CN111273217B - 一种分布式无线电测向定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式无线电测向定位系统，包括数套双通道监测设备，单套双通道监测设备提供双天线相位差，数套双通道监测设备的相差构成相差矩阵用于实现对目标的交汇定位，数套双通道监测设备的天线方向随机摆放，数套双通道监测设备的数量为3个以上，5‑7个最适合；解决了现有技术信息传输量大，网络要求高、单设备复杂、定位系统稳定性差和定位的准确性低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线电定位与分布式测向定位领域，特别是一种分布式无线电测向定位系统。
背景技术
定位技术在无线通信、传感器网络和军事应用中有着广泛的应用。目前，随着定位技术的日臻成熟，用户对实时高精度的位置服务需求与日俱增，智能交通、环境监测、地理测绘、无人系统等领域都离不开精确的位置服务。
随着无线通信技术的发展和数据处理能力的提高，基于位置的服务成为最具发展潜力的移动互联网业务之一。无论在室内还是室外环境下，快速准确地获得移动终端的位置信息和提供位置服务的需求变得日益迫切。通信和定位两大系统正在相互融合、相互促进。利用无线通信和参数测量确定移动终端位置，而定位信息又可以用来支持位置业务和优化网络管理，提高位置服务质量和网络性能。所以，在各种不同的无线网络中快速、准确、健壮地获取移动位置信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。
分布式相对定位技术是一类被广泛研究了四十多年的定位技术，其利用多个目标间或目标与多个基准站间的无线信号来确定目标的位置信息。早期，对于分布式定位的应用仅限于导航等少数领域，因此对于分布式定位技术的研究中并没有考虑特定的应用环境对定位的影响。随着无线设备的广泛使用和之智能度的提高，无线设备的环境感知能力，特别是坐标感知能力得到了广泛的关注。这一方面为分布式相对定位技术的应用提高了更广泛的空间，另一方面也对分布式相对定位技术的性能提出了更高的要求。
1.现有定位方法：TDOA时差定位、DOA交汇定位
2.现有技术问题：TDOA(信息传输量大，网络要求高)、DOA定位(单设备复杂，需要能够测量目标方向，一般为5阵元-9阵元测向天线阵)。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种分布式无线电测向定位系统，解决了现有技术信息传输量大，网络要求高、单设备复杂、定位系统稳定性差和定位的准确性低的问题。
一种分布式无线电测向定位系统，包括数套双通道监测设备，单套双通道监测设备提供双天线相位差，数套双通道监测设备的相差构成相差矩阵用于实现对目标的交汇定位，数套双通道监测设备的天线方向随机摆放，数套双通道监测设备的数量为3个以上，5-7个最适合。
优选地，单套双通道监测设备包括监测测向接收机、双通道监测测向天线、时统天线和操作终端；双通道监测测向天线的输出端连接监测测向接收机的输入端，时统天线的输出端连接监测测向接收机的输入端，监测测向接收机双向连接操作终端。
优选地，双通道监测测向天线为2阵元，双通道信号输出，与时统天线一体化设计的线阵天线。
优选地，监测测向接收机包括宽带接收处理模块、超短波双信道模块、时统模块和电源模块；超短波监测测向天线的两个输出端分别连接超短波双信道模块的输入端，宽带接收处理模块的输出端分别双向连接时统模块和网络接口，时统模块的输出端连接时统天线的输入端，电源模块连接监测测向接收机的各个模块用于提供电源。
优选地，宽带接收处理模块包括模拟变频模块、AD9371、FPGA、时钟模块、DDR、Flash和复位；中频输入连接模拟变频模块的输入端，模拟变频模块的输出端双向连接AD9371，时钟模块的输出端分别连接模拟变频模块、AD9371和FPGA，AD9371通过SPI方式双向连接FPGA，AD9371通过GTX方式双向连接FPGA，FPGA分别双向连接DDR、Flash、复位、网口和串口，参考时钟输入时钟模块。
优选地，超短波双信道模块包括功分/放大器、开关、低噪放、滤波器、放大器、低通滤波器、混频器、衰减器；
放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第五放大器、第六放大器、第七放大器、第八放大器和第九放大器；
滤波器包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器和第五滤波器；
功分/放大器的输出端分别连接开关、接收模块和宽带接收处理模块，开关分别连接低噪放和衰减器，低噪放和衰减器均通过工作模式切换分别连接开关滤波器和第一滤波器，开关滤波器通过工作模式切换连接第一放大器和第二放大器，第一滤波器通过工作模式切换连接第二放大器，第一放大器连接带通滤波器，第二放大器连接低通滤波器，带通滤波器和低通滤波器通过工作模式切换、一本振通过第九放大器均连接混频器，混频器通过工作模式切换分别连接第二滤波器和第三滤波器，第二滤波器连接第三放大器，第三滤波器连接第四放大器，第三放大器连接第四滤波器，第四放大器连接第五滤波器，第四滤波器、第五滤波器通过宽带信号处理模块、二本振连接混频器，混频器通过开关连接40M中频带宽和第五放大器，第五放大器连接窄带500kHz/30kHz中频带宽，40M中频带和宽窄带500kHz/30kHz中频带宽通过开关连接衰减器，衰减器连接第六放大器，第六放大器通过开关连接40M中频带宽和第七放大器，第七放大器连接宽窄带500kHz/30kHz中频带宽，宽窄带500kHz/30kHz中频带宽和40M中频带宽通过开关连接第八放大器。
优选地，本振包括衰减器、放大器、功分器、PLL和分频器；50MHz输入到衰减器，衰减器依次连接第十放大器和第一功分器；第一功分器分别连接第六滤波器、第七滤波器、第八滤波器和第九滤波器，第七滤波器依次连接第一PLL和第十滤波器输出102.4MHz系统时钟，第八滤波器依次连接第二PLL、第一分频器、第十一放大器和开关，开关分别连接第十滤波器和第十一滤波器，第十滤波器和第十一滤波器连接开关输出510-1507MHz频率即二本振，第九滤波器依次连接第三PLL、第二分频器、第十二放大器、第十二滤波器、第四PLL、第二分频器、第十三放大器和开关，开关分别连接第十四滤波器、第十五滤波器、第十六滤波器和第十七滤波器，第十四滤波器、第十五滤波器、第十六滤波器和第十七滤波器通过开关输出800-3000MHz频率即一本振。
本发明分布式无线电测向定位系统的有益效果如下：
1.本发明的分布式无线电测向定位设备所配备的单设备结构比较简单，降低了建设成本。
2.本发明的分布式无线电测向定位设备配备4-7个单设备，每个单设备从不同方向对目标点进行定位，提高了定位的准确性。
3.本发明通过双通道相关监测，可以实现复杂环境下的信号分选，提升信号分选测量的能力，降低网络传输数据量，提高定位系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明分布式无线电测向定位系统的系统组成示意图。
图2为本发明分布式无线电测向定位系统的单套双通道监测设备组成框图。
图3为本发明分布式无线电测向定位系统的双通道监测测向天线示意图。
图4为本发明分布式无线电测向定位系统的监测测向接收机图。
图5为本发明分布式无线电测向定位系统的超短波双信道模块原理框图。
图6为本发明分布式无线电测向定位系统的本振原理框图。
图7为本发明分布式无线电测向定位系统的宽带接收处理模块图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，分布式无线电测向定位系统的系统的结构示意图，其中单设备提供双天线相位差，多套设备(天线方向随机摆放)相差构成相差矩阵，实现对目标的交汇定位(测向)。该设备需3个以上单设备进行测向定位，5-7个位最适合。
图2为单套双通道监测设备组成框图。单设备主要包含：监测测向接收机、双通道超短波监测测向天线、时统天线、操作终端等部分。双通道超短波监测测向天线完成信号的接收，监测测向接收机完成对采集的信号的变频与处理，操作终端完成解调数据的显示。
以下对各部分进行详细说明。
(一)双通道超短波监测测向天线可接收30MHz～3000MHz宽带频率范围无线电波，经过RF模块处理后输出可用于无线电测向的RF信号。双通道监测测向天线阵设计为2阵元阵，双通道信号输出，与时统天线一体化设计。如图3所示，双通道监测测向天线从结构上采用可折叠设计，体积小、重量轻，安装拆卸方便，具有性能稳定、测向准确度高、测向灵敏度高等优点，并具备良好的“三防”能力，适应于野外高温、低温、潮湿的工作环境。
(二)主要技术指标如下：
a)工作频率：30MHz～3000MHz；
b)极化方式：垂直极化；
c)天线形式：2阵元直线阵列；
d)孔径：低端间距1100mm，高端间距300mm；
e)驻波：≤2.5；
f)阻抗：50Ω；
g)天线增益：
30MHz～800MHz频段≥-17dBi；
800MHz～3000MHz频段≥-10dBi；
h)相位一致性：≤10°；
i)电源：+12V；
j)展开尺寸：
k)收藏尺寸：
l)重量：≤5kg；
m)接口：射频输出2个，天线控制1个
(二)图4为监测测向接收机图。监测测向接收机由超短波信道模块、宽带信号处理模块、时统模块、电源模块等组成。
超短波信号经过天线接收进行功分放大后分别送入超短波信道模块、宽带接收处理模块。超短波信道模块采用超外差式二次变频方案将天线信号变频至70MHz中频提供后级处理；信号处理模块完成短波、超短波中频信号的频谱分析、信号识别及测向等功能，完成短波、超短波频段的跳频信号处理；宽带接收处理模块能够对超短波频段的跳频信号进行截获并获取跳频频率等参数，对高速跳频进行分析识别和解调；时统模块提供设备工作地点的坐标、时标等信息；电源模块完成以上各模块所需电源类型的转换；交换机完成对接收机内部模块的通信、接收机与操作终端的通信。
监测测向接收机的主要技术指标如下：
a)工作频率范围：30MHz～3000MHz；
b)频率稳定度：≤±1×10-7；
c)相位噪声：≤-100dBc/Hz@10kHz；
d)镜频抑制：≥90dB；
e)中频抑制:≥90dB；
f)二阶截断点：≥55dBm；
g)三阶截断点：≥10dBm；
h)最小频率分辨率：≤100Hz；
i)换频时间：≤2.5ms；
j)中频带宽：40MHz；
k)接收机灵敏度：≤-110dBm(RBW＝1kHz)；
l)电平测量精度：±2dB；
m)接收机动态范围：≥60dB；
n)扫描速度：5.5GHz/s(步进25kHz)；
o)允许最大输入功率：30dBm；
p)重量：≤20kg；
q)外形尺寸≤480mm×350mm×180mm；
r)供电：交流220V/150W；
s)接口：中频检测输出3个，天线输入接口3个，时统天线接口2个，控制接口1个，网络接口1个，电源输入接口1个，指示灯1个，开关1个，保险装置1个。
①超短波双信道模块主要将天线接收到的30MHz～3GHz信号经过两次变频后，76.8MHz(宽带)/70MHz(窄带)二中频输出至信号处理模块。超短波信道模块的输入端为一限幅保护芯片，可有效保护小于30dBm功率输入的情况下，后级电路免受强信号损坏。超短波双信道模块原理框图如图5所示。
超短波信道变频所需要的一本振为800MHz～3000MHz，一中频为580MHz、780MHz、1500MHz附近；二本振为510MHz、710MHz、1430MHz、1570MHz附近，二中频为76.8MHz(带宽40MHz)，70MHz(带宽500kHz/30kHz)。本振原理框图如图6所示。
超短波双信道模块主要指标如下：
a)工作频率范围：30MHz～3GHz；
b)频率稳定度：≤±1×10-7；
c)相位噪声：≤-105dBc/Hz@10kHz；
d)噪声系数：≤17dB(正常模式)，≤9dB(低噪声模式)；
e)二阶截断点：≥55Bm(低失真模式)；
f)三阶截断点：≥10dBm(低失真模式)；
g)瞬时动态范围：≥65dB；
h)信道增益：55dB±2dB(低噪声模式)；
i)中频抑制：≥100dB；
j)镜频抑制：≥100dB；
k)中频带宽：宽带40MHz(中频76.8MHz)，窄带500kHz/30kHz(中频70MHz)；
l)参考时钟：50MHz，6±2dBm；
a)允许最大输入功率：30dBm；
b)功耗：≤12W；
c)外形尺寸：152mm×130mm×20mm；
d)接口：射频输入接口、中频输出接口、参考时钟接口采用SMA型连接器，控制接口，电源接口采用DB型连接器。
②宽带接收处理模块能够对超短波频段的跳频信号进行截获并获取跳频频率等参数，实现对跳频网台进行分选；并根据具体信号特征实现905数据链信号、模拟的LINK11/4A数据链信号进行分析识别和解调。其原理框图如图7所示。
宽带接收处理模块由模拟变频模块和AD9371、FPGA组成。模拟变频模块实现对接收的中频信号进行变频，将其频率变换至AD9371的信号接收范围，AD9371是一款高度集成的宽带RF收发器，提供双通道发射器和接收器、集成式频率合成器和测试和数字信号处理功能，支持带宽高达250MHz的观测接收。FPGA为控制处理核心。
宽带接收处理模块可完成RF接收、增益控制、频率搬移、ADC采样等功能。由于AD9371配置较复杂，所以选用XILINX公司的FPGA(XC7Z045-2FFG900)对AD9371进行配置。这款FPGA内部包含一个双核ARM9处理器，配置比较灵活方便。FPGA外挂1GB的DDR3存储器。
宽带信号处理模块主要技术指标如下：
a)射频通道：1通道；
b)频率范围：30MHz-3GHz；
c)解调带宽：单通道≤200MHz(1kHz、1.2kHz、2.4kHz、4.8kHz、9.6kHz、19.2kHz、32kHz、38.4kHz、64kHz、128kHz、256kHz、512kHz多档可调)；
d)数据速率：2kbps、2.4kbps、4.8kbps、9.6kbps、19.2kbps、38.4kbps、64kbps、128kbps、256kbps多档可设；
e)输入功率：-70dBm-10dBm；
f)传输接口：100Mbps/1000Mbps以太网；
g)DDR容量：1GB；
h)flash容量：256Mb；
i)跳频信号频率集捕获概率：超短波1000跳/秒，截获成功率≥80％；
j)电压：+9.5V～+12.5V；
k)功耗：≤35W；
l)接口：中频输入接口、时统接口、时钟接口采用SMA型连接器，控制接口，电源接口采用DB型连接器
③电源模块主要实现AC/DC及DC/DC变换，为监测测向接收机的其它模块提供直流电压源。电源模块拟选用定制工业级ACDC模块以及线性DC/DC模块，输入为交流220V，多路DC/DC变换的输出电源包括直流12V、5.3V、5V电压。主要技术指标如下：
a)电源输入：交流220V±10％；
b)电源输出：直流12V/0.5A，直流5.3V/4A，直流5V/5A；
c)效率：大于80％；
d)接口：输入输出采用DB型连接器。
Claims (1)
1.一种分布式无线电测向定位系统，其特征在于，包括数套双通道监测设备，单套双通道监测设备提供双天线相位差，所述数套双通道监测设备的相差构成相差矩阵用于实现对目标的交汇定位，所述数套双通道监测设备的天线方向随机摆放，所述数套双通道监测设备的数量为5-7个；
所述单套双通道监测设备包括监测测向接收机、双通道监测测向天线、时统天线和操作终端；所述双通道监测测向天线的输出端连接监测测向接收机的输入端，所述时统天线的输出端连接监测测向接收机的输入端，所述监测测向接收机双向连接操作终端；
所述双通道监测测向天线为2阵元，双通道信号输出，与时统天线一体化设计的线阵天线；
所述监测测向接收机包括宽带接收处理模块、超短波双信道模块、时统模块和电源模块；超短波监测测向天线的两个输出端分别连接超短波双信道模块的输入端，所述宽带接收处理模块的输出端分别双向连接时统模块和网络接口，所述时统模块的输出端连接时统天线的输入端，所述电源模块连接监测测向接收机的各个模块用于提供电源；
所述宽带接收处理模块包括模拟变频模块、AD9371、FPGA、时钟模块、DDR、Flash和复位；中频输入连接模拟变频模块的输入端，所述模拟变频模块的输出端双向连接AD9371，所述时钟模块的输出端分别连接模拟变频模块、AD9371和FPGA，所述AD9371通过SPI方式双向连接FPGA，所述AD9371通过GTX方式双向连接FPGA，所述FPGA分别双向连接DDR、Flash、复位、网口和串口，参考时钟输入时钟模块；
所述超短波双信道模块包括功分/放大器、开关、低噪放、滤波器、放大器、低通滤波器、混频器、衰减器；
所述放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第五放大器、第六放大器、第七放大器、第八放大器和第九放大器；
所述滤波器包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器和第五滤波器；
所述功分/放大器的输出端分别连接开关、接收模块和宽带接收处理模块，所述开关分别连接低噪放和衰减器，所述低噪放和衰减器均通过工作模式切换分别连接开关滤波器和第一滤波器，所述开关滤波器通过工作模式切换连接第一放大器和第二放大器，所述第一滤波器通过工作模式切换连接第二放大器，所述第一放大器连接带通滤波器，所述第二放大器连接低通滤波器，所述带通滤波器和低通滤波器通过工作模式切换、一本振通过第九放大器均连接混频器，所述混频器通过工作模式切换分别连接第二滤波器和第三滤波器，所述第二滤波器连接第三放大器，所述第三滤波器连接第四放大器，所述第三放大器连接第四滤波器，所述第四放大器连接第五滤波器，所述第四滤波器、第五滤波器通过宽带信号处理模块、二本振连接混频器，所述混频器通过开关连接40M中频带宽和第五放大器，所述第五放大器连接窄带500kHz/30kHz中频带宽，所述40M中频带宽和窄带500kHz/30kHz中频带宽通过开关连接衰减器，所述衰减器连接第六放大器，所述第六放大器通过开关连接40M中频带宽和第七放大器，所述第七放大器连接窄带500kHz/30kHz中频带宽，所述窄带500kHz/30kHz中频带宽和40M中频带宽通过开关连接第八放大器；
本振包括衰减器、放大器、功分器、PLL和分频器；50MHz输入到衰减器，所述衰减器依次连接第十放大器和第一功分器；所述第一功分器分别连接第六滤波器、第七滤波器、第八滤波器和第九滤波器，所述第七滤波器依次连接第一PLL和第十滤波器输出102.4MHz系统时钟，所述第八滤波器依次连接第二PLL、第一分频器、第十一放大器和开关，所述开关分别连接第十滤波器和第十一滤波器，所述第十滤波器和第十一滤波器连接开关输出510-1507MHz频率即二本振，所述第九滤波器依次连接第三PLL、第二分频器、第十二放大器、第十二滤波器、第四PLL、第二分频器、第十三放大器和开关，所述开关分别连接第十四滤波器、第十五滤波器、第十六滤波器和第十七滤波器，所述第十四滤波器、第十五滤波器、第十六滤波器和第十七滤波器通过开关输出800-3000MHz频率即一本振。
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