CN113608202A - 基于回感信号增加感应距离的传感控制系统 - Google Patents

基于回感信号增加感应距离的传感控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线电技术领域，具体地说，涉及基于回感信号增加感应距离的传感控制系统。其包括信号感应单元、信号增强单元、无线电测距单元、传感控制单元和数据存储单元。本发明通过信号增强单元增大信号感应单元的回感信号，使动态补偿模块通过调节初级回路内的广义耦合因子变量实现阻抗动态补偿，抗干扰模块解决认知无线电网络的干扰抑制问题，有利于避免周围其他传感器的干扰到的传输，提高传感控制效率。

Description

基于回感信号增加感应距离的传感控制系统
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，具体地说，涉及基于回感信号增加感应距离的传感控制系统。
背景技术
测距技术是雷达、导航、通信、定位、工业测井等系统中广泛使用的关键技，随着导航定位技术和无线通信技术的飞速发展，人们对距离测量的精度、广度和抗干扰性提出了越来越高的要求，测距系统也要求作用距离大、测距精度高、反应速度快，这都要求必须改善传统测距系统的性能；
然而目前在进行无线电测距控制时，对于远距离传感的精度有待提高，无线电测距过程中容易受到外界电波的干扰，影响回感信号的控制，同时，在无线电测距传送数据时，在过耦合区因耦合距离变化导致传输性能劣化，尤其在卫星信号范围外时，传感控制信号较弱，目前的系统功能欠缺，不能增强回感信号，导致传感控制效率低，鉴于此，我们提出基于回感信号增加感应距离的传感控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，包括信号感应单元、信号增强单元、无线电测距单元、传感控制单元和数据存储单元；
所述信号感应单元用于接收卫星信号的测量数据，传输回感信号；
所述信号增强单元用于增大所述信号感应单元的回感信号；
所述无线电测距单元用于接收所述信号感应单元的回感信号，解算测量数据，实现距离数据的感应；
所述传感控制单元用于控制所述信号感应单元接收卫星信号，处理所述无线电测距单元接收的回感信号；
所述数据存储单元用于存储所述无线电测距单元的距离数据。
作为本技术方案的进一步改进，所述信号感应单元包括GPS接收模块和天线模块，所述GPS接收模块用于接收和传输信号，天线模块用于提供所述GPS接收模块接收信号的载体；
具体的，天线模块选用天线，天线为右圆极化，其增益变化在天顶约为2.5dBic，在仰角为10 度时接近于1，在10度以下时增益通常变为负的，因为卫星信号是右圆极化形式，所以较适合用圆锥螺旋天线或将其变换形状进行接收，选用天线时需要注意的参数有:无线电相位中心的稳定度和抗干扰性、多径性能、空气动力性能、可用的安装面积、天线增益场形等因素，通常军用飞机使用波束控制和自动适应调零天线以用来抵制相关的干扰，而自动适应调零天线是通过电子技术调节的，在干扰源方向上建立零点；
GPS接收模块采用多通道技术，就是一个GPS接收机可以同时跟踪多颗卫星，并且可同时锁定多颗卫星，这就大大缩短了确定卫星的PVT时间。
作为本技术方案的进一步改进，所述信号增强单元包括动态补偿模块和抗干扰模块，所述动态补偿模块用于通过调节初级回路内的广义耦合因子变量实现阻抗动态补偿；所述抗干扰模块用于解决认知无线电网络的干扰抑制问题。
作为本技术方案的进一步改进，所述动态补偿模块采用阻抗动态补偿算法，包括以下步骤：
采用电路理论建模并分析系统输出功率、传输效率和特性参数的相互作用机理；
获得系统输出功率特性曲线与传输效率特性曲线的变化规律，得到补偿线圈之间的广义耦合因子对系统输出功率特性曲线和传输效率特性曲线的直接影响关系；
分析阻抗动态补偿机理，调节广义耦合因子控制高频功率曲线或效率曲线向高频方向移动量；
具体的，阻抗动态补偿时的结构如图所示，霍尔电流与电压传感器动态获取次级回路的电流I2和电压UL，经调理电路处理后送人接收系统DSP控制器进行处理,得到接收系统输出功率，然后通信模块将功率参数传输到发射系统，发射系统DSP控制器比较前后2次功率大小及功率变化方向，经调理电路处理后送人伺服电动机执行机构调节补偿线圈间的耦合距离d1，使系统跟踪实现最大功率输出。
作为本技术方案的进一步改进，所述抗干扰模块采用空域分集算法，包括以下步骤：
通过均匀圆环阵列天线对干扰进行感知；
利用MUSIC算法对干扰到达方向进行二维估计；
采用自适应波束形成算法进行空间自适应波束形成，实现主回感信号和周围回感信号在空域上进行分离的目的，主回感信号是主要的无线电波测距发射端通过天线发射到接收端的信号，周围回感信号是周围多个其他传感器的信号，通过天线阵列单元的信号加权幅度和相位来改变方向图形状，产生可控波束方向图，使接收端的天线主波束对准发射端的来波方向，同时在干扰方向形成零陷，从而达到抑制干扰无线电波测距发射端通过天线发射到接收端的信号的目的，有利于避免周围其他传感器的干扰到的传输，提高传感控制效率。
作为本技术方案的进一步改进，所述MUSIC算法包括以下步骤：
收集输入样本，估计输入协方差矩阵；
对协方差矩阵进行特征分解：
RxU=UA，其中，Rx为协方差矩阵，A为特征值，U为特征向量组成的矩阵；
用最小特征值的重数，估计信号数；
计算二维MUSIC角度谱，找到最小特征值重数对应的信号数最大峰值，得到到达方向的估计。
作为本技术方案的进一步改进，所述自适应波束形成算法计算公式如下：
W=R-1C(CTR-1C)-1f
其中，W为系数向量，R为输入信号自协方差矩阵，C为约束矩阵，f为增益向量，波束形成是信号处理的一个重要的步骤，它旨在使接收的阵列能够按照期望的方向接收信号，并且抑制其它方向信号的干扰，自适应波束形成往往具有比常规波束形成更尖的指向性和抗强干扰能力。
作为本技术方案的进一步改进，所述无线电测距单元采用GPS无线电测距算法，计算公式如下：
Figure 25784DEST_PATH_IMAGE002
其中，（X,Y,Z）为待测点的位置坐标，（X1,Y1,Z1）、（X2,Y2,Z2）、…、（Xn,Yn,Zn）依次为第1、2、…、n个卫星坐标，d1、d2、…、dn依次为第1、2、…、n个卫星到待测点的距离，n为卫星个数；
具体的，利用GPS确定待测点空间位置，其基本原理是，先在由GPS接收机发送信号至监测站内，通过监测站接收各可见卫星的信号，直接或间接测定信号的传播时间，求出卫星至接收机天线电磁心的距离，再根据各卫星的空间坐标，采用距离后方交会方法，测量待测点到卫星的距离，实现无线电测距，同时通过多个卫星测量待测点的位置坐标，提高了测距的准确性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
该基于回感信号增加感应距离的传感控制系统中，通过信号增强单元增大信号感应单元的回感信号，使动态补偿模块通过调节初级回路内的广义耦合因子变量实现阻抗动态补偿，抗干扰模块解决认知无线电网络的干扰抑制问题，有利于避免周围其他传感器的干扰到的传输，提高传感控制效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的整体原理图；
图2为本发明实施例1的无线电测距单元原理图；
图3为本发明实施例1的动态补偿模块原理图。
图中各个标号意义为：
100、信号感应单元；
200、信号增强单元；
300、无线电测距单元；
400、传感控制单元；
500、数据存储单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-图3所示，本实施例提供基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，包括信号感应单元100、信号增强单元200、无线电测距单元300、传感控制单元400和数据存储单元500；
信号感应单元100用于接收卫星信号的测量数据，传输回感信号；
本实施例中的，信号感应单元100包括GPS接收模块和天线模块，GPS接收模块用于接收和传输信号，天线模块用于提供GPS接收模块接收信号的载体；
具体的，天线模块选用天线，天线为右圆极化，其增益变化在天顶约为2.5dBic，在仰角为10 度时接近于1，在10度以下时增益通常变为负的，因为卫星信号是右圆极化形式，所以较适合用圆锥螺旋天线或将其变换形状进行接收，选用天线时需要注意的参数有:无线电相位中心的稳定度和抗干扰性、多径性能、空气动力性能、可用的安装面积、天线增益场形等因素，通常军用飞机使用波束控制和自动适应调零天线以用来抵制相关的干扰，而自动适应调零天线是通过电子技术调节的，在干扰源方向上建立零点；
GPS接收模块采用多通道技术，就是一个GPS接收机可以同时跟踪多颗卫星，并且可同时锁定多颗卫星，这就大大缩短了确定卫星的PVT时间。
信号增强单元200用于增大信号感应单元100的回感信号；
进一步的，信号增强单元200包括动态补偿模块和抗干扰模块，动态补偿模块用于通过调节初级回路内的广义耦合因子变量实现阻抗动态补偿；抗干扰模块用于解决认知无线电网络的干扰抑制问题。
为了提高补偿效果，动态补偿模块采用阻抗动态补偿算法，包括以下步骤：
采用电路理论建模并分析系统输出功率、传输效率和特性参数的相互作用机理；
获得系统输出功率特性曲线与传输效率特性曲线的变化规律，得到补偿线圈之间的广义耦合因子对系统输出功率特性曲线和传输效率特性曲线的直接影响关系；
分析阻抗动态补偿机理，调节广义耦合因子控制高频功率曲线或效率曲线向高频方向移动量；
具体的，阻抗动态补偿时的结构如图3所示，霍尔电流与电压传感器动态获取次级回路的电流I2和电压UL，经调理电路处理后送人接收系统DSP控制器进行处理,得到接收系统输出功率，然后通信模块将功率参数传输到发射系统，发射系统DSP控制器比较前后2次功率大小及功率变化方向，经调理电路处理后送人伺服电动机执行机构调节补偿线圈间的耦合距离d1，使系统跟踪实现最大功率输出。
为了提高抗干扰效果，抗干扰模块采用空域分集算法，包括以下步骤：
通过均匀圆环阵列天线对干扰进行感知；
利用MUSIC算法对干扰到达方向进行二维估计；
采用自适应波束形成算法进行空间自适应波束形成，实现主回感信号和周围回感信号在空域上进行分离的目的，主回感信号是主要的无线电波测距发射端通过天线发射到接收端的信号，周围回感信号是周围多个其他传感器的信号，通过天线阵列单元的信号加权幅度和相位来改变方向图形状，产生可控波束方向图，使接收端的天线主波束对准发射端的来波方向，同时在干扰方向形成零陷，从而达到抑制干扰无线电波测距发射端通过天线发射到接收端的信号的目的，有利于避免周围其他传感器的干扰到的传输，提高传感控制效率。
具体的，MUSIC算法包括以下步骤：
收集输入样本，估计输入协方差矩阵；
对协方差矩阵进行特征分解：
RxU=UA，其中，Rx为协方差矩阵，A为特征值，U为特征向量组成的矩阵；
用最小特征值的重数，估计信号数；
计算二维MUSIC角度谱，找到最小特征值重数对应的信号数最大峰值，得到到达方向的估计。
具体的，自适应波束形成算法计算公式如下：
W=R-1C(CTR-1C)-1f
其中，W为系数向量，R为输入信号自协方差矩阵，C为约束矩阵，f为增益向量，波束形成是信号处理的一个重要的步骤，它旨在使接收的阵列能够按照期望的方向接收信号，并且抑制其它方向信号的干扰，自适应波束形成往往具有比常规波束形成更尖的指向性和抗强干扰能力。
无线电测距单元300用于接收信号感应单元100的回感信号，解算测量数据，实现距离数据的感应；
为了提高测距的准确性，无线电测距单元300采用GPS无线电测距算法，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，（X,Y,Z）为待测点的位置坐标，（X1,Y1,Z1）、（X2,Y2,Z2）、…、（Xn,Yn,Zn）依次为第1、2、…、n个卫星坐标，d1、d2、…、dn依次为第1、2、…、n个卫星到待测点的距离，n为卫星个数；
具体的，利用GPS确定待测点空间位置，其基本原理是，先在由GPS接收机发送信号至监测站内，通过监测站接收各可见卫星的信号，直接或间接测定信号的传播时间，求出卫星至接收机天线电磁心的距离，再根据各卫星的空间坐标，采用距离后方交会方法，测量待测点到卫星的距离，实现无线电测距，同时通过多个卫星测量待测点的位置坐标，提高了测距的准确性。
传感控制单元400用于控制信号感应单元100接收卫星信号，处理无线电测距单元300接收的回感信号；
数据存储单元500用于存储无线电测距单元300的距离数据。
具体的，数据存储单元500主要存储每次测量的时间和距离信息，将测量的时间、距离等信息以txt格式存储到电脑中以便于日后分析。
本发明在具体实施步骤为：先通过信号感应单元100接收卫星的信号，若在卫星信号范围内，则直接传输回感信号至无线电测距单元300，如果在卫星信号范围外，则传输回感信号至信号增强单元200，对回感信号进行补偿，抑制干扰，然后在传输信号至无线电测距单元300，通过无线电测距单元300对测量数据解算待测点的距离，实现无线电测距，同时传感控制单元400对系统测距进行控制，数据存储单元500存储数据，便于后续分析查询。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：包括信号感应单元（100）、信号增强单元（200）、无线电测距单元（300）、传感控制单元（400）和数据存储单元（500）；
所述信号感应单元（100）用于接收卫星信号的测量数据，传输回感信号；
所述信号增强单元（200）用于增大所述信号感应单元（100）的回感信号；
所述无线电测距单元（300）用于接收所述信号感应单元（100）的回感信号，解算测量数据，实现距离数据的感应；
所述传感控制单元（400）用于控制所述信号感应单元（100）接收卫星信号，处理所述无线电测距单元（300）接收的回感信号；
所述数据存储单元（500）用于存储所述无线电测距单元（300）的距离数据。
2.根据权利要求1所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述信号感应单元（100）包括GPS接收模块和天线模块，所述GPS接收模块用于接收和传输信号，天线模块用于提供所述GPS接收模块接收信号的载体。
3.根据权利要求1所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述信号增强单元（200）包括动态补偿模块和抗干扰模块，所述动态补偿模块用于通过调节初级回路内的广义耦合因子变量实现阻抗动态补偿；所述抗干扰模块用于解决认知无线电网络的干扰抑制问题。
4.根据权利要求3所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述动态补偿模块采用阻抗动态补偿算法，包括以下步骤：
采用电路理论建模并分析系统输出功率、传输效率和特性参数的相互作用机理；
获得系统输出功率特性曲线与传输效率特性曲线的变化规律，得到补偿线圈之间的广义耦合因子对系统输出功率特性曲线和传输效率特性曲线的直接影响关系；
分析阻抗动态补偿机理，调节广义耦合因子控制高频功率曲线或效率曲线向高频方向移动量。
5.根据权利要求3所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述抗干扰模块采用空域分集算法，包括以下步骤：
通过均匀圆环阵列天线对干扰进行感知；
利用MUSIC算法对干扰到达方向进行二维估计；
采用自适应波束形成算法进行空间自适应波束形成，实现主回感信号和周围回感信号在空域上进行分离的目的。
6.根据权利要求5所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述MUSIC算法包括以下步骤：
收集输入样本，估计输入协方差矩阵；
对协方差矩阵进行特征分解：
RxU=UA，其中，Rx为协方差矩阵，A为特征值，U为特征向量组成的矩阵；
用最小特征值的重数，估计信号数；
计算二维MUSIC角度谱，找到最小特征值重数对应的信号数最大峰值，得到到达方向的估计。
7.根据权利要求5所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述自适应波束形成算法计算公式如下：
W=R-1C(CTR-1C)-1f
其中，W为系数向量，R为输入信号自协方差矩阵，C为约束矩阵，f为增益向量。
8.根据权利要求1所述的基于回感信号增加感应距离的传感控制系统，其特征在于：所述无线电测距单元（300）采用GPS无线电测距算法，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，（X,Y,Z）为待测点的位置坐标，（X1,Y1,Z1）、（X2,Y2,Z2）、…、（Xn,Yn,Zn）依次为第1、2、…、n个卫星坐标，d1、d2、…、dn依次为第1、2、…、n个卫星到待测点的距离，n为卫星个数。
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