基于無(wú)線(xiàn)電測(cè)向的目標(biāo)搜尋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王彥坤，張愛(ài)軍，張 健

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院 江蘇 南京 210008）

針對(duì)炮彈研制的試驗(yàn)條件不斷完善，各種測(cè)試炮彈性能的手段基本具備。而炮彈的回收效率低下，人工尋找彈頭又要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力[1]，使用雷達(dá)追蹤或GPS定位則方法復(fù)雜、耗資巨大，因此迫切需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單廉價(jià)的彈落點(diǎn)定位系統(tǒng)。本文以彈落點(diǎn)定位系統(tǒng)為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)的目標(biāo)搜尋系統(tǒng)。系統(tǒng)采用433 MHz載波頻率進(jìn)行通信并找尋1 km以?xún)?nèi)的信號(hào)源目標(biāo)，簡(jiǎn)單且成本較低，可靠性高。

系統(tǒng)還可以應(yīng)用在找尋失事飛機(jī)、國(guó)防、野生動(dòng)物保護(hù)等方面。目前在國(guó)內(nèi)，無(wú)線(xiàn)電測(cè)向系統(tǒng)較為成熟，但應(yīng)用于特殊工況下的測(cè)向系統(tǒng)還不十分完善，因此設(shè)計(jì)高精度的無(wú)線(xiàn)電測(cè)向接收機(jī)很有必要。系統(tǒng)集成了高精度電子羅盤(pán)、高靈敏度無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊和高增益八木天線(xiàn)，總體設(shè)計(jì)注重實(shí)用性、可操作性和擴(kuò)展性，能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位。

1 測(cè)向原理

無(wú)線(xiàn)電測(cè)向有幅度比較式測(cè)向、沃特森-瓦特測(cè)向、干涉儀測(cè)向等幾種方式。幅度比較式測(cè)向原理簡(jiǎn)單，體積小，成品易攜帶，故本文選用幅度比較式進(jìn)行測(cè)向[2]。電磁波傳播的時(shí)間越長(zhǎng)，波前離發(fā)射源越遠(yuǎn)，波的能量衰減的就越多。利用波的這個(gè)特性，通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)電路來(lái)測(cè)得場(chǎng)強(qiáng)的強(qiáng)弱[3]。

YAGI天線(xiàn)方向性好，增益高，適用于測(cè)向、搜尋等系統(tǒng)。由于受到接收機(jī)尺寸的限制，故而采用三單元YAGI天線(xiàn)。YAGI天線(xiàn)由引向器、主振子和反射器組成，主振子長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)，引向器略短于主振子，故呈“容性”，電流超前電壓90°。相反，反射器略長(zhǎng)于主振子，故呈“感性”，電流滯后電壓90°。引向器和反射器均離主振子1/4波長(zhǎng)，因此從引向器輻射到主振子的電磁波要滯后直接被主振子接收的信號(hào)90°，與超前的90°相抵消，此時(shí)信號(hào)最強(qiáng)。同理，從反射器輻射到主振子的電磁波滯后直接被主振子接收的信號(hào)90°，與原來(lái)滯后的90°疊加后，信號(hào)滯后180°，此時(shí)信號(hào)最弱。因此 YAGI天線(xiàn)能夠根據(jù)接收不同方向來(lái)波幅度的不同判定來(lái)波方向。當(dāng)YAGI天線(xiàn)的引向器正對(duì)波源時(shí)，接收波的幅度最大，相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)值也最高；相反，當(dāng)天線(xiàn)的引向器背對(duì)波源時(shí)，即反射器正對(duì)波源時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)值最低。

搜尋者手持接收機(jī)，原地旋轉(zhuǎn)一周，沿著引向器指示的場(chǎng)強(qiáng)最大方向?qū)ふ?，?dāng)接收機(jī)離目標(biāo)源約100 m時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)值達(dá)到飽和，此時(shí)，打開(kāi)蜂鳴器開(kāi)關(guān)，沿著蜂鳴器提示的聲音方向就可以找到目標(biāo)源。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)電測(cè)向系統(tǒng)由發(fā)送機(jī)和接收機(jī)組成。目標(biāo)點(diǎn)系統(tǒng)工作后，通過(guò)主控芯片控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊間斷發(fā)射無(wú)線(xiàn)點(diǎn)信號(hào)，并利用查詢(xún)方式接收用戶(hù)指令，當(dāng)接收到指令后，啟動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行聲音提示，工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 Working flowchart of the system

接收機(jī)包括主控模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊KYL1020L、電子羅盤(pán)XW-EC1720、電源模塊、天線(xiàn)模塊、顯示模塊六部分。無(wú)線(xiàn)電收發(fā)模塊用于接收和發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)；主控模塊對(duì)信號(hào)有無(wú)及強(qiáng)弱進(jìn)行分析處理，控制顯示；電源模塊為接收機(jī)系統(tǒng)供電。接收機(jī)系統(tǒng)工作后，搜尋目標(biāo)點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，當(dāng)搜尋到信號(hào)后，通過(guò)突出顯示，并將信號(hào)進(jìn)行處理，得到目標(biāo)方向角并在顯示屏上顯示出來(lái)，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)某一限值，接收機(jī)系統(tǒng)發(fā)射啟動(dòng)蜂鳴器指令，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)電測(cè)向系統(tǒng)組成Fig.2 Wireless direction-finding system composition

主控模塊基于單片機(jī)Atmega128，Atmega128是Atmel公司生產(chǎn)的高性能低功耗的8位AVR高檔微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，且大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期。1 MIPS/MHz的高速處理能力大大減緩了功耗與處理速度之間的矛盾。

2.1 XW-EC1720特性

系統(tǒng)選用XW-EC1720平面電子羅盤(pán)，體積很小，內(nèi)置雙軸磁阻傳感器和雙軸傾角補(bǔ)償測(cè)量載體的航向角以及場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度。電子羅盤(pán)將測(cè)得的目標(biāo)點(diǎn)系統(tǒng)的方位信息通過(guò)RS232和單片機(jī)進(jìn)行高效通信[4]，格式為“9 600，n，8，1”，每幀輸出20字節(jié)16進(jìn)制數(shù)，協(xié)議如表1所示。

表1 羅盤(pán)數(shù)據(jù)格式Tab.1 The compass data format

主機(jī)可通過(guò)發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)的命令字來(lái)配置查詢(xún)羅盤(pán)的輸出參數(shù)和狀態(tài)，在對(duì)羅盤(pán)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，發(fā)送命令字0xd0，在俯仰改變很小的情況下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)羅盤(pán)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周后發(fā)送命令字0xd1保存校準(zhǔn)記錄。從圖3可以看出，標(biāo)定前羅盤(pán)的靜態(tài)誤差為0.5°，標(biāo)定后羅盤(pán)的靜態(tài)誤差減少到0.25°，小于羅盤(pán)的允許誤差0.5°。

圖3 標(biāo)定前后羅盤(pán)靜態(tài)誤差Fig.3 Compass static error before and after calibration

2.2 KYL-1020L模塊無(wú)線(xiàn)通信

無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊型號(hào)選用KYL-1020L，體積小、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)，傳輸距離可達(dá)到2～3 km。載波頻率433MHz，發(fā)射功率小于500mW，接收靈敏度可達(dá)到-123 dBm（1 200 bps）。

將兩塊KYL-1020L分別與兩臺(tái)電腦通過(guò)RS232進(jìn)行通信測(cè)試，分別設(shè)置兩塊KYL-1020L的信道號(hào)、串口速率、校驗(yàn)使之一致，一個(gè)通過(guò)KYL-1020L發(fā)送數(shù)據(jù)，另一個(gè)接收數(shù)據(jù)，若能夠接收到發(fā)送的數(shù)據(jù)，則說(shuō)明通信良好。圖4為KYL-1020L與電腦接口的連接圖。KYL-1020L的3和4引腳與6和7引腳都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，兩者是有區(qū)別的。3和4引腳是TTL電平，可以與單片機(jī)本身的串口通信引腳相連。6和7引腳是RS232串行通信接口，單片機(jī)通過(guò)MAX232芯片轉(zhuǎn)換后可以與其通信。

圖4 KYL-1020L連接示意圖Fig.4 The KYL-1020L interface diagram

當(dāng)接收機(jī)工作時(shí)，KYL-1020L與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，然后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出來(lái)。通信的數(shù)據(jù)格式如下。數(shù)據(jù)的發(fā)送是先從起始位開(kāi)始，停止位在后。

表2 一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)格式Tab.2 A byte data format

無(wú)線(xiàn)信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)損耗，分為自由空間傳輸損耗和反射損耗兩種。“陰影效應(yīng)”使波的能量隨著距離的增加逐漸減少[5]。若以地波傳播為主，則反射比較強(qiáng)烈，此時(shí)傳導(dǎo)性越好，場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)越小。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地幾乎無(wú)遮擋，存在視距路徑，因此無(wú)線(xiàn)信號(hào)波的傳播方式為L(zhǎng)OS傳播。發(fā)送機(jī)和接收機(jī)天線(xiàn)均保持不變，以直射波為主，因此大地反射比較弱，用Egli模型能夠判斷場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)公式[6]如（1）所示。

又 1mil=1 609m，得到公式（2）：Lm（dBm）為波傳播損耗，f為信號(hào)頻率。

hr、hs分別為接收機(jī)和發(fā)送機(jī)的有效高度，hmin為天線(xiàn)的最低有效高度，一般為20 ft，1 ft=30.48 cm，d為傳播距離。

以上公式是在無(wú)遮擋的理想條件下場(chǎng)強(qiáng)和傳播距離的關(guān)系，實(shí)際搜尋時(shí)會(huì)有一些誤差。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證接收機(jī)搜尋信號(hào)方位的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室外面空曠的大路，接收機(jī)離地約1.5m，天線(xiàn)與地面保持水平。每隔一段測(cè)一組數(shù)據(jù)，以羅盤(pán)為基準(zhǔn)，每隔30°讀取一次場(chǎng)強(qiáng)值。實(shí)驗(yàn)時(shí)波特率為9 600 bps，在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)將天線(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)一周，為了更好的了解每次測(cè)量時(shí)場(chǎng)強(qiáng)的最大值，用Matlab處理后得出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)不同方位的場(chǎng)強(qiáng)值，如圖5所示，波形的起伏能明顯觀(guān)察出場(chǎng)強(qiáng)的變化情況。

圖5 各個(gè)角度的信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系圖Fig.5 Every angle of signal strength diagram

從圖5可以清楚的看出0-360°方位場(chǎng)強(qiáng)值分布的整體趨勢(shì)，除了第4、9組的場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在其他方位外，場(chǎng)強(qiáng)最大值所在的方位角均在30°至60°之間。場(chǎng)強(qiáng)最小值也基本分布在與最大值相反的180°方向左右。因?yàn)檫x擇的試驗(yàn)場(chǎng)地是徑直的，所以場(chǎng)強(qiáng)最大的方位角在某個(gè)范圍之內(nèi)是非常合理的。而且當(dāng)接收機(jī)的距離比較近且大于失效距離時(shí)，接收機(jī)天線(xiàn)正對(duì)發(fā)送機(jī)的方向場(chǎng)強(qiáng)值最大，隨著天線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)值逐漸減小，天線(xiàn)背對(duì)發(fā)送機(jī)時(shí)場(chǎng)強(qiáng)值最小。因此在接收機(jī)的距離比較近且大于失效距離時(shí)，接收機(jī)對(duì)各個(gè)方位的場(chǎng)強(qiáng)分辨率最大，定位效果最好。

個(gè)別場(chǎng)強(qiáng)值存在跳變以及影響場(chǎng)強(qiáng)大小的原因有以下幾點(diǎn)：

1）實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地雖然沒(méi)有樹(shù)木的遮擋，但是周?chē)嬖诤芏噼F柱，會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生很大的干擾。實(shí)際應(yīng)用時(shí)場(chǎng)地?zé)o此類(lèi)干擾。

2）測(cè)向時(shí)操作人員的人為誤差，天線(xiàn)不能保持水平、不能離地面足夠的高度等。為了方便搜尋人員勻速轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)，可以采用電機(jī)來(lái)控制天線(xiàn)的轉(zhuǎn)速，這樣工作人員只需水平拿著天線(xiàn)，讓電機(jī)帶動(dòng)天線(xiàn)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣對(duì)減少人為誤差大大有利。

3）八木天線(xiàn)本身的設(shè)計(jì)存在誤差，接收不同方向的非正常極化波會(huì)有很大誤差。多次測(cè)量取平均值可有效減小極化誤差，還有選擇抗極化誤差的無(wú)線(xiàn)電測(cè)向體制也能較好的減少極化誤差[7]。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)電測(cè)向系統(tǒng)能夠很好的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，接收機(jī)可以精確的顯示各個(gè)方向的場(chǎng)強(qiáng)值和方位角。對(duì)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊可以再進(jìn)一步挖掘潛力，有效提高定位距離和降低功耗。天線(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化后，會(huì)大大提高發(fā)送和接收增益。改變這些性能后，會(huì)使接收機(jī)適用于環(huán)境更加惡劣的場(chǎng)地。

[1]李麗.靶場(chǎng)彈落點(diǎn)無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)的研究[D].太原：中北大學(xué)，2009.

[2]盧佳林.無(wú)線(xiàn)電測(cè)向技術(shù)及應(yīng)用[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（4）:65-67.LU Jia-lin.Wireless direction-finding technology and application[J].Journal ofWeifang University，2005（4）:65-67.

[3]徐子久，韓俊英.無(wú)線(xiàn)電測(cè)向體制概述[J].中國(guó)無(wú)線(xiàn)電管理，2002（3）:29-35.XU Zi-jiu，HAN Jun-ying.Overview of wireless directionfinding[J].China Radio Management，2002（3）:29-35.

[4]陳文斌，楊林才，閆耀耀.基于電子羅盤(pán)的便攜式定位裝置[J].電子設(shè)計(jì)工程， 2011（1）:99-101，108.CHEN Wen-bin，YANG Lin-cai，RAN Yao-yao.Portable positioning device based on electronic compass[J].Electronic Design Engineering， 2011（1）:99-101，108.

[5]張建偉，盧泳兵.無(wú)線(xiàn)接入信道損耗特性分析[J].信號(hào)與信息處理，2010（2）:22-24.ZHANG Jian-wei，LU Yong-bing.Research on characteristics of wireless access channels[J].Signal and Information Management，2010（2）:22-24.

[6]楊國(guó)榮，史富強(qiáng).微波通信天線(xiàn)選擇與優(yōu)化方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009（10）:15-17.YANG Guo-rong，SHI Fu-qiang.Research of microwave communication antenna selection and optimizationmethod[J].Electronic Design Engineering，2009（10）:15-17.

[7]劉萬(wàn)洪，宋正來(lái)，侯小江，等.無(wú)線(xiàn)電通信測(cè)向中的極化誤差分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（13）:43-45.LIUWan-hong，SONG Zheng-lai，HOUXiao-jiang，etal.Analysis on polarization error in radio-communication direcitonfinding[J].Modern Electronics Technique，2007（13）:43-45.