无线电测向模拟系统及方法与流程

本发明涉及无线电测向竞技、教学、训练模拟技术，具体涉及一种用于无线电测向模拟的系统及方法。

背景技术：

无线电测向竞技是一项体育与科技结合的竞技活动，我国将无线电测向竞技纳入到体育课程中，其大致过程主要是：在旷野、山丘的丛林或近郊、公园等优美的自然环境中，事先隐藏好数个信标设备（信号源），发出规定的电台信号。参加者手持无线电测向机，测出隐蔽电台源的所在方向，采用徒步或奔跑方式，迅速、准确地逐个寻找出这些信号源，以在规定时间内，找满指定台数，用时少者为优胜。

传统的无线电测向竞技偏向于体育运动，技术含量较低，不能满足对高端专业人才的培养需求，尤其对于我国的高等院校，迫切需要开展难度大、技术含量高的无线电测向电子竞技、教学活动。为此，我们需要研制出一种新型的无线电测向模拟系统，该系统适用于高等院校的科研实验、教学、训练、电子竞技，通过该系统搭建起集实践、创新、教学为一体的科技平台，最终达到锻炼和培养学生的专业技术能力、创新能力、动手能力的目的。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种无线电测向模拟系统及方法，用以为高等院校提供高技术含量的无线电测向电子竞技、教学活动。

一种无线电测向模拟系统，包括信标单元、测向及寻标单元，所述测向及寻标单元包括测向单元和寻标小车，所述测向单元通过驱动接口与所述寻标小车连接，

所述寻标小车，用于搭载所述测向单元，并接收所述测向单元的驱使信号后行驶寻找所述信标单元；

所述测向单元用于无线电测向和驱动所述寻标小车寻找所述信标单元，包括双通道射频接收模块、中频模块、测距模块、测向红外接收模块、测向红外遥控器、测向显示屏，所述测向天线与所述双通道射频接收模块连接，所述双通道射频接收模块与所述中频模块连接，所述中频模块设置有驱动接口并分别与所述测距模块、测向显示屏、测向红外接收模块连接，所述测向红外接收模块与所述测向红外遥控器无线连接；

所述信标单元，用于发出、解除无线电信号以及碰撞报警，包括声光报警模块、信标显示屏、脉冲频率源模块、中央处理器、振动传感器、霍尔传感器、信标红外接收模块、信标红外遥控器、发射天线，所述中央处理器分别与所述脉冲频率源模块、声光报警模块、振动传感器、霍尔传感器、信标红外接收模块和信标显示屏连接，所述脉冲频率源模块与所述发射天线连接，所述信标红外接收模块与所述信标红外遥控器无线连接。

进一步地，所述测向天线包括第一测向天线和第二测向天线，所述中频模块包括fpga、mcu和2个ad采样器。

进一步地，所述声光报警模块包括led和蜂鸣器。

本发明提供的一种无线电测向模拟方法，包括以下步骤：

第一步：对信标单元设定发射参数

通过信标红外遥控器遥控设定发射参数，参数包括发射频率、信标摩尔斯码的设定，信标红外接收模块将接收的红外遥控信号转变成电信号，并将电信号送入中央处理器中进行解码；

第二步：信标单元发出特定频率且调制有信标摩尔斯码的无线电信号

中央处理器解析出字符电码与频率，然后设置脉冲频率源模块，使其输出特定频率且调制有信标摩尔斯码的基带信号，经增益调节、脉冲调制处理后转换成脉冲射频信号通过发射天线辐射出去；

第三步：对测向单元设定接收参数，识别信标摩尔斯码，启动无线电测向

通过测向红外遥控器遥控设定接收参数，参数包括接收频率范围、测向摩尔斯码，测向红外接收模块接收到红外遥控信号后，将红外信号转变成电信号，并将电信号送入mcu中进行解码，mcu解析出字符指令并将相应的接收参数设置到fpga，再由fpga设置双通道射频接收模块的工作参数，控制双通道射频接收模块接收设定频率范围内的射频信号，并经增益调节和变频后转换为中频信号，再将中频信号传输给ad采样器完成采样和数据处理，识别出来波信号中的信标摩尔斯码，若信标摩尔斯码与测向摩尔斯码一致，则发射该无线电信号的信标单元为寻找的目标信标单元，启动无线电测向，进一步测定其来波方向；反之，若信标摩尔斯码与测向摩尔斯码不一致，则放弃该信号，继续接收下一频点信号；

第四步：启动并驱使寻标小车靠近信标单元

将所述第三步中测定的来波方向同步到mcu，mcu根据来波方向，计算出寻标小车的需要转向的角度，通过驱动接口控制寻标小车对准信号的来波方向，然后驱动寻标小车靠近信标单元，并实时根据来波方向修正寻标小车的运动方向，使寻标小车始终朝向目标信标单元行驶；

第五步：解除信标无线电信号

寻标小车接近信标单元后，测距模块探测到寻标小车到信标单元的距离r，当r值达到限值，mcu控制寻标小车放慢速度，逐渐靠近信标单元，直至触发信标单元的霍尔传感器，信标单元收到寻标小车安全靠近的霍尔反馈信号后，关闭信号发射并通过声光报警模块发出信号解除的声光信号。

进一步地，所述第四步中根据来波方向计算出寻标小车的需要转向的角度，具体计算公式如下：

，，=；

，；

根据上述公式可得，；

式中，为角速度，t为时间，为双通道射频接收模块中两通道接收信号的相位差，f为频率，d为第一测向天线和第二测向天线的间距，为第一测向天线到信标单元距离r1和第二测向天线到信标单元的距离r2的差值，为寻标小车寻标转向角度。

进一步地，所述第五步中的r的限值范围10-50cm，优选30cm。

特别地，若寻标小车与信标单元发生碰撞，则为解除信标无线电信号失败，信标单元将通过声光报警模块发出声光报警。

本发明的有益效果在于：

相对于传统的无线电测向竞技活动，本发明将寻标小车与测向单元相结合，利用测向单元驱使寻标小车寻找信标单元，代替人为运动和调试的测向寻标，是一种全新的无线电测向模拟系统，适用于新的无线电测向活动，例如无线电测向实验、教学、训练、电子竞技等。寻标小车寻标的快与慢、准确与否、成与败，与系统的程序设计效率、质量息息相关，本发明的应用和实施能够搭建起集实践、创新、教学为一体的科技平台，锻炼和培养学生的专业技术能力、创新能力、动手能力等，本发明在未来的无线电测向领域教学中将发挥到重要作用。

附图说明

图1，本发明信标单元的结构原理框图；

图2，本发明测向及寻标单元的结构原理框图；

图3，本发明方法流程图；

图4，本发明测向天线与信标单元的角度关系图；

图5，本发明信标红外遥控器的示意图；

图6，本发明中信标显示屏在参数设置后的主界面显示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，

如图1和图2，本发明无线电测向模拟系统，包括信标单元、测向及寻标单元，测向及寻标单元包括测向单元和寻标小车，测向单元通过驱动接口与寻标小车连接，寻标小车，用于搭载测向单元，并接收测向单元的驱使信号后行驶寻找信标单元。

测向单元用于无线电测向和驱动寻标小车寻找信标单元，包括双通道射频接收模块、中频模块、测距模块、测向红外接收模块、测向红外遥控器以及测向显示屏，测向天线与双通道射频接收模块连接，双通道射频接收模块与中频模块连接，中频模块设置有驱动接口并分别与测距模块、测向显示屏、测向红外接收模块连接，测向红外接收模块与测向红外遥控器无线连接，测向红外遥控器用于遥控设置接收参数。测向天线包括第一测向天线和第二测向天线，因此，测向天线接收进两路信号，两路信号对应传送到双通道射频接收模块，中频模块包括fpga、mcu和2个ad采样器，为接收双通道射频接收模块输入的2路信号，中频模块中须配置2个ad采样器，分别对两路信号作采样处理。

信标单元，用于发出、解除无线电信号以及碰撞报警，包括声光报警模块、信标显示屏、脉冲频率源模块、中央处理器、振动传感器、霍尔传感器、信标红外接收模块、信标红外遥控器、发射天线。中央处理器分别与脉冲频率源模块、声光报警模块、振动传感器、霍尔传感器、信标红外接收模块和信标显示屏连接，脉冲频率源模块与发射天线连接，信标红外接收模块与信标红外遥控器无线连接。声光报警模块包括led和蜂鸣器，通过led闪烁以及蜂鸣器的蜂鸣发出声光信号来完成碰撞报警或信号解除成功提示。

测向显示屏、信标显示屏，在测向及寻标过程中，对所设置的当前发射频率、接收频率范围、信标摩尔斯码、测向摩尔斯码、温度、电压等内容进行显示，起到人机交互的作用。

如图3和图4，本发明无线电测向模拟方法，包括以下步骤

第一步：对信标单元设定发射参数

通过信标红外遥控器遥控设定发射参数，参数包括发射频率、信标摩尔斯码的设定，信标红外接收模块将接收的红外遥控信号转变成电信号，并将电信号送入中央处理器中进行解码；

第二步：信标单元发出特定频率且调制有信标摩尔斯码的无线电信号

中央处理器解析出字符电码与频率，然后设置脉冲频率源模块，使其输出特定频率且调制有信标摩尔斯码的基带信号，经增益调节、脉冲调制处理后转换成脉冲射频信号通过发射天线辐射出去；

第三步：对测向单元设定接收参数，识别信标摩尔斯码，启动无线电测向

通过测向红外遥控模块遥控设定接收参数，参数包括接收频率范围及测向摩尔斯码，测向红外接收模块接收到红外遥控信号后，将红外信号转变成电信号，并将电信号送入mcu中进行解码，mcu解析出字符指令并将相应的接收参数设置到fpga，再由fpga设置双通道射频接收模块的工作参数，控制双通道射频接收模接收设定频率范围内的射频信号，并经增益调节和变频后转换为中频信号，再将中频信号传输给ad采样器完成采样和数据处理，识别出来波信号中的信标摩尔斯码，若信标摩尔斯码与测向摩尔斯码一致，则发射该无线电信号的信标单元为寻找的目标信标单元，启动无线电测向，进一步测定其来波方向；反之，若信标摩尔斯码与测向摩尔斯码不一致，则放弃该信号，继续扫描接收下一频点信号；

第四步：启动并驱使寻标小车靠近信标单元

将第三步中测定的来波方向同步到mcu，mcu根据来波方向，计算出寻标小车的需要转向的角度，通过驱动接口控制寻标小车对准信号的来波方向，然后驱动寻标小车靠近信标单元，并实时根据来波方向修正寻标小车的运动方向，使寻标小车始终朝向信标单元行驶。根据来波方向计算出寻标小车的需要转向的角度，具体计算公式如下：

，，=；

，；

根据上述公式可得，；

式中，为角速度，t为时间，为双通道射频接收模块中两通道接收信号的相位差，f为频率，d为第一测向天线和第二测向天线的间距，为第一测向天线到信标单元距离r1和第二测向天线到信标单元的距离r2的差值，为寻标小车寻标转向角度。的精度越高，寻标小车的行驶误差就越小换言之即为寻标的准确度就越高，取决于双通道射频接收模块接收信号的一致性和稳定性，也就是说相位差对转向角度的精度影响很大，实际测量相位差在±3°以内，再加上测量误差±1°，也就是双通道相位差值在6-8°左右。经过计算寻标小车的寻标转向角度的精度在±1.1032°范围内，因此能够保证较精确的转向。

第五步：解除信标单元无线电信号

寻标小车接近信标单元后，测距模块探测到寻标小车到信标单元的限制距离r，r的限值范围为10-50cm，优选30cm，当r值达到限值时，mcu控制寻标小车放慢速度，逐渐靠近信标单元，直至触发信标单元的霍尔传感器，信标单元收到寻标小车安全靠近的霍尔反馈信号后，关闭发射信号然后通过声光报警模块发出信号解除的声光信号。另外一种情况，若寻标小车与信标单元发生碰撞，需要说明的是发生碰撞即可理解为寻标小车接触到了信标单元，并触发了信标单元的振动传感器，则视为寻标小车与信标单元发生碰撞，则为寻标失败，信标单元将通过声光报警模块发出声光报警。

实施例：

本发明可以用作高等院校的无线电测向模拟教学，也可直接用于无线电测向电子竞技，也适用于实验和训练。学生在模拟系统的应用时，例如在一人找多信标的无线电测向电子竞技时，竞技的无线电测向频率范围为2.4ghz-2.5ghz。可3个学生组成竞赛组，在室内竞技场地如平坦的室内篮球场上，随机摆放15个信标单元，由裁判或者工作人员对15个信标单元分别设定不同频率的无线电发射信号以及不同的信标摩尔斯码，3名选手各抽签选定5个测向摩尔斯码，然后由3名选手各控制一台搭载有测向单元的寻标小车各自寻找5个信标单元，率先成功找出5个信标单元的选手获胜；又或者多人找一信标的无线电测向电子竞技时，同样先由裁判或者工作人员对15个信标单元分别设定不同频率的无线电发射信号以及不同的信标摩尔斯码，不同的是，3名选手共同被告知唯一1个信标摩尔斯码，3名选手各控制一台搭载有测向单元的寻标小车共同寻找1个目标信标单元，率先找到目标信标单元的选手获胜。

需要说明的是，竞赛时须先提前给定一个共同的测向摩尔斯码（多人找一信标），或者每个选手抽签各自选择多个测向摩尔斯码（一人找多信标），选手在设置测向单元的接收参数时，将测向摩尔斯码设定。寻标时，测向单元扫描接收2.4ghz-2.5ghz范围内的频率，扫描到某个频点的信号后，并在接入信号后，识别其信标摩尔斯码，若来波的信标摩尔斯码与设定的测向摩尔斯码一致，则该来波为寻找目标信号，进一步测定其来波方向，控制寻标小车行驶寻找到发出目标信号的信标单元。若来波的信标摩尔斯码与设定的测向摩尔斯码不一致，则该信号不是寻找的目标信号，放弃该信号，继续扫描接收下一频点的无线电信号。

选手采用的无线电测向模拟系统，由信标单元、测向及寻标单元组成，测向及寻标单元由测向单元和寻标小车组成。寻标小车，用于搭载测向单元，并接收测向单元的驱使信号后行驶寻找信标单元；测向单元包括双通道射频接收模块、中频模块（包括fpga、mcu和2个ad采样器）、第一测向天线和第二测向天线2根测向天线、测距模块、测向红外接收模块、测向红外遥控器、测向显示屏；信标单元包括声光报警模块（包括三色的led和蜂鸣器）、信标显示屏、脉冲频率源模块、中央处理器、振动传感器、霍尔传感器、信标红外接收模块、信标红外遥控器、发射天线。fpga使用型号为5ceba9f23c7n，内部资源丰富，总共301k个逻辑单元，684个乘法器，满足本发明的实施应用；mcu的型号为stm32f103vgt6，该信号处理器被我司大量实践过，具有较高的稳定性；ad采样器型号为ad9265，采样率为102.4mhz；中央处理器为信标单元的核心控制，使用型号为stm32f103vgt6的cpu，内核为armcortex-m3，芯片内的ram和rom资源丰富。

竞赛时，裁判或者工作人员手持信标红外遥控器配合信标显显示屏可对信标单元作参数设置，参赛选手手持测向红外遥控器配合测向显示屏可对测向单元作参数设置。例如，在对信标单元参数设置时，如图5所示，信标红外遥控器上的数字按键“0”为信号开关，用于信号的发射和关闭；按键“1”用于设置频率；按键“2”调制脉宽；按键“3”用于选择摩尔斯码字符；按键“4”调制开关，用于开关信号的摩尔斯码调制；按键“5”复位；按键“6”触发开关用于开关振动传感器和霍尔传感器；方向键则为移动选择光标；按键“*”为返回上一步，按键“#”为返回主界面，按键“ok”用于确定和保存等等。可见，遥控器上的每个按键对应不同的功能设置，通过遥控器进行信标单元的遥制。遥控设置完成后，脉冲频率源模块通过接收来自中央处理器的工作指令，自动完成工作参数解析，输出2.4ghz～2.5ghz射频信号，经带通滤波和脉冲调制后，输出10us~1000ms脉宽射频信号（可控制改变脉宽），再经过发射天线辐射出去。如图6所示，参数设置好后的信标显示屏的显示主界面，其中，信标单元的温度为10℃，电压7.4v，摩尔斯码字符为mos，信标发射的信号频率为2450mhz，调制开关为打开状态，也就是说信号调制有摩尔斯码且对应的字符为mos，调制脉宽为100us，触发开，也就是说信标的振动传感器和霍尔传感器处于打开工作状态，整个信标单元正常工作。

选手通过测向红外遥控器设置接收参数，测向单元通过2根测向天线接收2.4ghz-2.50ghz范围内的射频信号，当扫描到一个信号并确定该频点信号为寻找目标信号后，开始测向寻标。因为寻标小车搭载着测向单元并通过驱动接口与测向单元连接，当确定为目标信号后，测向单元中的mcu根据来波方向，计算出寻标小车的需要转向的角度，并控制寻标小车的电机调整寻标小车姿态对准信标单元的来波方向，然后驱动寻标小车靠近信标单元，当寻标小车接近信标单元后，寻标小车上的测距模块会探测到信标的距离，当寻标小车与信标单元的距离r达到30cm，mcu控制电机放慢速度，逐渐靠近信标，直至触发信标单元的霍尔传感器，信标单元关闭无线电信号发射。测距模块可采用超声波测距，采用型号为hc-sr04的超声波测距传感器，该型号传感器被广泛用于智能小车上。若该信号不是寻找的目标信号，放弃该信号，继续扫描接收下一频点的无线电信号。

进一步地，信标单元中，霍尔传感器与振动传感器均用于检测寻标小车。寻标小车的前端设置有霍尔感应区，当寻标小车行驶至信标单元的霍尔传感器的检测范围内后，霍尔传感器检测到其位置，并将反馈信号送入中央处理器进行处理，中央处理器控制三色led灯由一般状态的黄色变为绿色，此时，将关闭信标单元的无线电信号的发射。当寻标小车未进入霍尔传感器的感应范围就接触到信标单元，或者行驶过快碰撞到信标单元，此时，振动传感器将反馈信号传输至中央处理器，中央处理器控制三色led灯由黄色变为红色，同时驱动蜂鸣器发出蜂鸣报警，寻标失败。

竞赛过程中，测向单元内嵌的相关程序需要选手自己设定，例如测向算法、小车驱动算法等等，因此寻标的快慢、准确与否都取决于程序代码的效率、质量等。通过本发明的应用，可锻炼和提高学生的专业技术能力、动手能力和创新能力，本发明在未来无线电测向领域的教学中将发挥到重要作用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。