一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统的制作方法

本实用新型涉及天线自动跟踪技术领域，特别是一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统。

背景技术：

随着科技的发展，现已经步入信息化时代。动中通系统是一种地面设备和空中设备均处于运动状况下的移动通信系统。动中通系统优于其它通信系统，它保证发送方或接收方在快速运动当中仍能与目标保持通信链路畅通、高质量地进行通信。因此动中通在各种移动载体(如汽车、火车、飞机、轮船)上均广泛使用，尤其是在战场环境、抢险救援过程中动中通发挥着极其重要的作用。

在通信过程中，空中目标持续发射信号，动中通地面系统确定信号传播的准确的方向是保证高速率、畅通无阻地与空中目标通信的前提。地面设备在接收或者发射信号时，若能快速、正确地确定空中目标的方位，将使其与空中设备的通信效率大大提高。

为此，地面设备启动后首先要确定空中目标的位置，即搜索空中设备。空中目标在不停地移动，完成搜索后，地面设备还要通过不断调整天线的方向、使之始终对准空中目标，以保持最佳通信状态，即跟踪空中设备。

但由于动中通系统的地面载体处于不断运动过程中，空中的目标也不断运动，二者的运动使地面设备的天线搜索时可能找不到空中平台，甚至在跟踪状态下，地面天线也可能偏离，失去空中目标。这是动中通系统当前要解决的主要问题。

动中通地面设备工作时，不可能一直处于跟踪状态。地面设备关机、目标丢失等因素都需要重新进行搜索、重新获取目标，以精确对其进行跟踪。

为此需要设计一套地面设备控制系统，以使地面设备自动地在搜索状态、跟踪状态、开机但未跟踪的待机状态及其信号发射状态之间切换。

为了能够满足地面设备在运动状态下快速实现DOA(Direction ofArrival,信号波达方向)估计。使系统具有高实时性，需要实现发射、搜索、跟踪三个状态的快速切换和良好的人机交互，才能使动中通地面系统在复杂环境、低信噪比条件下得到更好的应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是设计一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统，其包括天线阵、射频处理模块、直流电机和数字信号处理器，数字信号处理器与上位机连接。上位机发送指令至数字信号处理器，控制整个系统工作。天线阵包括4X2的天线阵列平面，4对波束覆盖俯仰90°。天线平面安装于天线座，直流电机驱动天线座转动，使天线阵覆盖水平方向上360°方位角。

本实用新型设计的一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统包括天线阵、射频处理模块、直流电机、模数转换模块和数字信号处理器，上位机与数字信号处理器连接，操作人员通过上位机的人机界面发送指令至数字信号处理器，数字信号处理器根据上位机指令控制整个系统工作。天线阵包括4X2的天线阵列平面，该平面安装于天线座上、与水平面成45度角，天线阵列平面上每一排的一对天线单元发射的波束覆盖俯仰方向的22.5度，即本天线阵的4对天线单元从水平面的0°到竖直面的90°共分布4对波束，每个天线单元对应一个波束号。切换导通不同高度的天线单元，即切换四对波束，实现俯仰90°内的全覆盖。

天线座的转动轴与水平面垂直，直流电机连接驱动天线座的转动轴转动，控制天线阵水平方向的方位角。直流电机控制天线阵转动一周即实现天线单元波束水平方向360度方位角全覆盖。

射频处理模块的8个微波开关分别与天线阵的8个天线单元连接。数字信号处理器通过RS232串口与直流电机连接，控制其转动，从而控制天线阵的水平方位角。

数字信号处理器通过8路输入/输出接口(I/O接口)与射频处理模块连接，发送控制天线微波开关的导通与断开的指令，每次导通一对俯仰方向高度相同的天线单元的微波开关，微波开关导通的天线单元发射或接收射频信号，接收的射频信号送入射频处理模块，射频处理模块的输出端经模数转换模块与数字信号处理器输入端连接。

射频处理模块接收当前导通的天线阵中某对天线单元的射频信号，对两路信号进行下变频处理，然后进行相减与相加，得到的差路及和路信号经模数转换模块输入数字信号处理器。

数字信号处理器对射频处理模块传送的信号采样并处理，得到水平方向高度相同的两个天线的接收信号的能量和相位差。信号能量用于搜索时判断目标的水平方向方位角以及位于俯仰方向的哪个波束覆盖范围之内。

数字信号处理器包括中心控制处理模块；波束切换模块、直流电机模块和DDC(Direct Digital Control的缩写，即直接数字控制)模块。

数字信号处理器一般采用现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)。

中心控制处理模块包括总控子模块、发射子模块、搜索子模块、跟踪子模块。

总控子模块配有RS232串行接口，通过该串行接口与上位机连接，接收上位机指令，根据已设定的格式转译并发送给相关子模块。总控子模块连接发射子模块、搜索子模块和跟踪子模块，根据上位机指令向相关子模块发送控制命令，并保存上位机指令。

发射子模块、搜索子模块和跟踪子模块连接并控制波束切换模块和直流电机模块。

发射子模块连接波束切换模块和直流电机模块，根据总控子模块传送的上位机发射指令，控制波束切换模块打开指令要求的俯仰方向的天线阵的一对天线单元的微波开关，控制直流电机模块向电机依次发送速度设置、角度设置指令，直流电机驱动天线阵转到对应的水平方位角，之后控制所选择的天线单元发射信号。

搜索子模块连接DDC模块，接收DDC模块得到的当前和路信号模值，据此确定需要打开的俯仰方向上的天线单元，并发送指令给波束切换模块。

跟踪子模块连接DDC模块，接收DDC模块得到的和路信号模值，确定需要打开的俯仰方向上的天线单元，并发送指令给波束切换模块；同时接收DDC模块的两路信号的相位差，据此确定目标在水平方向的偏移量，发送指令给直流电机模块，控制其水平方位角，修正天线阵水平方向上的角度。

直流电机模块的输入端连接发射子模块、搜索子模块和跟踪子模块，接受指令，直流电机模块的输出端连接直流电机。根据指令设置直流电机的转速和角度、控制直流电机的运行，或者根据指令查询直流电机当前的水平方位角。

波束切换模块的输入端连接发射子模块、搜索子模块和跟踪子模块，接受指令，波束切换模块模块的输出端连接4对输入/输出接口，每次只能打开一对输入/输出接口或全部关闭，实现对俯仰方向四对天线单元的开关控制。

DDC模块的输入端经模数转换模块连接射频信号处理模块，接收差路及和路信号，对其进行正交下变频低通滤波，得到I、Q两路信号并取模。求得和路信号的模值及两个天线单元接收信号的相位差，和路信号的模值表示信号强度。DDC模块将和路信号模值送入搜索子模块，将和路信号模值和接收信号相位差送入跟踪子模块。

本实用新型设计的一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统开机后处于待机状态，等待上位机的指令，本系统的工作状态为发射状态、搜索状态或跟踪状态，由上位机控制。

总控子模块接收到发射指令，并发送给发射子模块，系统进入发射状态。发射子模块将发射指令中波束号传送给波束切换模块，控制其导通波束号对应的输入/输出接口，以接通射频信号处理模块所接的对应的一对微波开关。同时发射子模块根据发射指令中的水平方位角和天线阵当前的水平方位角，计算得到直流电机的转速和角度，并将角度、转速控制指令发送到直流电机模块，后者控制直流电机驱动天线阵转动达到所需水平方位角，按上位机指定的波束号向指定的水平方位发射信号。

总控子模块接收到搜索指令即启动搜索子模块，系统进入搜索状态。搜索子模块根据上位机指令通过直流电机模块设置电机转速，再控制直流电机转动至搜索初始位置，并从搜索初始位置顺时针或逆时针方向按指定转速转动，在直流电机转动过程中，搜索子模块根据搜索指令控制波束切换模块，波束切换模块令4对输入/输出接口快速轮流切换；搜索状态下，射频信号处理模块接收的信号经其处理后送入DDC模块，搜索子模块接收DDC模块得到的当前和路信号模值，当信号模值连续100个周期超过模值门限值认定出现目标，立即查询当前直流电机方位角度并保存，同时保存此时俯仰方向上天线单元的波束号。当直流电机转动到搜索终点时，搜索子模块比较所保存的信号模值大小，最大值对应的水平方位角度和波束号即为目标所在位置，并将所得空中目标位置的水平方位角度和波束号发送给总控子模块，总控子模块将搜索结果上传给上位机。

总控子模块接收到跟踪指令即启动跟踪子模块，系统进入跟踪状态。跟踪子模块根据上位机指令通过直流电机模块设置电机转速，再控制直流电机转动至跟踪指令规定的方位角度，跟踪子模块根据跟踪指令控制波束切换模块，导通指令规定的波束号对应的输入/输出接口。波束切换模块再轮流打开俯仰方向上四对天线单元，跟踪子模块保存每对天线单元打开时的信号强度，比较四对天线单元的数据，并打开信号强度最高的的一对天线单元，检测此对天线相位差值，当检测到其相位差连续20个周期大于相位差阈值，说明目标已偏离当前的水平方位角，根据相位差的正负确定转动方向，根据相位差的值控制直流电机旋转相应角度，以跟踪目标。

系统持续处于跟踪状态，直至收到总控子模块的其它指令。

与现有技术相比，本实用新型一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统的优点为：1、本系统上位机对数字信号处理器进行控制，有良好的人机交互，实现了在发射、搜索、跟踪及待机状态的快速切换，操作人员对工作状态控制自如；2、在水平方向上采用直流电机驱动天线阵的转动，对360°方位扫描覆盖，在俯仰方向上采用不同高度的波束切换，实现快速搜索，在短时间内准确确定空中目标方位，节省捕获目标的时间，提高系统的运行效率；3、采用相位和差解决方位角的跟踪，采用能量准则控制不同波束切换解决俯仰方向的跟踪，且由于单脉冲测角技术能够实现只需一个周期的信号就能完成测角，本实用新型能够满足地面设备在运动状态下快速实现DOA估计，提高系统的跟踪可靠性。

附图说明

图1为本搜索跟踪空中目标的动中通地面系统实施例结构示意图；

图2为图1中天线阵和天线座的结构示意图；

图3为图1中数字信号处理器的结构示意图；

图中标号为

1、天线阵，2、天线座，3、直流电机。

具体实施方式

本搜索跟踪空中目标的动中通地面系统系统实施例如图1所示，包括天线阵、射频处理模块、直流电机、模数转换模块(AD转换模块)和数字信号处理器。上位机与数字信号处理器连接，操作人员通过上位机的人机界面发送指令至数字信号处理器，数字信号处理器根据上位机指令控制整个系统工作。

如图2所示，天线阵1包括4X2的天线阵列平面，该平面安装于天线座2上、与水平面成45度角，天线阵列平面上每一排的一对天线单元发射的波束覆盖俯仰方向的22.5度，即本天线阵1的4对天线单元从水平面的0°到竖直面的90°共分布4对波束，每个天线单元对应一个波束号。

天线座2的转动轴与水平面垂直，直流电机连接驱动天线座的转动轴转动，控制天线阵水平方向的方位角。

射频处理模块的8个微波开关分别与天线阵的8个天线单元连接。

射频处理模块接收当前导通的天线阵中某对天线单元的射频信号，对两路信号进行下变频处理，然后进行相减与相加，得到的差路及和路信号经模数转换模块输入数字信号处理器。

本例数字信号处理器采用现场可编程门阵列FPGA，如图3所示包括中心控制处理模块；波束切换模块、直流电机模块和DDC模块。中心控制处理模块包括总控子模块、发射子模块、搜索子模块、跟踪子模块。

总控子模块配有RS232串行接口，通过该串行接口与上位机连接，接收上位机指令，根据已设定的格式转译并发送给相关子模块。总控子模块连接发射子模块、搜索子模块和跟踪子模块，根据上位机指令向相关子模块发送控制命令，并保存上位机指令。

发射子模块、搜索子模块和跟踪子模块连接并控制波束切换模块和直流电机模块。

直流电机模块的输出端连接直流电机。根据指令设置直流电机的转速和角度、控制直流电机的运行，或者根据指令查询直流电机当前的水平方位角。

波束切换模块的输出端连接4对输入/输出接口，每次只能打开一对输入/输出接口或全部关闭，实现对俯仰方向四对天线单元的开关控制。

DDC模块的输入端经模数转换模块连接射频信号处理模块，接收差路及和路信号，对其进行正交下变频低通滤波，得到I、Q两路信号并取模。求得和路信号的模值及两个天线单元接收信号的相位差，和路信号的模值表示信号强度。DDC模块将和路信号模值送入搜索子模块，将和路信号模值和接收信号相位差送入跟踪子模块。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。