专利名称：具有定向功能的手持式测向设备和测向定位方法
技术领域：
本发明涉及无线电测向设备和测向定位方法，特别是一种基于GPS定位信息及电子罗盘指向信息的无线电信号测向定位设备和测向定位方法。
背景技术：
无线电信号辐射是有方向性的，用无线电技术手段确定无线电信号辐射源方向的过程称为无线电测向；无线电测向系统利用技术手段确定无线信号辐射源位置的过程称为无线电定位。
随着通信及信息处理技术的不断进步，无线电测向定位的新技术不断涌现，如比幅测向技术，干涉仪测向技术，以及近年来发展起来的空间谱估计测向技术等等，都在测向领域取得广泛的应用。以这些技术为基础的测向系统多采用多个固定测向站交叉定位或利用天线阵列来确定辐射源的位置。在采用多个固定测向站交叉定位的系统中，每个测向站都有一套独立的测向系统，包括大型测向天线系统、信号接收系统、信号处理系统、控制系统、联网通信系统、信息显示系统、电源及后备电源系统等等。另一类是车载测向系统，该系统大都采用正多边形分布的测向天线阵列，并采用相位干涉仪测向技术。相位干涉仪测向是利用电波的相位信息来测定辐射源方向的。固定测向站测向系统总体性能比较好，但由于造价昂贵，数量也相当有限，适合于在重点地区进行部署，主要用于电磁辐射环境的宏观监测；采用相位干涉仪测向技术的车载测向系统，测向性能好、机动性较强，但同样由于价格昂贵，装备数量非常少，监测点少就必然会影响监测系统的覆盖性能，一方面，上述测向系统通常只能针对辐射目标提出一个可能的区域范围，例如对于测向精度为3°的测向系统，位于5km外的辐射源，将被测定为直径近300m的圆形区域。另一方面，由于监测盲区的存在，一些辐射源根本无法被发现。因此，采用便携式测向系统来监测辐射源就成为一种十分重要的手段。
目前大量使用的便携测向系统通常由测向天线、VHF/UHF频段接收机，频谱仪或场强计以及供电设备等组成。这些设备一方面比较贵重，另一方面其规模较大，事实上也不是一个灵活方便的“便携”系统。更何况，这些仪器设备的使用需要有专门的操作知识，同时要想获得理想的测向效果，还要求操作人员具备良好的无线电专业知识以及丰富的无线电测向经验。这些要求在很多场合是较难全部满足的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述应用需求而提供的一种具有定位功能的手持式测向设备和测向定位方法。本发明提供的设备较轻巧，成本低，使用方便，便于携带，不要求操作人员具备专业知识，可以在简单操作步骤下获得完全的测向定位信息。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种具有定位功能的手持式测向设备，由VHF/UHF定向无线和测向接收机组成，其特征在于a.所述的VHF/UHF定向天线由几付工作在不同频段的测向天线组成；b.所述的测向接收机为手持式测向接收机，由一个射频信号切换模块(A)、一个强电磁辐射信号处理模块(B)、一个调谐接收单元(C)、一个数字信号处理器(D)、一个系统控制单元(E)、一个信息融合处理单元(F)、一个GPS天线/GPS接收模块(G)、一个电子罗盘(H)和一个电源管理模块(I)组成；从VHF/UHF定向天线来的信号，经射频信号切换模块(A)切换的射频信号被送至强电磁辐射处理模块(B)或送至调谐接收单元(C)，强电磁辐射处理模块(B)和调谐接收单元(C)输出的信号在数字信号处理器(D)中分别进行A/D采样；其经强电磁辐射处理模块(B)处理的信号作基带低速A/D采样，而经调谐接收单元(C)处理的中频信号是作宽带欠采样；A/D采样后的信号，在数字信号处理器(D)中作时/频域处理，处理结果通过控制总线送至系统控制单元(E)及信息融合处理单元(F)；GPS天线/GPS接收模块(G)包括GPS接收天线(G1)和GPS接收机(G2)，GPS接收机(G2)将卫星定位信息送至信息融合处理单元(F)；电子罗盘(H)也把感测到的天线指向信息送至信息融合处理单元(F)；在信息融合处理单元中，输入的各种信息经计算并优化目标的坐标位置；最终将测向定位信息在显示器中显示出来，同时通过音频提示方式，辅助测向操作；所有功能模块及单元都在系统控制单元(F)的控制下协调工作，而由电源管理模块(I)提供工作电源。
上述的手持式测向接收机为手枪体形，在其手枪体把柄内设置所述的电源管理模块(I)和电池室(8)，并在其前侧壁上安装电源和测量功能开关键(7)；在手枪体的中部安装所述的射频信号切换模块(A)、强电磁辐射信号处理模块(B)、调谐接收单元(C)、数字信号处理器(D)和系统控制单元(E)；在于枪体的后部安装所述的GPS天线/GPS接收模块(G)和电子罗盘装置(H)，并安装显示窗口(4)、参数编辑键(6)和音频输出耳机插孔(5)，在手枪体的前部有天线安装接口(1)和射频输入接口(2)。
上述的手枪体的后部与手枪体的中部分开，而由旋转关节装置(3)进行铰连，使手枪体后部能90°旋转，以解决测向天线的极化方向、GPS天线方向图指向、电子罗盘的传感平平以及显示窗口位置之间的矛盾。
上述的射频信号切换单元(A)由四个开关SW1、SW2、SW3、SW4、一个低通滤波器(J)和一个放大器(K)组成，来自定向天线的射频信号RFin通过SW1馈至强电磁辐射信号处理模块(B)；当系统控制单元(E)判定信号太弱时，就将SW1断开而SW2接通，RF信号直接馈送至调谐接收单元(C)，此时若系统控制单元(E)仍判定信号太弱，则SW1与SW2都断开，而将SW3和SW4闭合，RF信号经低通滤波器(J)和放大器(K)馈至调谐接收单元(C)。
上述的强电磁辐射处理模块(B)是一个馈入测向天线接收信号的耦合衰减器(B1)，其输出经衰减后的信号经一个信号电平检测器(B2)有效检测出来后，再经一个输出放大器(B3)放大输出，从而使手持式测向接收机获取所必须的信号电平值。
上述的调谐接收单元(C)由一个电子调谐频率选择模块(C1)连接一个混频接收单元(C2)构成，从射频信号切换单元(A)来的RF信号经电子调谐频率选择模块(C1)和混频接收单元(C2)后，RF信号被变频为中频(IF)信号，随后被送至数字信号处理器(D)。
上述的数字信号处理器(D)对来自强电磁辐射信号处理模块(B)及调谐接收单元(C)的基带与中频信号分别进行数字化，并进一步作时/频域分析处理，提取指是频率上信号的电平信息；所述的GPS接收机(G2)的输出信号用于标识接收机所处的地理位置，所述的GPS天线(G1)的安装位置必须保证其方向图正对天空。
上述的电子罗盘(H)是一个能感知角度变化的传感器模块，用于标识天线指向与地理北极之间的夹角，其安装位置必须在使用设备时确保传感器平面与水平面基本一致；所述的信息融合处理单元(F)对来自数字信号处理器(D)、GPS接收机(G2)及电子罗盘(H)的信息进行综合处理，并获取目标信号源的位置坐标。
一种测向定位方法，采用上述的具有定位功能的手持式测向设备进行测向与定位，其特征在于融合GPS的定位信息及电子罗盘的指向信息，从而实现对目标信号源的测向和定位，具体工作步骤如下(1)由VHF/UHF天线将对应频段的天线电波转换为电信号馈送给射频信号切换模块(A)；(2)系统控制单元(E)依据信号电平的大小，控制射频信号切换模块(A)将信号馈送至强电磁辐射信号处理模块(B)或调谐接收单元(C)当测向接收机处于强电磁辐射环境中时，射频信号切换模块(A)将信号切换到强电磁辐射信号处理模块(B)，经耦合衰减后，使信号电平落入检测器线性检测范围内，此时信号检测器能有效提取并输出信号强度信息；当信号电平减弱时，射频切换单元将信号馈送至调谐接收单元(C)，经调谐滤波、变频接收、中频信号数字化后由数字信号处理器(D)提取信号的时/频域特征参数；(3)上述的特征参数连同GPS接收机和(G2)获得的定位信号和电子罗盘(H)获得的指向信息一起送至信号融合处理单元(F)进行信息融合处理，求出辐射源的坐标位置；(4)信息融合处理单元(F)处理结果以视频或音频方式提供给用户。
上述的信息融合处理单元(F)进行信息融合处理的方法如下根据选定点O坐标x0，y0下记录的信号电平值Voi及其对应的方向角θoi求出取得电平最大值V0max时所对应的θ0max，i＝o，1，…N，V0max的求解过程要考虑Voi的分布特征；设辐射源的坐标为 则有(y‾t-y0)/(x‾t-x0)=ctgθ0max---(1)]]>同样利用在坐标x1、y1下求得的方向角θ1max，得(y‾t-y1)/(x‾1-x1)=ctgθ1max---(2)]]>解(1)、(2)式联立方程组，求得目标辐射源的坐标 对于在不同坐标xj、yj，j＝0，1，…M，求得xtj、ytj采用最佳估计算法求得最优的xtopt、ytopt。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本发明的首要特点是它是一个真正意义上的便携式测向设备。由于本发明融合了GPS定位及电子罗盘的指向信息，从而使测向设备具有独特的自动测向与定位功能。这是本设备区别于其它测向系统的重要特征，本发明的测向设备并不要求操作人员具备专业知识，它可以在简单的操作步骤下获得完全的测向定位信息。
本发明的第二个特点是具有强电磁辐射检测功能。常用的测向设备当测向天线抵近辐射信号源时，由于强电磁辐射的影响，接收机的输入放大器处于深度饱和状态，使测向系统无法正常工作。本发明采用强电磁辐射信号处理技术，可在50W辐射源发射天线附近3m内仍具有目标发现功能。
图1是本发明一个实施例的设备外观图。
图2是图1中的手持式测向接收机的机械结构示意图。
图3是图1示例的设备电路原理框图。
图4是射频信号切换单元电路原理图。
图5是强电磁辐射信号处理单元电路原理图。
图6是调谐接收机工作原理框图。
图7是单个辐射源测向定位算法原理示意图。
图8是两个同频辐射源测向定位算法原理示意图。
图9是测向信息显示主界面示意图。
以上各图中的标号说明图中涉及功能模块(单元)描述的部分采用英文字母(如A、B等)标注；涉及设备结构、形态的部分用带圈的数字(如①、②等)标注；功能模块(单元)内部的组成部件用英文字母加数字(如A1、B1等)标注。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的具体实施加以说明图1是本手持式测向定位设备的外观图。从图中可以看到，本发明的设备外部结构上可分为两个部分VHF/UHF定向天线和手持式测向接收机。其中，VHF/UHF天线是由几付工作在不同频段的测向天线组成的。
图2显示了手持式测向接收机的机械结构。标识A至I分别指示的是各个功能模块(单元)的实物分布，标识①至⑧指示的是设备的功能或结构部件。所述的手持式测向接收机为手枪体形，在其手枪体把柄内设置所述的电源管理模块I和电池室8，并在其前侧壁上安装电源和测量功能开关键7；在手枪体的中部安装所述的射频信号切换模块A、强电磁辐射信号处理模块B、调谐接收单元C、数字信号处理器D和系统控制单元E；在于枪体的后部安装所述的GPS天线/GPS接收模块G和电子罗盘装置H，并安装显示窗口4、参数编辑键6和音频输出耳机插孔5，在手枪体的前部有天线安装接口1和射频输入接口2。
图3示出本手持式测向定位设备的电路原理，其中1是VHF/UHF定向接收天线，A是射频切换模块，经A切换的射频信号被送至强电磁辐射处理模块B或送至调谐接收单元C，B和C输出的信号在数字信号处理模块D中分别进行A/D采样。需要指出的是，经B处理的信号作基带低速A/D采样，经C处理的中频信号是作宽带欠采样。A/D采样后的信号，在数字信号处理器D中作时/频域处理，处理结果通过控制总线送至系统控制单元E及信息融合处理单元F。G1是GPS接收天线，G2是GPS接收机，GPS接收机将卫星定位信息送至单元F；同样电子罗盘H也把感测到的天线指向信息送至信息融合处理单元F。在F中，各种的信息都被用来计算并优化目标的坐标位置，并最终将测向定位信息在显示器中显示出来，同时通过音频提示方式，辅助测向操作。所有功能模块及单元都是在系统控制单元E的控制下协调工作的。
图4示出上述的射频信号切换模块A工作原理图，SW1是常闭开关，来自定向天线的射频信号RFin通过SW1馈至强电磁辐射信号处理模块B；当系统控制单元E判定信号太弱时，就将SW1断开而把SW2接通，RF信号直接馈送至调谐接收单元C，此时如果系统控制单元E仍然判定信号太弱，则SW1与SW2都断开，而将SW3和SW4闭合，RF信号经低通滤波器J和放大器K后再馈至调谐接收单元C。
图5显示了上述的强电磁辐射信号处理模块B的基本功能。由于此时辐射信号电平较高，在进行电平检测之前首先要对RF信号进行衰减。在本实施例设计中，耦合衰减器B1的衰减量为30dB，信号电平检测器B2的检测电平范围为-60～-10dBm，因此，强电磁辐射信号处理模块B的处理电平范围为-30～+20dBm。
图6示出上述的调谐接收单元C的基本原理。图中C1是电子调谐滤波单元，在本实施例中，整个频段分为三段来调谐。C2是变频接收单元，对应于三段调谐滤波器输出，变频接收也分为三段，三个本振信号由数字锁相环频率合成器产生。经变频接收后，RF信号被变频为中频(IF)信号，该中频信号随后被送至数字信号处理器D。
图7示出单个辐射源的测向定位原理。图中O(x0，y0)点测出辐射源的方向角为θ0max，P(x1，y1)点测出辐射源的方向角为θ1max，通过这两个坐标及其方向角可以确定目标源Target的坐标(Xt，Yt)。
图8显示的是两个同频辐射源的测向定位原理。图中O(x0，y0)点测得对应于两个辐射源的方向角分别为θ0max1以及θ0max2，P(x1，y1)点测得对应于两个辐射源的方向角分别为θ1max1以及θ1max2，通过这两个坐标及其方向角可以确定两个目标源Targ et1、Targ et2)的坐标位置(Xt1，Yt1)、(Xt2，Yt2)。类似地，我们可以确定三个以上同频辐射源地位置坐标。
图9给出本实施例的一个测向信息显示主界面。
图9是在测向定位工作完成后的一个完全的信息显示。图9的左侧标识了天线指向、正北方位指向以及目标辐射源之间的位置关系，同时还标注了目标辐射源离开测量者的距离。图9的右侧显示了被测信号的相关信息。
权利要求
1.一种具有定位功能的手持式测向设备，由VHF/UHF定向无线和测向接收机组成，其特征在于a.所述的VHF/UHF定向天线由几付工作在不同频段的测向天线组成；b.所述的测向接收机为手持式测向接收机，由一个射频信号切换模块(A)、一个强电磁辐射信号处理模块(B)、一个调谐接收单元(C)、一个数字信号处理器(D)、一个系统控制单元(E)、一个信息融合处理单元(F)、一个GPS天线/GPS接收模块(G)、一个电子罗盘(H)和一个电源管理模块(I)组成；从VHF/UHF定向天线来的信号，经射频信号切换模块(A)切换的射频信号被送至强电磁辐射处理模块(B)或送至调谐接收单元(C)，强电磁辐射处理模块(B)和调谐接收单元(C)输出的信号在数字信号处理器(D)中分别进行A/D采样；其经强电磁辐射处理模块(B)处理的信号作基带低速A/D采样，而经调谐接收单元(C)处理的中频信号是作宽带欠采样；A/D采样后的信号，在数字信号处理器(D)中作时/频域处理，处理结果通过控制总线送至系统控制单元(E)及信息融合处理单元(F)；GPS天线/GPS接收模块(G)包括GPS接收天线(G1)和GPS接收机(G2)，GPS接收机(G2)将卫星定位信息送至信息融合处理单元(F)；电子罗盘(H)也把感测到的天线指向信息送至信息融合处理单元(F)；在信息融合处理单元中，输入的各种信息经计算并优化目标的坐标位置；最终将测向定位信息在显示器中显示出来，同时通过音频提示方式，辅助测向操作；所有功能模块及单元都在系统控制单元(F)的控制下协调工作，而由电源管理模块(I)提供工作电源。
2.根据权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的手持式测向接收机为手枪体形，在其手枪体把柄内设置所述的电源管理模块(I)和电池室(8)，并在其前侧壁上安装电源和测量功能开关键(7)；在手枪体的中部安装所述的射频信号切换模块(A)、强电磁辐射信号处理模块(B)、调谐接收单元(C)、数字信号处理器(D)和系统控制单元(E)；在于枪体的后部安装所述的GPS天线/GPS接收模块(G)和电子罗盘装置(H)，并安装显示窗口(4)、参数编辑键(6)和音频输出耳机插孔(5)，在手枪体的前部有天线安装接口(1)和射频输入接口(2)。
3.根据权利要求2所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的手枪体的后部与手枪体的中部分开，而由旋转关节装置(3)进行铰连，使手枪体后部能90°旋转，以解决测向天线的极化方向、GPS天线方向图指向、电子罗盘的传感平平以及显示窗口位置之间的矛盾。
4.根据权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的射频信号切换单元(A)由四个开关SW1、SW2、SW3、SW4、一个低通滤波器(J)和一个放大器(K)组成，来自定向天线的射频信号RFin通过SW1馈至强电磁辐射信号处理模块(B)；当系统控制单元(E)判定信号太弱时，就将SW1断开而SW2接通，RF信号直接馈送至调谐接收单元(C)，此时若系统控制单元(E)仍判定信号太弱，则SW1与SW2都断开，而将SW3和SW4闭合，RF信号经低通滤波器(J)和放大器(K)馈至调谐接收单元(C)。
5.根据权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的强电磁辐射处理模块(B)是一个馈入测向天线接收信号的耦合衰减器(B1)，其输出经衰减后的信号经一个信号电平检测器(B2)有效检测出来后，再经一个输出放大器(B3)放大输出，从而使手持式测向接收机获取所必须的信号电平值。
6.根据权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的调谐接收单元(C)由一个电子调谐频率选择模块(C1)连接一个混频接收单元(C2)构成，从射频信号切换单元(A)来的RF信号经电子调谐频率选择模块(C1)和混频接收单元(C2)后，RF信号被变频为中频(IF)信号，随后被送至数字信号处理器(D)。
7.根据权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的数字信号处理器(D)对来自强电磁辐射信号处理模块(B)及调谐接收单元(C)的基带与中频信号分别进行数字化，并进一步作时/频域分析处理，提取指是频率上信号的电平信息；所述的GPS接收机(G2)的输出信号用于标识接收机所处的地理位置，所述的GPS天线(G1)的安装位置必须保证其方向图正对天空。
8.根据权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备，其特征在于所述的电子罗盘(H)是一个能感知角度变化的传感器模块，用于标识天线指向与地理北极之间的夹角，其安装位置必须在使用设备时确保传感器平面与水平面基本一致；所述的信息融合处理单元(F)对来自数字信号处理器(D)、GPS接收机(G2)及电子罗盘(H)的信息进行综合处理，并获取目标信号源的位置坐标。
9.一种测向定位方法，采用权利要求1所述的具有定位功能的手持式测向设备进行测向与定位，其特征在于融合GPS的定位信息及电子罗盘的指向信息，从而实现对目标信号源的测向和定位，具体工作步骤如下a.由VHF/UHF天线将对应频段的天线电波转换为电信号馈送给射频信号切换模块(A)；b.系统控制单元(E)依据信号电平的大小，控制射频信号切换模块(A)将信号馈送至强电磁辐射信号处理模块(B)或调谐接收单元(C)当测向接收机处于强电磁辐射环境中时，射频信号切换模块(A)将信号切换到强电磁辐射信号处理模块(B)，经耦合衰减后，使信号电平落入检测器线性检测范围内，此时信号检测器能有效提取并输出信号强度信息；当信号电平减弱时，射频切换单元将信号馈送至调谐接收单元(C)，经调谐滤波、变频接收、中频信号数字化后由数字信号处理器(D)提取信号的时/频域特征参数；c.上述的特征参数连同GPS接收机和(G2)获得的定位信号和电子罗盘(H)获得的指向信息一起送至信号融合处理单元(F)进行信息融合处理，求出辐射源的坐标位置；d.信息融合处理单元(F)处理结果以视频或音频方式提供给用户。
10.根据权利要求9所述的测向定位方法，其特征在于所述的信息融合处理单元(F)进行信息融合处理的方法如下根据选定点O坐标x0，y0下记录的信号电平值Voi及其对应的方向角θoi求出取得电平最大值V0max时所对应的θ0max，i＝o，1，...N，V0max的求解过程要考虑Voi的分布特征；设辐射源的坐标为 则有(yt‾-y0)/(xt‾-x0)=ctgθ0max---(1)]]>同样利用在坐标x1、y1下求得的方向角θ1max，得(yt‾-y1)/(x1‾-x1)=ctgθ1max---(2)]]>解(1)、(2)式联立方程组，求得目标辐射源的坐标 对于在不同坐标xj、yj，j＝0，1，...M，求得xtj、ytj采用最佳估计算法求得最优的xtopt、ytopt。
全文摘要
本发明涉及一种具有定位功能的手持式测向设备和测向定位方法。本测向定位设备由VHF/UHF定向无线和测向接收机组成，测向接收机为手持式测向接收机，由射频信号切换模块、强电流辐射信号处理模块、调谐接收单元、数字信号处理器、系统控制单元、信息融合处理单元、GPS天线/GPS接收模块、电子罗盘和电源管理模块组成。本发明融合了GPS定位信息和罗盘的指向信息，使本测向定位设备具有独特的测向定位功能。本发明设备轻巧，成本低，便于携带，便于操作。
文档编号G01C17/00GK1900735SQ20061002695
公开日2007年1月24日 申请日期2006年5月26日 优先权日2006年5月26日
发明者郑林水, 陈惠民, 褚人乾, 孙辉 申请人:上海大学