CN111175766A - 一种单兵作战头戴式终端 - Google Patents

一种单兵作战头戴式终端 Download PDF

Info

Publication number
CN111175766A
CN111175766A CN202010066503.4A CN202010066503A CN111175766A CN 111175766 A CN111175766 A CN 111175766A CN 202010066503 A CN202010066503 A CN 202010066503A CN 111175766 A CN111175766 A CN 111175766A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
module
time
signal
mounted terminal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010066503.4A
Other languages
English (en)
Inventor
李松
郭守罡
谭崇涛
伍煜
向雨琰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202010066503.4A priority Critical patent/CN111175766A/zh
Publication of CN111175766A publication Critical patent/CN111175766A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41H—ARMOUR; ARMOURED TURRETS; ARMOURED OR ARMED VEHICLES; MEANS OF ATTACK OR DEFENCE, e.g. CAMOUFLAGE, IN GENERAL
    • F41H13/00—Means of attack or defence not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/14—Receivers specially adapted for specific applications
    • G01S19/18—Military applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/43—Determining position using carrier phase measurements, e.g. kinematic positioning; using long or short baseline interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/45—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement
    • G01S19/47—Determining position by combining measurements of signals from the satellite radio beacon positioning system with a supplementary measurement the supplementary measurement being an inertial measurement, e.g. tightly coupled inertial
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/53—Determining attitude
    • G01S19/54—Determining attitude using carrier phase measurements; using long or short baseline interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0421—Multiprocessor system
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
    • G05B19/0423—Input/output
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/21—Pc I-O input output
    • G05B2219/21137—Analog to digital conversion, ADC, DAC
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/20—Pc systems
    • G05B2219/22—Pc multi processor system
    • G05B2219/2214—Multicontrollers, multimicrocomputers, multiprocessing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明涉及单兵作战移动终端技术，具体涉及一种单兵作战头戴式终端。包括主控制器、激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块；主控制器分别与激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块连接。该终端通过自身坐标位置、姿态信息和测距信息转换为目标的三维坐标，以及皮秒量级的时间同步方式、连续动态定位，精准定位目标在确定时刻下的三维坐标位置以及移动轨迹，具有准确性与实时性，实现精准打击目标。并通过无线组网技术与后方控制台实现联动通信。

Description

一种单兵作战头戴式终端
技术领域
本发明属于单兵作战移动终端技术领域，尤其涉及一种单兵作战头戴式终端。
背景技术
“单兵作战系统”包括单兵防护系统、单兵武器系统、生命维护系统、通信系统等先进武器装备。单兵作战模块化武器子系统的设计主要包括光学部件、激光测距仪、数据终端处理中心，提供距离和方向位置信息给士兵。士兵从北斗卫星下定位自身位置，需要联合作战或者外部火力支援时，可以通过通信与定位系统组网联合作战，提高作战效率与实现精准目标打击。在黑暗条件或其他极端条件下对目标机动交战，并且安装无线通信系统，将允许信息交互与请求火力支援。在野外视野不清或通信信号不佳的环境，单兵作战模块化子模块也需要能正常定位打击与通信。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精确度、价格低廉、携带便捷具有通用功能的智能化嵌入式单兵作战头戴式终端。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单兵作战头戴式终端，包括主控制器、激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块；主控制器分别与激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块连接。
在上述的单兵作战头戴式终端中，主控制器包括FPGA、主控芯片ARM以及基于FPGA采用延迟线内插法实现TDC设计的飞行时间测量电路，FPGA和主控芯片ARM之间通过SPI进行通信。
在上述的单兵作战头戴式终端中，激光测距模块包括激光驱动模块、光电转换电路、跨阻放大电路、阈值比较电路、延时电路、时刻鉴别电路、高速模-数转换电路；激光驱动模块发射激光脉冲，同时输出一路脉冲给飞行时间测量电路作为电脉冲开始信号；激光回波通过光电转换电路的输出连接跨阻放大电路、阈值比较电路，输出信号经过延时电路将信号分为两路，一路为延时信号输出作为时刻鉴别电路中高速比较器的正端输入，一路为衰减展宽信号输出作为时刻鉴别电路中高速比较器的负端输入；时刻鉴别电路中对两路信号进行锁存，通过双通道D触发器采样信号，输出至高速模-数转换电路，将电平转换为数字信号，作为另一路脉冲信号输入至飞行时间测量电路。
在上述的单兵作战头戴式终端中，光电转换电路的核心器件为APD光电探测器，射入的光通过APD的P-N结吸收后形成光电流，跨阻放大电路采用差动输出互阻放大的方式进行放大。
在上述的单兵作战头戴式终端中，几何定位模块包括GPS芯片，GPS芯片输出经纬度与高程信息到主控芯片ARM，结合商用差分站数据处理获得经纬度信息，为每个终端获得位置定位；GPS芯片支持无卫星信号下的100％连续定位与动态定位。
在上述的单兵作战头戴式终端中，时间同步模块以FPGA设计的TDC为核心，通过PPS脉冲作为TDC的输入开始信号，结合GPS所提供的UTC时间以及激光测距模块接收到信号后传回的脉冲，对测距时刻进行精准测量。
在上述的单兵作战头戴式终端中，无线通信模块采用Lora无线通信方式，为多个头戴式终端进行组网通信；
在上述的单兵作战头戴式终端中，FPGA选用Altera公司的cyclone IV芯片，作为数据解算与高精度时间测量芯片，ARM选用STM32F103作为主控芯片，通过主控芯片和外围电路完成对终端所接收到的指令控制。
本发明的有益效果：实现了终端自身与目标双方的精准定位，达到0.1us分辨率下的时间同步，完成了对动态目标高精度的连续定位，既可以实现对目标位置信息的实时采集与远距离传输，也可以随时提供目标的精确位置实施精准打击。
附图说明
图1为本发明一个实施例系统结构图；
图2为本发明一个实施例激光测距模块原理图；
图3(a)为本发明一个实施例延迟线内插法实现TDC结构粗测部分示意图；
图3(b)为本发明一个实施例延迟线内插法实现TDC结构细测部分示意图；
图4为本发明一个实施例TDC模型示意图；
图5为本发明一个实施例延迟线波形示意图；
图6为本发明一个实施例几何定位模块原理图；
图7为本发明一个实施例质量控制实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例一种单兵作战头戴式终端，通过自身坐标位置、姿态信息和测距信息转换为目标的三维坐标，以及皮秒量级的时间同步方式、连续动态定位，精准定位目标在确定时刻下的三维坐标位置以及移动轨迹，具有准确性与实时性，实现精准打击目标。并通过无线组网技术与后方控制台实现联动通信。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种单兵作战头戴式终端，包括主控制器、激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块组成。其设计原理图如图1所示。
并且，主控制器，主要是由FPGA和ARM共同配合，完成高精度数据解算、数据传输和指令控制的功能，FPGA与ARM之间通过SPI进行通信，FPGA选用Altera公司的cyclone IV芯片，主要作为数据解算与高精度时间测量芯片，使用的ARM选用STM32F103作为主控芯片，通过主控芯片和外围电路完成对终端所接收到的指令控制。基于FPGA采用延迟线内插法实现TDC设计，采用多沿采样法平滑和Wave Union分割大时延的方法得到高精度的飞行时间测量电路。
并且，激光测距模块主要是通过驱动电路驱动固体激光器，提供高重频、高峰值功率的高质量激光光束。使用TI公司的OPA857差动输出互阻抗放大器芯片作为跨阻放大电路核心芯片，MAX9601双路超高速比较器作为时刻鉴别电路核心芯片，激光器发射的光经反射后经过APD接收，通过放大、整形、预鉴别阈值比较，时刻鉴别，高速模—数转换器，连接到FPGA芯片设计的飞行时间测量仪，经过数据解算，得到终端与目标之间的精确距离。激光测距模块通过固体激光器发射激光脉冲，同时输出一路脉冲给FPGA芯片设计的TDC作为系统的一路电脉冲开始信号，激光回波通过接收光学系统，经过光电探测电路检测光信号并转变为电信号，信号通过跨阻放大电路、预鉴别阈值比较、时刻鉴别电路和电平转换电路输出另一路脉冲信号至FPGA设计的TDC，通过TDC测时得到激光发射与接收之间的时间间隔，根据光速来计算与目标之间的距离。
并且，时间同步模块，以FPGA设计的TDC为核心，通过PPS脉冲作为TDC的输入START信号，结合GPS所提供的UTC时间以及激光测距模块接收到信号后传回的脉冲，可以对测距时刻进行精准测量。
并且，几何定位模块包括了终端自身定位和目标定位两部分。终端自身定位以差分后处理的形式，通过RTK实现静态单点定位精度达到2.5厘米以内；目标定位结合了系统的陀螺仪，连续追踪时速度精度达到0.1m/s，以及小于2％*移动距离的移动定位。结合输出的姿态信息和位置信息，通过坐标转换得到目标的位置坐标，通过连续探测可以获得目标的动态与静态位置。几何定位模块，使用GNSS双系统和惯导组合定位，对于运动物体速度精度可以达到0.1m/s，在无卫星信号时可实现100％连续定位。使用的梦芯公司生产的MTX909A芯片存在内置陀螺仪，可以输出姿态信息和位置信息，通过坐标转换和数据解算，得到目标在大地坐标系下的精确位置。通过1Hz的连续传输，可以在上位机软件的接收端对连续位置数据进行建模，得到终端自身与目标双方的运动状态。
并且，无线通信模块，主要用于头戴式终端与上位机软件之间的直接通信，通信模块参数可通过主控芯片的串口配置，无线通信模块一方面接收上位机软件的控制指令，传给主控芯片进行功能选择；同时也会将头戴终端的数据实时传回给上位机软件，进行数据分析与处理。无线通信模块通过DTU实现多级中继组网，在野外信号不佳的条件下可以实现正常通信。选用成都亿佰特公司的E22-900T22S型芯片，空中速率最高可达62.5kbs，通道数为81，满足多终端快速协同作业的要求。无线通信模块以Lora作为通讯协议，以STM32 F103单片机作为主控芯片和主控平台实行数据交换，完成对指令的执行和数据的回传。通过多终端组网的形式，对多个终端进行智能化同时管理。
具体实施时，激光测距模块由激光发射电路、光电转换电路、跨阻放大电路、阈值比较电路、时刻鉴别电路和相位补偿电路组成模拟电路部分，通过高速模-数转换电路输出数字脉冲给FPGA芯片设计而成的TDC；时间同步模块由GPS提供的高精度PPS秒脉冲输入到FPGA设计的TDC中，结合激光测距模块接收到信号后产生的脉冲信号，通过与UTC时间对比，实现400ps时间精度内的时刻测量，并且给与最小时间单位为0.1us的精准同步时间，为测距系统打上相应的时间戳；几何定位系统由GPS和测距系统配合组成，内置GNSS+INS组合导航定位，高灵敏度，卫星无信号时可连续定位，通过姿态和相对位置，可以定位终端本身和目标在大地坐标系下的三维坐标；主控制器为STM32单片机和FPGA芯片；无线通信模块基于STM32单片机，通过Lora协议无线通信组网构成，保证10km以内的覆盖范围，通过无线通信模块传回目标的动态实时位置数据，实现对目标的精准打击。
激光测距模块的模拟电路部分：
激光测距模块主要包括激光驱动模块、APD光电转换电路、跨阻放大电路、阈值比较电路、时刻鉴别电路、高速AD转换器，激光测距模块连接飞行时间测量电路，其系统框图如图2所示。APD光电转换电路的输出连接跨阻放大电路，跨阻放大电路的输出通过阈值比较电路，通过电压基准芯片预设电压值，通过比较器进行输出，信号分为两路，一路为延时信号输出作为时刻鉴别电路中高速比较器的负端输入，一路为衰减展宽信号输出作为时刻鉴别电路中高速比较器的正端输入。时刻鉴别电路中对两路信号进行锁存，通过双通道D触发器采样信号，输出至高速AD转换器，将电平转换为时间测量电路可以处理的数字信号，通过FPGA设计的TDC时间测量电路，计算得到对目标的距离。
激光器采用固体激光器，结合人眼安全波长，具有高峰值功率，短脉冲持续时间，高重频，准确性高，激光器发出的高质量光束和紧密的光束发散微型激光器允许具有高光子通量密度的脉冲向下传输到目标，从而实现长距离和远距离传输高分辨率测距。
激光驱动电路由STM32 F103控制，通过STM32 F103及相应电平转换电路，通过RTOS操作系统多任务的方式，分时序提供给激光器发射激光需要的500Hz脉冲与供电电压，驱动激光器发射激光光束。
激光器发出的光经反射经过APD光电转换电路接收，经过差动输出互阻放大器、滤波整形、模-数转换，转换为主控芯片STM32 F103可以检测的TTL信号。针对APD的宽频带、快速过驱恢复、快速稳定、超低噪声的互阻放大器，将APD产生电流转换为可以被捕获的电压信号。将获取的电压通过阈值比较电路，降低由背景光噪声引起的误触发率。
对于信号的捕获采用恒比鉴别的方式，可以消除由于信号脉宽引起的漂移误差。时刻鉴别电路使用超高速比较器，使用双通道对通过延迟器和衰减展宽器的两路信号进行锁存，通过双通道D触发器采样出信号。如果时刻鉴别电路的预鉴别比较器阈值电平用APD检测模块的供电电源来提供阈值电压，会随着时间发生衰减，影响阈值电压稳定性，因此采用基准稳压芯片提供标准的预鉴别比较器阈值电平。
在电路中增加了180°的相位补偿，用于解决电路中的电源纹波导致时刻鉴别电路产生的误差。所增加的相位补偿电路使得输入输出信号最快的进入新的平衡，改善了信号的采样。
由于固体激光器峰值功率强、重频高，为了不丢失信号，电路采用高速AD转换器对模拟信号采样转换为数字信号，对电压进行衰减至控制器需要的TTL电平，控制器对输出的数字信号的数据进行读入。
经由时刻鉴别电路和高速AD转换器的信号，需要经过FPGA芯片设计的飞行时间测量电路，计算测距模块的电脉冲开门信号与光脉冲关门信号之间的时间间隔，根据光速计算得到与目标之间的距离。
FPGA数字电路部分；
飞行时间测量电路由FPGA芯片采用延迟线内插法实现TDC的设计而成，采用WaveUnion分割大时延技术对测量精度进行了优化。
1)延迟线内插法的实现结构；
延迟线内插法实现TDC的结构如图3(a)、图3(b)所示，该结构包括两部分：粗测部分和细测部分。粗侧部分是一个由闸门信号START和STOP控制的计数器，如图3(a)所示。START和STOP的上升沿控制计数器的启动和停止，完成时间间隔的粗侧，测量误差为±1和时钟周期。计数器的位数(N)和时钟周期(T0)决定了TDC的动态测量范围(NTO)，改变N或者T0就能改变TDC的量程。
细测部分结构如图3(b)所示，它由n个级联的基本延迟单元、n个D触发器和一个优先编码器组成。基本延迟单元的延迟时间为τ，延时τ的大小决定了TDC的测量精度。n个单元构成一条延迟为nτ的延迟线，START或STOP信号作为延迟线的输入信号经过延迟线进行传播，每个延迟单元的输出作为D触发器的输入，所有D触发器都采用同一LOCK作为时钟来产生同步节拍，当LOCK上升沿到来时通过D触发器能锁定延迟线上信号传输的状态，D触发器的输出经过优先编码器编码得到高电平“1”的个数(n0)，n0τ即为START或STOP上升沿与相邻时钟沿间的时间间隔的细测值。
2)TDC实现方法；
TDC模型的系统组成如图4所示，主要分为四个部分：时钟变换单元、粗侧单元、细测单元和运算单元。时钟变换单元记录与START和STOP信号沿相邻最近的CLOCK时钟沿，分别为LOCKA和LOCKB；粗测单元是一个计数器，由START和STOP信号分别控制其开始和停止计数；细测单元由抽头延迟线和编码逻辑组成，编码逻辑的输出为细测值；运算单元完成粗测值和细测值之间的运算，得到最后的测量结果。
3)FPGA内部结构；
FPGA内部的每个逻辑阵列(LAB)中每个LE有一条进位链连接通道，LE单元的进位链的输入CIN和输出COUT连接上一级的COUT和下一级的CIN。信号通过进位链的输入(CIN)和输出(COUT)的时间延时非常小，这种延时在同一器件中的不同进位链中表现出很好的一致性，因此，使用进位链级联形成的延迟线表现出很好的线性特性，能有效改善TDC的整体性能。
4)采用进位链实现抽头延迟线；
采用Cyclone内部专用进位链来实现抽头延迟线。通过定制一个多位的加法器来产生进位链的级联结构。多位加法器的每一位都通过一个LE单元构成一个一位的全加器，n个LE构成一个n位的加法器。固定好加法器的输入端后，整个加法器会预先计算加法器的输出值。当真实的进位信号到来时，每一位全加器的进位输入会选择一个对应和的输出值，并产生相应的进位，这样将加法器的一端全固定成1，另一端全固定成0，当第一级的进位输入为1时，每个全加器的和会输出0，并产生一个进位输出。除第一级外，每一级的进位输出信号会相对进位输入信号产生固定的延时，如此就形成了信号通过进位链的一级一级的延迟，而且这种延迟具有很好的一致性。由于进位链的输入输出不能直接作为信号的输入输出端口，因此抽头的输出可以从全加法器的和引出。由于第一级的结构特殊，应以多位加法器和的输出的第二位开始作为延迟线的抽头。如图5所示，τ为信号从进位输入到进位输出间的延时；τ2为信号从输入到第一级LE所产生的进位输出间的延时；τ1为进位输入到和的输出间的延时。其中τ1受温度和电压的影响比较大，但由于抽头间是并行的，能形成差分结构，因此抽头间的时间间隔仍为τ。
定制D触发器采样延迟线时，为了避免FPGA内部额外的布线延时，保证抽头间延时的一致性，应将D触发器和抽头约束在同一LE中。延迟线波形示意图如图5所示。
按照前述方式，以保证资源之间不互相串扰，创建四条相同的抽头延迟线，作为TDC的4个输入通道，为了减小通道之间信号的相互影响，对测量精度造成影响，FPGA作为专用测试模块芯片，将控制与数据打包部分的任务交给STM32单片机完成，防止造成资源的复杂排列，导致信号之间产生的串扰，也降低了手动布局布线时的难度。
5)采用Wave Union分割大时延，提高测距精度。
由于FPGA制造工艺的差异，各级进位链单元时间延迟不一致，每8个进位链单元会产生一个大的延迟单元。为了提高TDC的测时精度，运用Wave Union技术实现对大时延的有效分割，将待测信号接入进位链起始端，随着信号向后传递，直到基准时钟到来，根据测试信号所到达位置的不同对每一种状态进行编码，通过区分待测信号所处的位置的和就可以判断当前所处的状态。经过Wave Union优化后，在测试条件下测量得到结果，在低频条件下测试精度达到100ps，高频信号条件下测试精度达到200ps
几何定位模块；
几何定位模块包括GPS芯片，GPS芯片输出经纬度与高程信息连接到主控制器，结合商用差分站数据处理获得高精度经纬度信息，为每个终端获得高精度的位置定位。GPS芯片输出姿态信息与激光测距模块输出的距离信息，在主控制器中进行数据解算，得到目标定位信息。GPS芯片支持无卫星信号下的100％连续定位与动态定位，可以满足在复杂环境下终端的正常使用。
几何定位模块采用CNSS双系统及惯导组合定位，水平定位精度达到厘米级，从而提供高精度的终端定位。采用连续定位方式，测量的速度精度能达到0.1m/s，在卫星无信号下仍然可以保持100％连续定位与授时，改善了传统GPS在丢失卫星信号后，定位与授时能力丧失的问题。其系统框图如图6所示。
i)几何定位系统，内置6轴MEMS器件，输出GNSS与INS组合定位结果，具有高灵敏度、抗干扰、高性能等特点，在丛林、隧道、野外等场景均可以正常工作。定位精准、在没有卫星信号下具有100％连续性，完全符合单兵作战头戴式终端对于各类条件下定位工作的要求。
ii)主控制芯片与GPS通过串口连接，读取GPS芯片传回的姿态信息、地理位置信息，通过对信息的分解与检索，提取出满足功能需求的姿态和位置信息，放入缓存中，等待后续对数据的处理。
iii)主控芯片与FPGA所设计的时间测量芯片通过SPI进行数据通信，获取头戴终端与目标之间的精确测距信息，结合终端的位置信息、姿态信息和距离目标的距离信息，对数据进行解算，可以得到被测目标在大地坐标系下精确的位置坐标，实现精确定位。
时间同步模块；
时间同步模块使用的FPGA与飞行时间测量电路使用的FPGA为同一FPGA，GPS芯片输出的PPS秒脉冲作为FPGA测时模块的基准输入脉冲，测量电信号与光信号到达时刻与PPS脉冲之间的间隔时间，结合PPS秒脉冲代表的当前UTC时间，作为时间同步的标准测量时间，同步时间精度与TDC的高精度相同，可达到皮秒量级的精准时刻。
a)时间同步功能主要通过TDC与各个模块之间配合完成，使得时间同步精度达到100ps，为不同传感器传回的数据打上时间戳，以确保所测得的所有数据时间同步
b)以GPS授时的PPS秒脉冲为基准时钟，PPS秒脉冲作为一个输入通道输入到TDC的START通道当中，APD接收信号经过AD转换电路后，传回的TTL信号接入TDC的STOP通道，通过PPS与UTC时间之间的对应，可以为精确地接收时间打上时间戳，与传统的使用单片机内部时钟确定时间同步的方案而言，这样时间同步的精度实现了从ms量级到ps量级的飞跃。
c)STM32主控制器接收FPGA发来的数据流，判断为哪一种数据帧格式，经过处理后存储为文本格式保存，对有效信号进行筛选与保存至缓存当中。
d)接收到激光测距模块传来的测距信号时，RTOS操作系统会实时切换任务，从几何定位模块缓存中读取终端定位和姿态信息，将数据格式打包为同一数据帧格式。
f)当多个终端同时工作时，为了将多个探测器的数据按同步时间处理，STM32会将数据进行处理，以PPS标志为基准进行数据汇总，如图所示，当接收到上位机传来的接收指令后，STM32通过Lora无线通信，将带PPS标志对齐的数据传回上位机，以PPS标志作为判断同步时间的标准。
g)上位机接收多终端传回的信号后，以PPS标志为解码标志位，对多终端信息解算，得到目标位置包含精准时间信息的定位数据。
无线通信模块；
无线通信模块的功能实现，主要是通过Lora无线通信的方式，对多个终端进行组网通信。RTK差分中使用的基准站为可移动型差分站，与头戴式终端的距离应小于30km，可以使用两个以上的头戴式终端配合使用定位。通信距离实测5Km，无线唤醒时功耗仅为15μA，满足低功耗需求，最高传输速率达到62.5kbps，传输速率满足高速传输实时控制的需求。
⑴对于无线通信模块的配置，首先通过专用上位机软件，对DTU的IP地址、射频、比特率和空中传输速率进行配置。在保证传输速率的情况下，每一个终端都能与主机保持通讯而不会互相串扰。
⑵通信模块实现多级中继组网，适用于超远距离或者工作在复杂环境时的组网通信，每一区域可以运行多个网络同时运行。
⑶通信模块使用高速传输，传输最快速率为62.5kbps，满足高速传输和响应上位机指令的实时性。传输使用低功耗模式(WOR模式)，适合电池供电的超低功耗。
⑷配置好网络参数后，主控制器通过检测传输数据的针头和针尾结果，对指令分析，通过RTOS实时操作系统对指令要求分为不同优先级的多任务模式进行处理，高效稳定的保证任务有序执行。
⑸Lora使用高增益的射频天线和高性能的射频电路，以确保高质量远距离的传播，保证无线通信的传输速率和可靠性，以较高的信噪比实现信号的放大。
系统低功耗设计；
本实施例设计为头戴式终端，为了延长终端使用时间，系统设计采用超低功耗模式，从软件和硬件两方面进行了低功耗设计。
软件层面上，使用片上系统RTOS实时操作系统，使用STM32低功耗方式的睡眠模式。当操作系统进入空闲任务后，CPU不需要继续运行，利用睡眠模式来节约功耗，通过MCU关闭外设时钟，降低CPU功耗，降低系统主频，可以有效地减小系统功耗，经过实测，使用睡眠模式后，在没有进行任何指令操作时，系统功耗降低了三分之二；对于Lora无线通信使用低功耗模式，在低功耗模式下，功耗仅为15μA，深度休眠只需要2μA，极大地延长了电池的使用寿命。
硬件层面上，对于GPS芯片，设计了GPS的模拟开关，其等效原理为一个超低泄漏导通电阻负载开关，利用负载开关通过指令来控制GPS的开关，当系统低功耗模式下，GPS停止工作降低功耗；
质量控制技术方案；
对于多种场景下使用的单兵作战头戴式终端而言，需要保证其在实际使用过程中具有较好的抗干扰能力、一致性和长时间的待机能力。为了使终端在外业环境下可以长时间的正常工作，整个头戴式终端正常工作的温度范围在-40℃～40℃之间。质量控制实现方法如图7所示。
头戴式终端的固体激光器选用红光固体激光器，可通过窄带滤光片和通过对APD接收电信号调整阈值的方式减小背景光和散射光被误触发的概率。窄带滤光片可以理解为一个高通滤波器，将天空背景光中波长为可见光、中远红外波段的噪声信号滤除。
终端采用低温电池供电，可以适应极端条线下，整个系统依旧可以正常工作。在低温箱中对终端进行测试，在低功耗的条件下，整个终端系统可以在-40℃和40℃的极端环境中，正常持续工作7小时以上。
由于电路中的电源纹波会导致时刻鉴别电路产生误差，导致信号采样出现问题。为了解决电池输出的纹波出现的振荡，在电路中增加了180°的相位补偿，使得输入输出信号最快的进入新的平衡，阻尼振荡的时间最短。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种单兵作战头戴式终端，其特征是，包括主控制器、激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块；主控制器分别与激光测距模块、时间同步模块、几何定位模块和无线通信模块连接。
2.如权利要求1所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，主控制器包括FPGA、主控芯片ARM以及基于FPGA采用延迟线内插法实现TDC设计的飞行时间测量电路，FPGA和主控芯片ARM之间通过SPI进行通信。
3.如权利要求2所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，激光测距模块包括激光驱动模块、光电转换电路、跨阻放大电路、阈值比较电路、延时电路、时刻鉴别电路、高速模-数转换电路；激光驱动模块发射激光脉冲，同时输出一路脉冲给飞行时间测量电路作为电脉冲开始信号；激光回波通过光电转换电路的输出连接跨阻放大电路、阈值比较电路，输出信号经过延时电路将信号分为两路，一路为延时信号输出作为时刻鉴别电路中高速比较器的正端输入，一路为衰减展宽信号输出作为时刻鉴别电路中高速比较器的负端输入；时刻鉴别电路中对两路信号进行锁存，通过双通道D触发器采样信号，输出至高速模-数转换电路，将电平转换为数字信号，作为另一路脉冲信号输入至飞行时间测量电路。
4.如权利要求3所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，光电转换电路的核心器件为APD光电探测器，射入的光通过APD的P-N结吸收后形成光电流，跨阻放大电路采用差动输出互阻放大的方式进行放大。
5.如权利要求2所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，几何定位模块包括GPS芯片，GPS芯片输出经纬度与高程信息到主控芯片ARM，结合商用差分站数据处理获得经纬度信息，为每个终端获得位置定位；GPS芯片支持无卫星信号下的100％连续定位与动态定位。
6.如权利要求5所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，时间同步模块以FPGA设计的TDC为核心，通过PPS脉冲作为TDC的输入开始信号，结合GPS所提供的UTC时间以及激光测距模块接收到信号后传回的脉冲，对测距时刻进行精准测量。
7.如权利要求1所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，无线通信模块采用Lora无线通信方式，为多个头戴式终端进行组网通信。
8.如权利要求2所述的单兵作战头戴式终端，其特征是，FPGA选用Altera公司的cyclone IV芯片，作为数据解算与高精度时间测量芯片，ARM选用STM32F103作为主控芯片，通过主控芯片和外围电路完成对终端所接收到的指令控制。
CN202010066503.4A 2020-01-20 2020-01-20 一种单兵作战头戴式终端 Pending CN111175766A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010066503.4A CN111175766A (zh) 2020-01-20 2020-01-20 一种单兵作战头戴式终端

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010066503.4A CN111175766A (zh) 2020-01-20 2020-01-20 一种单兵作战头戴式终端

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111175766A true CN111175766A (zh) 2020-05-19

Family

ID=70624488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010066503.4A Pending CN111175766A (zh) 2020-01-20 2020-01-20 一种单兵作战头戴式终端

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111175766A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112013963A (zh) * 2020-07-16 2020-12-01 南京莱斯电子设备有限公司 一种便携式光电信息处理平台
CN113691276A (zh) * 2021-04-26 2021-11-23 鸣飞伟业技术有限公司 一种基于多种通信手段的通信终端架构设计技术
CN114088070A (zh) * 2020-08-25 2022-02-25 千寻位置网络有限公司 头戴式rtk测量装置
CN114427803A (zh) * 2021-12-24 2022-05-03 湖南金翎箭信息技术有限公司 一种反蛙人榴弹的定位控制系统及控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201974529U (zh) * 2011-01-24 2011-09-14 中国测绘科学研究院 主动式动态定位仪
WO2016127357A1 (zh) * 2015-02-12 2016-08-18 中国科学技术大学 一种基于fpga的时间数字变换器
CN105974778A (zh) * 2016-07-15 2016-09-28 中国地震局地震研究所 用于激光测距中的全数字时间间隔测量系统
CN108594204A (zh) * 2018-06-15 2018-09-28 北京航空航天大学 一种高精度远距离窄脉冲激光测距装置
WO2019041269A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 SZ DJI Technology Co., Ltd. CALIBRATION OF DELAY TIME OF OPTICAL DISTANCE MEASURING DEVICES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS
CN110261864A (zh) * 2019-04-10 2019-09-20 北京航空航天大学 一种脉冲激光测距系统回波信号处理装置和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201974529U (zh) * 2011-01-24 2011-09-14 中国测绘科学研究院 主动式动态定位仪
WO2016127357A1 (zh) * 2015-02-12 2016-08-18 中国科学技术大学 一种基于fpga的时间数字变换器
CN105974778A (zh) * 2016-07-15 2016-09-28 中国地震局地震研究所 用于激光测距中的全数字时间间隔测量系统
WO2019041269A1 (en) * 2017-08-31 2019-03-07 SZ DJI Technology Co., Ltd. CALIBRATION OF DELAY TIME OF OPTICAL DISTANCE MEASURING DEVICES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS
CN108594204A (zh) * 2018-06-15 2018-09-28 北京航空航天大学 一种高精度远距离窄脉冲激光测距装置
CN110261864A (zh) * 2019-04-10 2019-09-20 北京航空航天大学 一种脉冲激光测距系统回波信号处理装置和方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王若璞等: "《大地天文测量原理与方法》", 30 November 2018 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112013963A (zh) * 2020-07-16 2020-12-01 南京莱斯电子设备有限公司 一种便携式光电信息处理平台
CN114088070A (zh) * 2020-08-25 2022-02-25 千寻位置网络有限公司 头戴式rtk测量装置
CN113691276A (zh) * 2021-04-26 2021-11-23 鸣飞伟业技术有限公司 一种基于多种通信手段的通信终端架构设计技术
CN114427803A (zh) * 2021-12-24 2022-05-03 湖南金翎箭信息技术有限公司 一种反蛙人榴弹的定位控制系统及控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111175766A (zh) 一种单兵作战头戴式终端
CN105911536B (zh) 一种具备实时门控功能的多通道光子计数激光雷达接收机
CN103345145B (zh) 一种利用激光进行星载时钟测量的方法
CN103412313B (zh) 低空轻小型面阵激光雷达测量系统
CN202182717U (zh) 一种基于tdc技术的激光测距装置
CN100561255C (zh) 一种综合型多功能中高层大气探测激光雷达
CN106054204A (zh) 一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统
CN111751835B (zh) 一种全波形卫星激光测距系统及方法
AU2020103665A4 (en) Low-altitude Light Small Area Array LiDAR Measuring System
CN109855621A (zh) 一种基于uwb与sins的组合室内行人导航系统及方法
CN201021940Y (zh) 一种综合型多功能中高层大气探测激光雷达
CN108646257B (zh) 基于三颗量子卫星与一地面站的星基量子测距与定位系统
CN104535992A (zh) 人造卫星激光测距系统
WO2023103310A1 (zh) 激光雷达及其测量目标反射率的方法和系统
CN109991837A (zh) 一种利用激光共视进行两地时钟比对的系统及方法
CN110244315A (zh) 用于接收光信号的接收装置和用于接收光信号的方法
CN114428239A (zh) 激光雷达及其飞行时间获取方法、测距方法和存储介质
CN204374411U (zh) 人造卫星激光测距系统
CN209417298U (zh) 基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统
CN115567107A (zh) 一种用于深空激光通信的跟踪通信一体化探测系统及方法
CN109521666B (zh) 一种基于延迟锁相环的时间数字转换器
CN102830609B (zh) 动物行为学迷宫定位计时装置及方法
Tao et al. Simultaneous realization of laser ranging and communication based on dual-pulse interval modulation
CN205404795U (zh) 一种具有多传感器的光探测与测量雷达
CN208847840U (zh) 一种基于双卫星系统进行定位和时钟同步的变电站采集终端

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200519

RJ01 Rejection of invention patent application after publication