块连接目标基带模块；目标基带模块连接SDI摄像头，SDI摄像头获得图像信息，并将其传送至目标基带模块；目标基带模块用于设置通信频段、带宽和采样率，同时将高清视频和控制指令信号进行压缩编码并调制后发送至目标射频收发模块；

目标射频模块用于接收目标天线接收到的信息并将其发送至目标基带模块，还用与将目标基带模块的信号发送至目标天线。

3.根据权利要求1所述无线跟踪系统，其特征在于，目标基带模块采用AD9361芯片连接FPGA芯片连接架构，目标接收基带模块采用AD9268芯片连接FPGA芯片的架构，FPGA芯片采用Z7系列芯片。

4.根据权利要求3所述的无线跟踪系统，其特征在于，目标发射模块包括FPGA芯片、AD9361芯片、时钟电路、电源电路、DDR模块、RS422电路和SDI电路；RS422模块RS422_RX管脚连接到FPGA的AJ16管脚，RS422_TX管脚连接到FPGA的AK16管脚；SDI模块SDI_P管脚连接到FPGA的AH10管脚，SDI_N管脚连接到FPGA的AH9管脚；DDR模块DDR_D[31：0]管脚和DDR_A[15：0]管脚连接到FPGA的D2O上；时钟电路连接到FPGA芯片的AG17管脚；AD9361芯片P0[11:0]管脚和P1[11:0]管脚连接到FPGA芯片的D2H上。

5.根据权利要求3所述的无线跟踪系统，其特征在于，目标接收基带模块包括FPGA芯片、AD9268芯片、时钟电路、电源电路、DDR模块、RS422电路和SDI电路，RS422模块RS422_RX管脚连接到FPGA的AA14管脚，RS422_TX管脚连接到FPGA的AD18管脚；SDI模块SDI_P管脚连接到FPGA的AK10管脚，SDI_N管脚连接到FPGA的AK9管脚；DDR模块DDR_D[31：0]管脚和DDR_A[15：0]管脚连接到FPGA的D12O上；时钟电路连接到FPGA的AE22管脚；AD9268芯片P0[11:0]管脚和P1[11:0]管脚连接到FPGA的D12N上。

6.根据权利要求1所述无线跟踪系统，其特征在于，目标天线采用全向天线，跟踪平板天线采用具有和通道以及差通道输出的定向平板天线；伺服电机采用航插与地面站接收模块连接通信，航插的型号为F105T03J102-130。

7.一种基于权利要求1～6任一项所述无线跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，首先，使用手动模式或随动模式使得地面定向天线指向目标位置；

进入跟踪模式，进入跟踪模式后通过通信数据实时更新地面定向天线的角度偏差，使得地面站处于跟踪状态，并判断通信是否中断，根据判断结果确定继续跟踪模式或者更新扇扫中心角；

进入扇扫模式，伺服系统以更新后的扇扫中心角为当前扇扫中心角，以设定的扫描范围进行扫描，在扫描过程中通信正常后，伺服系统立即运动到成功通信时刻伺服的位置，控制地面站接收模块进入跟踪模式，如果在扇扫过程中通信系统一直通信中断，那么伺服将一直扇扫下去，此时使用手动模式或者随动模式调整伺服扫描中心角和扫描范围来实现通信和跟踪。

8.根据权利要求7所述的无线跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，跟踪模式下如果通信中断，在设定的时间内通信没有恢复伺服系统将通信中断的位置默认设置成扇扫中心角进入扇扫模式，在扇扫过程中通信恢复正常时，则自动进入跟踪模式。

9.根据权利要求7所述的无线跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，系统通信正常的情况下，每隔40ms，FPGA芯片的PL端会根据通信的有无会给PS端发送通信中断标志；在设定时间内没有收到通信中断标志信号，系统则认为通信中断。

10.根据权利要求7所述的无线跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，地面站接收模块中，跟踪平板天线和目标接收射频收发模块之间，以及目标接收射频收发模块与目标接收基带模块之间均采用和通道与差通道进行数据传输。