CN111524406A - 一种无线电定向实验教学装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电定向实验教学装置及方法，属于无线电定向和导航技术领域。本发明所述装置包括信标和搜寻端，信标承载电磁波发射单元与超声波发射装置作为发射端；搜寻端作为射频接收单元及超声波传感的承载平台。本发明所述方法利用无线电测向结果与超声波测距结果实现搜寻端对信标的极坐标寻获，并可通过定位结果驱动搜寻端行进。本发明在学生学习过程中，无需花费大量体力在奔跑上，可初步了解无线电定向的浅层原理，结构简单，功耗降低，算法简单，用途丰富。

Description

一种无线电定向实验教学装置及方法

技术领域

本发明属于无线电定向和导航技术领域，具体涉及一种无线电定向实验教学装置及方法。

背景技术

无线电测向运动是一种参加者利用无线电波来寻找发送信号的“狐狸电台”的运动，如理论与应用研究学术论文《无线电测向运动在校园中的开展》所述，无线电测向运动员寻找电台，是通过测向机收测电台信号来实现的。对于通信技术类专业学生来说，通过对测向机、发射机的部分设计参与无线电测向运动，对其专业知识学习及专业技能的培养具有非常积极的意义。

现有技术的无线电定向运动需要参与者手持测向机，通过奔跑徒步等方式寻获信标，对于通信技术类学生来说，此类运动耗费大量体力，有一定的安全隐患，且对于无线电定向知识的了解只停留在表层阶段，目前市场上出现了如申请号为201810122916.2的专利申请所述的模拟训练系统装置，通过该系统逼真的还原真实场地训练的内容，让学生能更专注于无线电测向技能上的专业训练。但该模拟训练系统更注重于整个无线电定向运动体系的建设，未深入涉及到无线电定向原理及相关的模块设计和代码编写。为此，研制一种无线电定向实验教学装置势在必行，同时也为相关专业的高校学生提供了实践的平台，用于学习无线电定向系统的原理、构造、设计及基础代码编写。

现有技术中，大多搜寻信标的方法都是基于无线电测向及测距技术，例如超宽带定位、超声波定位、Active Bat定位、Cricket定位等技术。如理论与应用研究学术论文《室内定位技术研究综述》所述，蓝牙定位技术功耗低、设备体积小、穿透性强且易布置，传输距离短；超宽带技术抗干扰性强，精度高，成本高；如理论与应用研究学术论文《改进的ActiveBat室内超声波定位方法》所述，Active Bat超声波定位系统由中心站、信标节点和定位终端组成，易受环境温度、硬件延时误差、时间同步误差等因素的影响，使得定位误差较大。现有的信标搜寻技术应用在实验教学中存在问题有如下几点：

(1)上述的现有技术的无线电定向系统，如申请号为201410416423.1的专利申请所述，UWB室内定位技术其中产生超宽带信号的器件和测量收发天线直达波的传播时间的器件非常昂贵，使得UWB定位系统成本极高；因此现有技术的定位系统因对精度有极高要求，需要多个附属基站设备，对于实验教学来说结构复杂且成本过高。

(2)如理论与应用研究学术论文《改进的Active Bat室内超声波定位方法》、理论与应用研究学术论文《Cricket室内定位系统的研究与改进》以及申请号为201720874961.4的专利申请，上述三种系统皆采用了多个信标加定位终端的结构，对于实验教学来说都较为复杂，且上述系统中射频源与发射超声波的发射与接收终端采用了分离设计，定位终端同样需要发射射频信号，功耗较大且定位算法复杂，需要三个或三个以上的距离信息才能解算出定位终端的三维信息，没有导航并标记的功能，不适用于无线电定向实验教学。

(3)现有的将无线电测向与测距技术手段联合使用的技术，均未使用电磁波测向，仅将电磁波作为t0时刻的标记，且具体算法均未详细描述，没有针对仅需完成二维场景下寻获信标且对系统附属设备成本与功耗有限制要求的简单应用场景，这类实验教学场景需要简化系统结构与算法。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种无线电定向实验教学装置及方法。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：

一种无线电定向实验教学装置，包括信标和搜寻端；

信标作为发射端，包括电磁波发射单元和超声波发射装置；电磁波发射单元包括编码产生器、帧同步码产生器、合成器、数字调制发射机和发射天线；超声波发射装置由超声频率发生器、乘法器、超声驱动器和喇叭；

合成器将编码发生器产生的编码和帧同步码产生器产生的帧同步码进行数据合成，生成调制前的基带信号，数字调制发射机将基带信号调制成电磁波信号，发射天线发射电磁波信号；超声频率发生器产生的特定频率的超声波和帧同步码经乘法器后相乘后，经驱动器驱动，通过喇叭发射超声波信号；

搜寻端作为接收端，包括射频接收单元和超声波传感；射频接收单元包括两个接收天线、双通道数字接收机、相位解调模块和方位换算模块；超声波传感包括喇叭、超声波放大器、幅度检波器、目标判决器和距离测量模块；

两个接收天线接收到电磁波信号，双通道数字接收机解调电磁波信号，完成相位解算，从而测量方位；喇叭接收到超声波信号后，超声放大器将超声波信号放大，幅度检波器对超声波信号进行检波，经过检波后输入目标判决器，目判断目标存在后，距离测量模块结合超声波信号和电磁波信号测量信标和搜寻端的距离。

双通道数字接收机由依次连接的本振、混频器、AD变换器、可变增益放大器组成。

一种无线电定向实验教学方法，基于上述无线电定向实验教学装置，包含无线测向及测距步骤，要求学生全部掌握，且部分步骤需要学生参与设计，包括如下步骤：

利用双天线相位法测向：

辐射信号到达两个接收天线之间的波程差为：

ΔR＝d sinθ

其中，d为两个接收天线之间的距离，θ为来波方向与接收天线法线方向的夹角；

产生的相位差为：

其中，λ为波长；

要求学生根据相位差

值自主编程，利用数字信号处理单元FPGA计算出θ值从而确定来波方向，即信标的方向

其中

所以最大测角范围为(-arcsinλ/2d，arcsinλ/2d)；

利用超声波测距法测距：

接收天线最准来波方向θ后，信标同时向搜寻端发射电磁波和超声波；

搜寻端和信标之间的距离为：

s＝vΔt

其中，v为声速，Δt为电磁波和超声波的到达时间差；

信标在极坐标系下的坐标为(θ，s)，实现了对信标的定位。

定位结果可通过数字处理单元转化为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)驱动信号，通过驱动电路控制搜寻端行驶至信标位置。

本发明的有益效果是：

本发明所述装置无需耗费大量体力奔跑，相关专业的学生可以目标更明确地深入学习相关专业知识，无需花费大量体力在奔跑上只为初步了解无线电定向的浅层原理；结构简单、功耗降低，终端仅需要一路信标便可实现对移动端的定位，且搜索过程无需人为干预即可实现对信标的定位及寻获；本发明中电磁波与超声波收发分置，无需增加中心站、基站等附属设施。

本发明所述方法的算法简单，在实验教学的二维场景应用中，测向定位算法按照远程电磁波、近程超声波的方案，公开了超声波发射时刻的具体描述，且系统自带时间同步，无需外加同步时钟，因此通过合理的系统设计，能够降低算法的难度，具体表现在当移动端处理定位相关信息时，仅需角度信息与距离信息两个数据。用途丰富，可用于二维简单场景下的定位、寻迹且定位后的结果可以反馈到移动端进行分析、处理并进行非接触式的导盲，防止移动端移动时撞击到发射端造成损伤。

附图说明

图1为本发明所述装置的结构示意图；

图2为本发明所述装置中信标的结构示意图；

图3为本发明所述装置中搜寻端的结构示意图；

图4为本发明所述方法的流程示意图；

图5为本发明所述方法的电磁波相位法测向示意图；

图6为本发明所述方法的超声波时间差测距示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例提供一种无线电定向实验教学装置，其结构示意图如图1所示，包括信标和搜寻端；所述装置可以在一定范围内设置射频频率，以频分与莫尔斯电码的方式实现对信标的测向标定。

信标作为发射端，其结构示意图如图2所示，包括电磁波发射单元和超声波发射装置；电磁波发射单元包括编码产生器、帧同步码产生器、合成器、数字调制发射机和发射天线；超声波发射装置由超声频率发生器、乘法器、超声驱动器和喇叭；

合成器将编码发生器产生的编码和帧同步码产生器产生的帧同步码进行数据合成，帧同步码中包含信标的莫尔斯码信息，生成调制前的基带信号，数字调制发射机将基带信号调制成电磁波信号，发射天线发射电磁波信号；超声频率发生器产生的特定频率的超声波和帧同步码经乘法器后相乘，产生脉冲超声波信号，经驱动器驱动，通过喇叭发射超声波信号。

搜寻端作为接收端，其结构示意图如图3所示，包括射频接收单元和超声波传感；射频接收单元包括两个接收天线、双通道数字接收机、相位解调模块和方位换算模块；超声波传感包括喇叭、超声波放大器、幅度检波器、目标判决器和距离测量模块；

两个接收天线接收到电磁波信号(垂直极化或水平极化双通道射频信号)，双通道数字接收机解调电磁波信号，完成相位解算，从而测量方位；同时，喇叭接收到超声波信号后，超声放大器将超声波信号放大，幅度检波器对超声波信号进行检波，经过检波后输入目标判决器，目判断目标存在后，距离测量模块结合超声波信号和电磁波信号测量信标和搜寻端的距离。

双通道数字接收机由依次连接的本振、混频器、AD变换器、可变增益放大器组成。

基于如上所述的无线电定向实验教学装置，本实施例还提供了一种无线电定向实验教学方法，其流程示意图如图4所示。

以频分与莫尔斯电码的方式实现对单个无线电信标的选频，搜寻端双接收天线接收标定的信标单元发射的射频信号。由于在较低频率上容易实现相位比较，故通过双接收天线及射频单元将两个接收天线收到的高频信号经于同一本振信号差频后，在中频上进行比较相位。

设两个接收天线接收到的高频信号u₁和u₂分别为：

u₂＝U₂cos(ωt)

其中，U₁和U₂分别为两个接收天线接收到的高频信号的幅值，ω为频率，t为时间，

为两个信号的相位差；

本振信号为：

其中，U_L为本振信号的幅值，ω_L为本振信号的频率，

为本振信号的初相；

第一接收天线接收到的高频信号与本振信号差频信号为：

其中，U_I1为差频信号的幅值；

第二接收天线接收到的高频信号与本振信号差频信号为：

其中，U_I2为差频信号的幅值；

所以经过本振信号混频后的两中频信号的相位差仍然为

如图5所示，本发明测向使用双天线相位法测角，利用两个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。

辐射信号到达两个接收天线之间的波程差为：

ΔR＝d sinθ

其中，d为两个接收天线之间的距离，认为到达接收点的信号目标发射的电波近似为平面波，θ为来波方向与接收天线法线方向的夹角；

产生的相位差为：

其中，λ为波长；

由于相位差测量不准会产生测角误差：

由测角误差公式可以看出，采用高精度的相位计，或增大d/λ均可提高测角精度。但是在测角范围内，当d/λ加大到一定程度时，

值可能超过2π，此时，

其中N为整数，ψ＜2π，而相位计实际读数为ψ值。由于N不确定，就会出现多值性问题。利用三天线测角设备可以有效的解决多值问题，但由于本实施例设计限于测向平台的尺寸(15cm×15cm)与波长相当，无法增加一个天线单元解决多值性的问题。

为了避免相位模糊问题，本实施例设计两个接收天线之间的间距为d＝λ≈12cm；

由公式

可计算出最大无模糊角θ的测角范围为±30°。

测角精度

符合装置测角精度≤5°的要求。

要求学生根据相位差

值自主编程，利用数字信号处理单元FPGA计算出θ值从而确定来波方向，即信标的方向

如图6所示，本实施例采用装载在移动接收端上的超声波测距模块，将接收天线沿目标信标方向θ对准来波方向，此时信标发射电磁波，发射的电磁波的一帧格式依次为帧头、数据、校验位，以帧头时刻作为超声波的发射t₀。接收天线于t₁时刻接收电磁波帧头，并解调数据获得时刻t₀，接收端超声波传感器于t₂时刻接收到超声波，可测得Δt＝t₂-t₀，忽略电磁波的传播时长。

搜寻端和信标之间的距离为：

s＝vΔt

其中，v为声速，Δt为电磁波和超声波的到达时间差；

信标在极坐标系下的坐标为(θ，s)，实现了对信标的定位。

进一步的，定位结果(θ，s)可通过数字处理单元转化为脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation，PWM)驱动信号，通过驱动电路控制搜寻端行驶至信标位置。

为对搜寻端对信标定位行驶结果做出明确标识，信标载有灯光和声音以及振动传感器。驱动信号输入驱动接口，通过装有驱动电路的小车即可控制移动接收端向发射端的行进，完成对于信标的导航过程，当移动接收端靠近目标信标时，无需碰撞便可感知，因此本发明可应用于无线电定向运动中信标的寻获并导航，感知完成后信标将发出声音并显示灯光。

Claims (5)

1.一种无线电定向实验教学装置，其特征在于，包括信标和搜寻端；

信标作为发射端，包括电磁波发射单元和超声波发射装置；电磁波发射单元包括编码产生器、帧同步码产生器、合成器、数字调制发射机和发射天线；超声波发射装置由超声频率发生器、乘法器、超声驱动器和喇叭；

合成器将编码发生器产生的编码和帧同步码产生器产生的帧同步码进行数据合成，生成调制前的基带信号，数字调制发射机将基带信号调制成电磁波信号，发射天线发射电磁波信号；超声频率发生器产生的特定频率的超声波和帧同步码经乘法器后相乘后，经超声驱动器驱动，通过喇叭发射超声波信号；

搜寻端作为接收端，包括射频接收单元和超声波传感；射频接收单元包括两个接收天线、双通道数字接收机、相位解调模块和方位换算模块；超声波传感包括喇叭、超声波放大器、幅度检波器、目标判决器和距离测量模块；

两个接收天线接收到电磁波信号，双通道数字接收机解调电磁波信号，完成相位解算，从而测量方位；喇叭接收到超声波信号后，超声放大器将超声波信号放大，幅度检波器对超声波信号进行检波，经过检波后输入目标判决器，目判断目标存在后，距离测量模块结合超声波信号和电磁波信号测量信标和搜寻端的距离。

2.根据权利要求1所述的无线电定向实验教学装置，其特征在于，双通道数字接收机由依次连接的本振、混频器、AD变换器、可变增益放大器组成。

3.一种无线电定向实验教学方法，基于权利要求1所述的无线电定向实验教学装置，其特征在于，包括如下步骤：

利用双天线相位法测向：

辐射信号到达两个接收天线之间的波程差为：

ΔR＝d sinθ

其中，d为两个接收天线之间的距离，θ为来波方向与接收天线法线方向的夹角；

产生的相位差为：

其中，λ为波长；

要求学生根据相位差

值自主编程，利用数字信号处理单元FPGA计算出θ值从而确定来波方向，即信标的方向

其中

所以最大测角范围为(-arcsinλ/2d，arcsinλ/2d)；

利用超声波测距法测距：

接收天线最准来波方向θ后，信标同时向搜寻端发射电磁波和超声波；

搜寻端和信标之间的距离为：

s＝vΔt

其中，v为声速，Δt为电磁波和超声波的到达时间差；

信标在极坐标系下的坐标为(θ，s)，实现了对信标的定位。

4.根据权利要求2所述的无线电定向实验教学方法，其特征在于，定位结果可通过数字处理单元转化为脉冲宽度调制驱动信号，通过驱动电路控制搜寻端行驶至信标位置。

5.根据权利要求2所述的无线电定向实验教学方法，其特征在于，d＝λ。

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