具有定向功能的手持式測向設備和測向定位方法
2023-05-25 02:01:01
專利名稱：具有定向功能的手持式測向設備和測向定位方法
技術領域：
本發明涉及無線電測向設備和測向定位方法，特別是一種基於GPS定位信息及電子羅盤指向信息的無線電信號測向定位設備和測向定位方法。
背景技術：
無線電信號輻射是有方向性的，用無線電技術手段確定無線電信號輻射源方向的過程稱為無線電測向；無線電測向系統利用技術手段確定無線信號輻射源位置的過程稱為無線電定位。
隨著通信及信息處理技術的不斷進步，無線電測向定位的新技術不斷湧現，如比幅測向技術，幹涉儀測向技術，以及近年來發展起來的空間譜估計測向技術等等，都在測向領域取得廣泛的應用。以這些技術為基礎的測向系統多採用多個固定測向站交叉定位或利用天線陣列來確定輻射源的位置。在採用多個固定測向站交叉定位的系統中，每個測向站都有一套獨立的測向系統，包括大型測向天線系統、信號接收系統、信號處理系統、控制系統、聯網通信系統、信息顯示系統、電源及後備電源系統等等。另一類是車載測向系統，該系統大都採用正多邊形分布的測向天線陣列，並採用相位幹涉儀測向技術。相位幹涉儀測向是利用電波的相位信息來測定輻射源方向的。固定測向站測向系統總體性能比較好，但由於造價昂貴，數量也相當有限，適合於在重點地區進行部署，主要用於電磁輻射環境的宏觀監測；採用相位幹涉儀測向技術的車載測向系統，測向性能好、機動性較強，但同樣由於價格昂貴，裝備數量非常少，監測點少就必然會影響監測系統的覆蓋性能，一方面，上述測向系統通常只能針對輻射目標提出一個可能的區域範圍，例如對於測向精度為3°的測向系統，位於5km外的輻射源，將被測定為直徑近300m的圓形區域。另一方面，由於監測盲區的存在，一些輻射源根本無法被發現。因此，採用可攜式測向系統來監測輻射源就成為一種十分重要的手段。
目前大量使用的便攜測向系統通常由測向天線、VHF/UHF頻段接收機，頻譜儀或場強計以及供電設備等組成。這些設備一方面比較貴重，另一方面其規模較大，事實上也不是一個靈活方便的「便攜」系統。更何況，這些儀器設備的使用需要有專門的操作知識，同時要想獲得理想的測向效果，還要求操作人員具備良好的無線電專業知識以及豐富的無線電測向經驗。這些要求在很多場合是較難全部滿足的。
發明內容
本發明的目的在於針對上述應用需求而提供的一種具有定位功能的手持式測向設備和測向定位方法。本發明提供的設備較輕巧，成本低，使用方便，便於攜帶，不要求操作人員具備專業知識，可以在簡單操作步驟下獲得完全的測向定位信息。
為了達到上述目的，本發明採用下述技術方案一種具有定位功能的手持式測向設備，由VHF/UHF定向無線和測向接收機組成，其特徵在於a.所述的VHF/UHF定向天線由幾付工作在不同頻段的測向天線組成；b.所述的測向接收機為手持式測向接收機，由一個射頻信號切換模塊(A)、一個強電磁輻射信號處理模塊(B)、一個調諧接收單元(C)、一個數位訊號處理器(D)、一個系統控制單元(E)、一個信息融合處理單元(F)、一個GPS天線/GPS接收模塊(G)、一個電子羅盤(H)和一個電源管理模塊(I)組成；從VHF/UHF定向天線來的信號，經射頻信號切換模塊(A)切換的射頻信號被送至強電磁輻射處理模塊(B)或送至調諧接收單元(C)，強電磁輻射處理模塊(B)和調諧接收單元(C)輸出的信號在數位訊號處理器(D)中分別進行A/D採樣；其經強電磁輻射處理模塊(B)處理的信號作基帶低速A/D採樣，而經調諧接收單元(C)處理的中頻信號是作寬帶欠採樣；A/D採樣後的信號，在數位訊號處理器(D)中作時/頻域處理，處理結果通過控制總線送至系統控制單元(E)及信息融合處理單元(F)；GPS天線/GPS接收模塊(G)包括GPS接收天線(G1)和GPS接收機(G2)，GPS接收機(G2)將衛星定位信息送至信息融合處理單元(F)；電子羅盤(H)也把感測到的天線指向信息送至信息融合處理單元(F)；在信息融合處理單元中，輸入的各種信息經計算並優化目標的坐標位置；最終將測向定位信息在顯示器中顯示出來，同時通過音頻提示方式，輔助測向操作；所有功能模塊及單元都在系統控制單元(F)的控制下協調工作，而由電源管理模塊(I)提供工作電源。
上述的手持式測向接收機為手槍體形，在其手槍體把柄內設置所述的電源管理模塊(I)和電池室(8)，並在其前側壁上安裝電源和測量功能開關鍵(7)；在手槍體的中部安裝所述的射頻信號切換模塊(A)、強電磁輻射信號處理模塊(B)、調諧接收單元(C)、數位訊號處理器(D)和系統控制單元(E)；在於槍體的後部安裝所述的GPS天線/GPS接收模塊(G)和電子羅盤裝置(H)，並安裝顯示窗口(4)、參數編輯鍵(6)和音頻輸出耳機插孔(5)，在手槍體的前部有天線安裝接口(1)和射頻輸入接口(2)。
上述的手槍體的後部與手槍體的中部分開，而由旋轉關節裝置(3)進行鉸連，使手槍體後部能90°旋轉，以解決測向天線的極化方向、GPS天線方向圖指向、電子羅盤的傳感平平以及顯示窗口位置之間的矛盾。
上述的射頻信號切換單元(A)由四個開關SW1、SW2、SW3、SW4、一個低通濾波器(J)和一個放大器(K)組成，來自定向天線的射頻信號RFin通過SW1饋至強電磁輻射信號處理模塊(B)；當系統控制單元(E)判定信號太弱時，就將SW1斷開而SW2接通，RF信號直接饋送至調諧接收單元(C)，此時若系統控制單元(E)仍判定信號太弱，則SW1與SW2都斷開，而將SW3和SW4閉合，RF信號經低通濾波器(J)和放大器(K)饋至調諧接收單元(C)。
上述的強電磁輻射處理模塊(B)是一個饋入測向天線接收信號的耦合衰減器(B1)，其輸出經衰減後的信號經一個信號電平檢測器(B2)有效檢測出來後，再經一個輸出放大器(B3)放大輸出，從而使手持式測向接收機獲取所必須的信號電平值。
上述的調諧接收單元(C)由一個電子調諧頻率選擇模塊(C1)連接一個混頻接收單元(C2)構成，從射頻信號切換單元(A)來的RF信號經電子調諧頻率選擇模塊(C1)和混頻接收單元(C2)後，RF信號被變頻為中頻(IF)信號，隨後被送至數位訊號處理器(D)。
上述的數位訊號處理器(D)對來自強電磁輻射信號處理模塊(B)及調諧接收單元(C)的基帶與中頻信號分別進行數位化，並進一步作時/頻域分析處理，提取指是頻率上信號的電平信息；所述的GPS接收機(G2)的輸出信號用於標識接收機所處的地理位置，所述的GPS天線(G1)的安裝位置必須保證其方向圖正對天空。
上述的電子羅盤(H)是一個能感知角度變化的傳感器模塊，用於標識天線指向與地理北極之間的夾角，其安裝位置必須在使用設備時確保傳感器平面與水平面基本一致；所述的信息融合處理單元(F)對來自數位訊號處理器(D)、GPS接收機(G2)及電子羅盤(H)的信息進行綜合處理，並獲取目標信號源的位置坐標。
一種測向定位方法，採用上述的具有定位功能的手持式測向設備進行測向與定位，其特徵在於融合GPS的定位信息及電子羅盤的指向信息，從而實現對目標信號源的測向和定位，具體工作步驟如下(1)由VHF/UHF天線將對應頻段的天線電波轉換為電信號饋送給射頻信號切換模塊(A)；(2)系統控制單元(E)依據信號電平的大小，控制射頻信號切換模塊(A)將信號饋送至強電磁輻射信號處理模塊(B)或調諧接收單元(C)當測向接收機處於強電磁輻射環境中時，射頻信號切換模塊(A)將信號切換到強電磁輻射信號處理模塊(B)，經耦合衰減後，使信號電平落入檢測器線性檢測範圍內，此時信號檢測器能有效提取並輸出信號強度信息；當信號電平減弱時，射頻切換單元將信號饋送至調諧接收單元(C)，經調諧濾波、變頻接收、中頻信號數位化後由數位訊號處理器(D)提取信號的時/頻域特徵參數；(3)上述的特徵參數連同GPS接收機和(G2)獲得的定位信號和電子羅盤(H)獲得的指向信息一起送至信號融合處理單元(F)進行信息融合處理，求出輻射源的坐標位置；(4)信息融合處理單元(F)處理結果以視頻或音頻方式提供給用戶。
上述的信息融合處理單元(F)進行信息融合處理的方法如下根據選定點O坐標x0，y0下記錄的信號電平值Voi及其對應的方向角θoi求出取得電平最大值V0max時所對應的θ0max，i＝o，1，…N，V0max的求解過程要考慮Voi的分布特徵；設輻射源的坐標為 則有(yt-y0)/(xt-x0)=ctg0max---(1)]]>同樣利用在坐標x1、y1下求得的方向角θ1max，得(yt-y1)/(x1-x1)=ctg1max---(2)]]>解(1)、(2)式聯立方程組，求得目標輻射源的坐標 對於在不同坐標xj、yj，j＝0，1，…M，求得xtj、ytj採用最佳估計算法求得最優的xtopt、ytopt。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發明的首要特點是它是一個真正意義上的可攜式測向設備。由於本發明融合了GPS定位及電子羅盤的指向信息，從而使測向設備具有獨特的自動測向與定位功能。這是本設備區別於其它測向系統的重要特徵，本發明的測向設備並不要求操作人員具備專業知識，它可以在簡單的操作步驟下獲得完全的測向定位信息。
本發明的第二個特點是具有強電磁輻射檢測功能。常用的測向設備當測向天線抵近輻射信號源時，由於強電磁輻射的影響，接收機的輸入放大器處於深度飽和狀態，使測向系統無法正常工作。本發明採用強電磁輻射信號處理技術，可在50W輻射源發射天線附近3m內仍具有目標發現功能。
圖1是本發明一個實施例的設備外觀圖。
圖2是圖1中的手持式測向接收機的機械結構示意圖。
圖3是圖1示例的設備電路原理框圖。
圖4是射頻信號切換單元電路原理圖。
圖5是強電磁輻射信號處理單元電路原理圖。
圖6是調諧接收機工作原理框圖。
圖7是單個輻射源測向定位算法原理示意圖。
圖8是兩個同頻輻射源測向定位算法原理示意圖。
圖9是測向信息顯示主界面示意圖。
以上各圖中的標號說明圖中涉及功能模塊(單元)描述的部分採用英文字母(如A、B等)標註；涉及設備結構、形態的部分用帶圈的數字(如①、②等)標註；功能模塊(單元)內部的組成部件用英文字母加數字(如A1、B1等)標註。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的具體實施加以說明圖1是本手持式測向定位設備的外觀圖。從圖中可以看到，本發明的設備外部結構上可分為兩個部分VHF/UHF定向天線和手持式測向接收機。其中，VHF/UHF天線是由幾付工作在不同頻段的測向天線組成的。
圖2顯示了手持式測向接收機的機械結構。標識A至I分別指示的是各個功能模塊(單元)的實物分布，標識①至⑧指示的是設備的功能或結構部件。所述的手持式測向接收機為手槍體形，在其手槍體把柄內設置所述的電源管理模塊I和電池室8，並在其前側壁上安裝電源和測量功能開關鍵7；在手槍體的中部安裝所述的射頻信號切換模塊A、強電磁輻射信號處理模塊B、調諧接收單元C、數位訊號處理器D和系統控制單元E；在於槍體的後部安裝所述的GPS天線/GPS接收模塊G和電子羅盤裝置H，並安裝顯示窗口4、參數編輯鍵6和音頻輸出耳機插孔5，在手槍體的前部有天線安裝接口1和射頻輸入接口2。
圖3示出本手持式測向定位設備的電路原理，其中1是VHF/UHF定向接收天線，A是射頻切換模塊，經A切換的射頻信號被送至強電磁輻射處理模塊B或送至調諧接收單元C，B和C輸出的信號在數位訊號處理模塊D中分別進行A/D採樣。需要指出的是，經B處理的信號作基帶低速A/D採樣，經C處理的中頻信號是作寬帶欠採樣。A/D採樣後的信號，在數位訊號處理器D中作時/頻域處理，處理結果通過控制總線送至系統控制單元E及信息融合處理單元F。G1是GPS接收天線，G2是GPS接收機，GPS接收機將衛星定位信息送至單元F；同樣電子羅盤H也把感測到的天線指向信息送至信息融合處理單元F。在F中，各種的信息都被用來計算並優化目標的坐標位置，並最終將測向定位信息在顯示器中顯示出來，同時通過音頻提示方式，輔助測向操作。所有功能模塊及單元都是在系統控制單元E的控制下協調工作的。
圖4示出上述的射頻信號切換模塊A工作原理圖，SW1是常閉開關，來自定向天線的射頻信號RFin通過SW1饋至強電磁輻射信號處理模塊B；當系統控制單元E判定信號太弱時，就將SW1斷開而把SW2接通，RF信號直接饋送至調諧接收單元C，此時如果系統控制單元E仍然判定信號太弱，則SW1與SW2都斷開，而將SW3和SW4閉合，RF信號經低通濾波器J和放大器K後再饋至調諧接收單元C。
圖5顯示了上述的強電磁輻射信號處理模塊B的基本功能。由於此時輻射信號電平較高，在進行電平檢測之前首先要對RF信號進行衰減。在本實施例設計中，耦合衰減器B1的衰減量為30dB，信號電平檢測器B2的檢測電平範圍為-60～-10dBm，因此，強電磁輻射信號處理模塊B的處理電平範圍為-30～+20dBm。
圖6示出上述的調諧接收單元C的基本原理。圖中C1是電子調諧濾波單元，在本實施例中，整個頻段分為三段來調諧。C2是變頻接收單元，對應於三段調諧濾波器輸出，變頻接收也分為三段，三個本振信號由數字鎖相環頻率合成器產生。經變頻接收後，RF信號被變頻為中頻(IF)信號，該中頻信號隨後被送至數位訊號處理器D。
圖7示出單個輻射源的測向定位原理。圖中O(x0，y0)點測出輻射源的方向角為θ0max，P(x1，y1)點測出輻射源的方向角為θ1max，通過這兩個坐標及其方向角可以確定目標源Target的坐標(Xt，Yt)。
圖8顯示的是兩個同頻輻射源的測向定位原理。圖中O(x0，y0)點測得對應於兩個輻射源的方向角分別為θ0max1以及θ0max2，P(x1，y1)點測得對應於兩個輻射源的方向角分別為θ1max1以及θ1max2，通過這兩個坐標及其方向角可以確定兩個目標源Targ et1、Targ et2)的坐標位置(Xt1，Yt1)、(Xt2，Yt2)。類似地，我們可以確定三個以上同頻輻射源地位置坐標。
圖9給出本實施例的一個測向信息顯示主界面。
圖9是在測向定位工作完成後的一個完全的信息顯示。圖9的左側標識了天線指向、正北方位指向以及目標輻射源之間的位置關係，同時還標註了目標輻射源離開測量者的距離。圖9的右側顯示了被測信號的相關信息。
權利要求
1.一種具有定位功能的手持式測向設備，由VHF/UHF定向無線和測向接收機組成，其特徵在於a.所述的VHF/UHF定向天線由幾付工作在不同頻段的測向天線組成；b.所述的測向接收機為手持式測向接收機，由一個射頻信號切換模塊(A)、一個強電磁輻射信號處理模塊(B)、一個調諧接收單元(C)、一個數位訊號處理器(D)、一個系統控制單元(E)、一個信息融合處理單元(F)、一個GPS天線/GPS接收模塊(G)、一個電子羅盤(H)和一個電源管理模塊(I)組成；從VHF/UHF定向天線來的信號，經射頻信號切換模塊(A)切換的射頻信號被送至強電磁輻射處理模塊(B)或送至調諧接收單元(C)，強電磁輻射處理模塊(B)和調諧接收單元(C)輸出的信號在數位訊號處理器(D)中分別進行A/D採樣；其經強電磁輻射處理模塊(B)處理的信號作基帶低速A/D採樣，而經調諧接收單元(C)處理的中頻信號是作寬帶欠採樣；A/D採樣後的信號，在數位訊號處理器(D)中作時/頻域處理，處理結果通過控制總線送至系統控制單元(E)及信息融合處理單元(F)；GPS天線/GPS接收模塊(G)包括GPS接收天線(G1)和GPS接收機(G2)，GPS接收機(G2)將衛星定位信息送至信息融合處理單元(F)；電子羅盤(H)也把感測到的天線指向信息送至信息融合處理單元(F)；在信息融合處理單元中，輸入的各種信息經計算並優化目標的坐標位置；最終將測向定位信息在顯示器中顯示出來，同時通過音頻提示方式，輔助測向操作；所有功能模塊及單元都在系統控制單元(F)的控制下協調工作，而由電源管理模塊(I)提供工作電源。
2.根據權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的手持式測向接收機為手槍體形，在其手槍體把柄內設置所述的電源管理模塊(I)和電池室(8)，並在其前側壁上安裝電源和測量功能開關鍵(7)；在手槍體的中部安裝所述的射頻信號切換模塊(A)、強電磁輻射信號處理模塊(B)、調諧接收單元(C)、數位訊號處理器(D)和系統控制單元(E)；在於槍體的後部安裝所述的GPS天線/GPS接收模塊(G)和電子羅盤裝置(H)，並安裝顯示窗口(4)、參數編輯鍵(6)和音頻輸出耳機插孔(5)，在手槍體的前部有天線安裝接口(1)和射頻輸入接口(2)。
3.根據權利要求2所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的手槍體的後部與手槍體的中部分開，而由旋轉關節裝置(3)進行鉸連，使手槍體後部能90°旋轉，以解決測向天線的極化方向、GPS天線方向圖指向、電子羅盤的傳感平平以及顯示窗口位置之間的矛盾。
4.根據權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的射頻信號切換單元(A)由四個開關SW1、SW2、SW3、SW4、一個低通濾波器(J)和一個放大器(K)組成，來自定向天線的射頻信號RFin通過SW1饋至強電磁輻射信號處理模塊(B)；當系統控制單元(E)判定信號太弱時，就將SW1斷開而SW2接通，RF信號直接饋送至調諧接收單元(C)，此時若系統控制單元(E)仍判定信號太弱，則SW1與SW2都斷開，而將SW3和SW4閉合，RF信號經低通濾波器(J)和放大器(K)饋至調諧接收單元(C)。
5.根據權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的強電磁輻射處理模塊(B)是一個饋入測向天線接收信號的耦合衰減器(B1)，其輸出經衰減後的信號經一個信號電平檢測器(B2)有效檢測出來後，再經一個輸出放大器(B3)放大輸出，從而使手持式測向接收機獲取所必須的信號電平值。
6.根據權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的調諧接收單元(C)由一個電子調諧頻率選擇模塊(C1)連接一個混頻接收單元(C2)構成，從射頻信號切換單元(A)來的RF信號經電子調諧頻率選擇模塊(C1)和混頻接收單元(C2)後，RF信號被變頻為中頻(IF)信號，隨後被送至數位訊號處理器(D)。
7.根據權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的數位訊號處理器(D)對來自強電磁輻射信號處理模塊(B)及調諧接收單元(C)的基帶與中頻信號分別進行數位化，並進一步作時/頻域分析處理，提取指是頻率上信號的電平信息；所述的GPS接收機(G2)的輸出信號用於標識接收機所處的地理位置，所述的GPS天線(G1)的安裝位置必須保證其方向圖正對天空。
8.根據權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備，其特徵在於所述的電子羅盤(H)是一個能感知角度變化的傳感器模塊，用於標識天線指向與地理北極之間的夾角，其安裝位置必須在使用設備時確保傳感器平面與水平面基本一致；所述的信息融合處理單元(F)對來自數位訊號處理器(D)、GPS接收機(G2)及電子羅盤(H)的信息進行綜合處理，並獲取目標信號源的位置坐標。
9.一種測向定位方法，採用權利要求1所述的具有定位功能的手持式測向設備進行測向與定位，其特徵在於融合GPS的定位信息及電子羅盤的指向信息，從而實現對目標信號源的測向和定位，具體工作步驟如下a.由VHF/UHF天線將對應頻段的天線電波轉換為電信號饋送給射頻信號切換模塊(A)；b.系統控制單元(E)依據信號電平的大小，控制射頻信號切換模塊(A)將信號饋送至強電磁輻射信號處理模塊(B)或調諧接收單元(C)當測向接收機處於強電磁輻射環境中時，射頻信號切換模塊(A)將信號切換到強電磁輻射信號處理模塊(B)，經耦合衰減後，使信號電平落入檢測器線性檢測範圍內，此時信號檢測器能有效提取並輸出信號強度信息；當信號電平減弱時，射頻切換單元將信號饋送至調諧接收單元(C)，經調諧濾波、變頻接收、中頻信號數位化後由數位訊號處理器(D)提取信號的時/頻域特徵參數；c.上述的特徵參數連同GPS接收機和(G2)獲得的定位信號和電子羅盤(H)獲得的指向信息一起送至信號融合處理單元(F)進行信息融合處理，求出輻射源的坐標位置；d.信息融合處理單元(F)處理結果以視頻或音頻方式提供給用戶。
10.根據權利要求9所述的測向定位方法，其特徵在於所述的信息融合處理單元(F)進行信息融合處理的方法如下根據選定點O坐標x0，y0下記錄的信號電平值Voi及其對應的方向角θoi求出取得電平最大值V0max時所對應的θ0max，i＝o，1，...N，V0max的求解過程要考慮Voi的分布特徵；設輻射源的坐標為 則有(yt-y0)/(xt-x0)=ctg0max---(1)]]>同樣利用在坐標x1、y1下求得的方向角θ1max，得(yt-y1)/(x1-x1)=ctg1max---(2)]]>解(1)、(2)式聯立方程組，求得目標輻射源的坐標 對於在不同坐標xj、yj，j＝0，1，...M，求得xtj、ytj採用最佳估計算法求得最優的xtopt、ytopt。
全文摘要
本發明涉及一種具有定位功能的手持式測向設備和測向定位方法。本測向定位設備由VHF/UHF定向無線和測向接收機組成，測向接收機為手持式測向接收機，由射頻信號切換模塊、強電流輻射信號處理模塊、調諧接收單元、數位訊號處理器、系統控制單元、信息融合處理單元、GPS天線/GPS接收模塊、電子羅盤和電源管理模塊組成。本發明融合了GPS定位信息和羅盤的指向信息，使本測向定位設備具有獨特的測向定位功能。本發明設備輕巧，成本低，便於攜帶，便於操作。
文檔編號G01C17/00GK1900735SQ20061002695
公開日2007年1月24日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者鄭林水, 陳惠民, 褚人乾, 孫輝 申請人:上海大學