CN1339879A - 一种无线电通讯、测距及区域定位系统 - Google Patents

Abstract

一种无线电通信、测距及区域定位系统,属无线电通信技术领域。它是在原有通信系统的基础上,增设一个或少数几个低频的正弦信号作为定位信号。定位信号与原通信信号一起对高频载波进行调制、发射,接收机对该复合信号解调。定位信号的相位变化与电波传播的距离成正比,由此可进行测距和定位。它能够在通话过程中实现测距,在固定基站配合下,实现区域定位。具有适应范围宽、精度高、成本低、容易实现的优点,可广泛用于军用和民用通信、测距和定位中。

Description

一种无线电通信、测距及区域定位系统

本发明涉及一种无线电通信、测距及区域定位系统，属无线电通信技术领域。

现在所用的无线电通讯设备，如对讲机、手机、车载电话等，都不具备测距或定位功能，目前广泛使用的定位系统是GPS，它采用若干颗定位卫星发射定位信号，用户设备接收卫星发射的无线电波，并根据传输时间确定距离，然后再计算出位置。由于GPS系统必须采用24颗卫星和高精度时钟，研制费用昂贵，只有美国拥有此系统，一般用户的测量精度为100米左右。

本发明的目的是提供一种无线电通信、测距及区域定位系统，它能够在通话过程中实现测距，在固定基站的配合下，实现区域定位。通信与定位联合系统的含义包括以下三个层面：功能扩展，既能通信又能定位，满足多功能用户的需求；现有频率资源、现有软硬件环境的有效利用。例如，广播、电视、移动通信的硬件和软件，经过开发，也可用于定位需要；功能渗透，当已知用户位置时，可以实现功率控制，或利用智能天线提高通信质量。

本发明中，为进行测距和定位，设定一个或少数几个低频正弦信号作为定位信号。定位信号与原有通信信号一起构成复合的基带信号。该基带信号对高频载波进行调制，然后发射。移动用户的接收机收到该复合信号并完成解调。解调后定位信号的相位变化与电波传播的距离成正比，由此可通过定位信号相位变化的测量完成测距和定位。本方法对系统采用的调制、解调的方式没有限制，可以是调幅、调频或各种编码体制。本方法对通信类别也无限制，可以是模拟信号通信或数字信号通信。

通讯和测距系统包括两个以上用户机，每个用户机包括载频信号发生器、话音系统、调制器、环行器、天线、接收机和连接接收机的受话器，环行器接收调制器和天线的信号并分别发向天线和接收机。接收机和调制器之间接有一双掷开关和与双掷开关相接的定位信号发生器和鉴相器，双掷开关的一种状态是接收机与调制器直接相连；另一状态是接收机的信号加给鉴相器，此外，定位信号发生器的信号也加给鉴相器并同时加给调制器。

为了在扩大测量距离的同时使测量精度不受影响，每个用户机的定位信号由两个频率相近的正弦信号组成，调制器由两个调制器和接收这两个调制器输出信号的功率合成电路组成，两调制器都接收载频信号发生器的信号，其中一个还接收话音信号。载频信号和定位信号均由一频率合成器产生。

对于两用户间通讯，用户机的接收机部分可包括一个高频放大器，它接收从天线经环行器的信号，高频放大器的输出信号和本机振荡器的信号一起加给混频器，其输出的信号为载频信号和本振信号的差频分量，并经一中频放大器放大后加到一个解调器。解调器将调制前的基带信号还原出来，并分别加到三个带通滤波器。其中一个滤波器将话音信号滤出，放大后送到扬声器或耳机。第二个带通滤波器的低频输出信号和另一低频本机振荡器加到另外一个下变频器，该下变频器的输出经另外两个带通滤波器、一个下变频器和中心频率为两正弦定位信号频率之差的带通滤波器后，输出一个频率和两正弦定位信号频率之差相等的信号，用于距离粗测。第三个滤波器滤出两频率相近的正弦定位信号中的一个，用于距离精测。

对于多用户的同时通信和定位，用户机的接收机可包括一个宽带低噪声高频放大器，它接收从天线经环行器的信号，高频放大器的输出信号和一由数字处理机控制的线性扫频发生器的信号进入下变频器，其输出经中频放大和解调后，与两个频率相近的正弦定位信号一起进入A/D变换器，变成数字信号后进入数字处理机进行处理。

本发明的无线电区域定位系统，它包括四个以上固定位置的无线电台站和用户机。区域定位系统有两种不同的组成方法：

用户自己定位：系统的四个固定台站中有一个为主台站，其它为附台站。主台站有一个定位信号发生器，其输出信号随主台站的载频信号一起发射给个附台站和用户。各附台站都有一可解算出主站定位信号频率的接收机，接收机解算出定位信号频率并消除因主站和本附台站之间固定距离造成的恒定相位差后，随各附台站的载频发射出去，从而用户机可收到各台站的定位信号，测出用户到各台站的距离差，并进一步解算出自己的位置。

由至少四个固定台站或基站确定用户的位置：采用“双用户测距”原理，测出各基站到用户的距离，不过只要各基站测出它们到用户的距离就行，因此可去掉用户机测量相位的相应部分。

本发明具有适应范围广、精度高、成本低、容易实现的优点，可用于军用和民用通信、测距和定位中。

下面结合附图对本发明做进一步详述。

本发明分为基本系统和区域定位系统(Area Position System，简称APS)，基本系统可实现任意两用户间或多用户间的通信和距离的测定；区域定位系统利用四个(或更多)地面上已知地理坐标的固定无线电台站，由此确定用户的位置。

当本发明中的通信为语音通信时，通信、定位系统使用的基带信号频谱结构如图1所示。其中，20Hz～20KHz为语音通信所需频谱，定位所需频谱为一条或两条低频谱线。定位谱线的位置安排在20KHz～200KHz之间。

实现任意两用户间双向通信和两用户间距离测定的基本系统框图见图2。图中02为用户A，01为用户B。01和02的组成相同。

205为频率等于ω₀₁的载频信号发生器。210为频率等于Ω(Ω＝2πF_Ω)的定位信号发生器，其产生的信号为cosΩt。F_Ω是一个低频信号，如F_Ω＝150KHz。204为调制器(对于调幅体制，调制器为乘法器；对于调频体制，调制器为频率调制器；对于编码体制，这里的调制器为编码器等)，在采用调幅体制时，调制器204输出的有效定位信号的数学表达式为cos(ω₀₁±Ω)t。203为环行器，204的信号经环行器后，送至天线202发射出去。

设两用户的距离为D。用户B的天线102收到的有效定位信号为，cos(ω₀₁±Ω)(t＋Δt)，Δt＝D/c

式中c光速。该信号经过环行器103进入接收机模块106。接收机解算出cos(Ωt＋ΩΔt)。105为用户B的载频信号发生器，工作频率为ω₀₂。104为调制器。将接收机输出的信号cos(Ωt＋ΩΔt)加到104调制器，104的输出为cos(ω₀₂±Ω)(t＋Δt)。该信号经环行器103、天线102，发送给用户A。

用户A的天线202收到的信号为cos(ω₀₂±Ω)(t＋2Δt)。该信号经环行器203送到接收机模块206，206解算出信号cos(Ωt＋2ΩΔt)。上述信号与210的信号cosΩt比较，并由鉴相器209(或109)测出相位差Δφ＝2ΩΔt。于是，用户A、B间的距离等于 $D=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\Δ\φ}$     $\mathrm{\λ}=\frac{c}{2F_{\mathrm{\Ω}}}$

当Δφ从0～2π时，D从0～λ。例如F_Ω＝150KHz，λ＝1KM；如F_Ω＝1KHz，λ＝150KM。

用户A进行测距时，02单元的双掷开关K_A与2-2点连接，01单元的双掷开关K_B与1-1点连接。用户B进行测距时，02单元的双掷开关K_A与1-1点连接，01单元的双掷开关K_B与2-2点连接。实际上，两个双掷开关可以是电子开关，并按照一定的频率进行转换，按分时法使两用户同时进完成测距。

为不影响通信，希望F_Ω＞20KHz。例如取F_Ω＝150KHz，最大量程D₀＝1KM。如果测量相位的精度为0.5度，相对测量精度为1/720＝1.4×10^-3。对1KM来说，精度为1.4米。

对大的通信距离，可采用如下措施：令发射信号中的定位频谱为两条：

             cosω₁₁t    (1)

             cosω₁₂t    (2)见图1。频谱ω₁₁和频谱ω₁₂混频，取差频得cos(ω₁₂－ω₁₁)t。显然，如果F₁₁＝150KHz，F₁₂＝151KHz，经过处理后，可以使F_Ω有两个等效的数值：一个是150KHz：另一个是1KHz。于是，可用F_Ω＝1KHz在150公里范围内进行距离粗测，用F_Ω＝150KHz，在1公里内进行精测，使整个150公里范围内的绝对测量精度达到1.4米，相对测量精度达到1×10^-5。

为了实现上述要求，发射机模块组成见图3。301为频率合成器，它产生四个频率信号：发射机载频频率ω₀；定位信号ω₁₁、ω₁₂和ω₁₂－ω₁₁。 305为音频放大器，对语音通信的信号放大。302为调制器M₂，303为调制器M₁，它们可以是振幅调制器，也可是频率调制器或编码器等。频率合成器产生的载频信号ω₀同时加到调制器M₁和M₂。定位信号ω₁₁加到调制器M₁，对载波信号进行调制。定位信号ω₁₂和语音信号加到调制器M₂，对载波信号进行调制。304为功率合成器，将调制器M₁和M₂输出的已调制信号进行合成，形成图1所要求的频谱结构。

对于两用户间的通信和测距，接收机模块采用点频系统。点频系统中，接收机模块组成见图4。401为低噪声高频放大器，对接收的信号进行预放。404为第一本机振荡器，产生频率为F_L1，F_L1＝F₀＋F_1F。F₀为载频频率，F_1F为中频频率，如465KHz。

402为混频器，其输出为信号与本振的差频分量。403为中频放大器。405为解调器，依赖于通信体制不同，可以是调幅信号的检波器、FM信号的鉴频器或解码器。405输出的频谱就是图1的谱。带通滤波器(简称B.P.F.)406滤出语音信号，经409放大后与耳机相连接，完成语音通信任务。

带通滤波器407滤出ω₁₁。 408滤出两条定位频谱：ω₁₂和ω₁₁。 411为第二本机振荡器，输出频率为F_L2，F_L2＝F₁₁+5(单位为KHz)。410为下变频器。带通滤波器412的中心频率为5KHz。滤波器413的中心频率为5-|F₁₂-F₁₁|(单位为KHz)。414为下变频器。带通滤波器415的中心频率为(|F₁₂-F₁₁|)。ω₁₁和ω₁₂－ω₁₁进入相位测量电路，并经过相位测量完成测距任务。

测量两个固定台站的距离差是区域定位系统的关键技术。对这种应用所需的点频接收机模块见图5。503为频率合成器。根据事先确定的两个固定台站的载频频率F₀₁和F₀₂，频率合成器产生本机振荡频率F_L1＝F₀₁＋F_1F，F_L2＝F₀₂＋F_1F，F_L3＝F₁₁＋5KHz。

501，506和512为一路接收机。513，517和523为另一路接收机。这两路接收机的构成与图4接收机的构成没有不同。

524为数字处理机，它的主要功能是：通过对512和523输出的信号进行相位测量(粗测)以及对506和517输出的信号之间的相位测量(精测)，由此测出接收机到两个固定台站的距离差；对接收机进行管理，如预定F_Oi和调整F_Li等。

扫频接收机系统用于N个用户间的通信和定位(N＞2)。用户可同时与多个目标进行通信，并测量出与各目标间的距离、距离差等等。扫频系统中，接收机模块组成见图6。

604为线性扫频发生器，其输出频率随时间线性增长。601为宽带低噪声高频放大器。602为下变频器，603为中频放大器。605为解调器。608为模拟/数字变换器(A/D变换器)，609为数字信号处理机。为实现相位测量，将ω₁₁和ω₁₂同时接到A/D变换器。

区域定位系统(APS)组成：用户接收四个地面固定无线电台站(它们的地理坐标已知)发射的定位信号，进行相位测量，就可确定自己的地理坐标(包括位置和高度)。根据这个原理构成的区域定位系统(APS)的框图见图7。

图7中，A、B、C、D为四个已知地理坐标的固定台站，主站为A。705和706为载频为ω_A的发射机。703为定位信号发生器，其频率为Ω(包括ω₁₁和ω₁₂)。A站发射的信号同时传送给附台站B、C、D…和用户。B、C、D…收到A站的信号后，解算出Ω(包括ω₁₁和ω₁₂)，并修正因固定台站之间传输距离引起的恒定相位移，然后用各自不同的载频ω_B、ω_C、ω_D…发射出去。

发射台站的地理坐标分别为天线701、707、711和715的相位中心。

719为接收机P₁，它至少可同时(或顺序)接收四个台站中两个台站(如A和B)的信号，并解算出这两个台站(A和B)的相位差(距离差D_a-D_b)。然后测出AC，CD间的距离差。由此算出接收机P₁的位置和高度。720为接收机P₂，722为接收机P_N，它们都可用同样方法确定自己的地理坐标。如果P₁、P₂…P_N等用户在确定各自坐标后，定时发送给主站A，主站A再转发到所有用户，于是任何一个用户不但能知道自己的位置，还可以知道该区域内其它目标的位置信息。在上面叙述的APS中，用户自己完成测距，也可以将测距结果传给基站。这种工作方式中，用户完全不需要发射信号，只是被动的接收基站的定位信号。

另一种区域定位系统(APS)是由基站测量用户的位置，也可以将测量结果告诉用户，但用户必须接收基站的信号并发射一个返回信号。由基站确定用户位置的原理基本上与图2所示“双用户测距”的原理相同，不过只要完成各基站对用户的测距就行了。因此，可以去掉用户机中测量相位的相应电路部分。由基站确定用户位置系统的框图见图8。其中A站产生一个定位谱线Ω(为解决量程和精度的矛盾，也可以采用两条定位谱线)，经过调制器M_A发射给用户。用户经过解调器解算出Ω，然后经接收机的调制器调制后返回基站A。基站接收机将用户的信号解调后，得到频率为Ω的信号。通过鉴相器测出Δφ_A，即可测出基站A到用户的距离。图8中的B站、C站和D站用同样的方法测出Δφ_B、Δφ_C和Δφ_D，即测出各基站至用户的距离，并进一步确定用户的位置和高度。这种方法无需利用GPS，测量精度可以在几米以内。

Claims (6)

1.一种无线电通信、测距系统，它包括两个以上用户机，每个用户机包括载频信号发生器、发话器、定位信号发生器、调制器、环行器、天线、接收机和连接接收机的受话器，环行器接收调制器和天线的信号并分别发向天线和接收机，其特征在于：接收机和调制器之间接有一双掷开关和与双掷开关相接的定位信号发生器和鉴相器，双掷开关的一种状态是接收机与调制器直接相接；另一状态是接收机输出的定位信号加给鉴相器，此外定位发生器的信号也加给鉴相器并同时加给调制器。

2.根据权利要求1所述的无线电通信、测距系统，其特征是用户机的定位信号由两个频率相近的正弦信号构成，调制器由两个调制器和接收这两个调制器输出信号的功率合成电路组成，两个调制器都接收载频信号发生器的信号和分别接收定位信号发生器的信号，其中一个还接收话音信号。

3.根据权利要求1、2所述的无线电通信、测距系统，其特征是用户机对于两用户间通讯，用户机的接收机可包括一个高频放大器，它接收从天线经环行器的信号，高频放大器的输出信号和本机振荡器的信号一起加给混频器，其输出的信号为载频信号和本振信号的差频分量并经一个中频放大器放大后加到一个解调器，解调器将调制前的基带信号还原出来，并分别加到三个带通滤波器，其中一个滤波器将话音信号滤出，放大后送到扬声器或耳机。第二个带通滤波器的低频输出信号和另一低频本机振荡器加到另外一个下变频器，该下变频器的输出经另外两个带通滤波器、一个下变频器和中心频率为两正弦定位信号频率之差的带通滤波器后，输出一个频率和两正弦定位信号频率之差相等的信号，用于距离粗测，第三个滤波器滤出两频率相近的正弦定位信号中的一个，用于距离精测。

4.根据权利要求1、2所述的无线电通信、测距系统，其特征是用户机的接收机包括一个宽带低噪声高频放大器，它接收从天线经环行器的信号，高频放大器的输出信号和一由数字处理机控制的线性扫频发生器的信号进入下变频器，其输出经中频放大和解调后，与两个频率相近的定位信号一起进入A/D变换器，变成数字信号后进入数字处理机进行处理。

5.一种无线电区域定位系统，其特征是：包括四个以上固定位置的无线电台站和用户机。四个固定台站中有一个为主台站，其它为附台站，主台站有一个定位信号发生器，其输出信号随主台站的载频信号一起发射出去，各附台站都有一可解算出主站定位信号频率的接收机，接收机解算出定位信号并消除因主站和本附台站之间固定距离造成的恒定相位差后，随各附台站的载频发射出去，从而用户机可收到各台站的定位信号，测出用户到各台站的距离差，并进一步解算出自己的位置。

6.根据权利要求5所述的无线电区域定位系统，其特征是：由固定台站或基站确定用户的位置，其方法的实质是采用“双用户测距”原理，只需各基站测出它们到用户的距离即可。

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