一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统及其运行方法技术方案

本发明专利技术一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统及其运行方法，本系统与上位机连接的数字信号处理器控制整个系统。4X2的天线阵安装于直流电机驱动的天线座，不同波束的切换和天线座的转动实现俯仰方向和水平方向的覆盖。数字信号处理器经8路I/O接口与射频处理模块连接，控制8路天线微波开关，天线单元接收的信号经射频处理后输入数字信号处理器，得到信号的能量和相位差，以判断目标方位。其运行方法为开机后处于待机状态，据上位机指令进入发射状态、搜索状态或跟踪状态，按指令的波束号和水平方位等进行发射、搜索或跟踪工作，本发明专利技术上位机对系统控制，各状态可快速切换，实现360°方位扫描和不同高度的波束切换，搜索快速，跟踪可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及天线自动跟踪
，特别是一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统及其运行方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的另一目的是设计一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统的运行方法，上位机的指令使系统处于待机、发射、搜索或跟踪状态，根据上位机指令，数字信号处理器控制直流电机和微波开关，对经射频处理后的天线接收信号的分析，得到信号强度和信号相位差，作为跟踪空中目标时方位角修正的依据，控制直流电机的转速和方位角，完成搜索或跟踪。本专利技术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 ProgrammableGate 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。本专利技术设计的一种搜索跟踪空中目标的动中通地面系统的运行方法，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。Ⅰ、发射状态总控子模块接收到发射指令，判断系统当前是否处于发射状态，如果系统正在发射状态，放弃当前的发射，重新按照当前接收的本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；其特征在于：所述天线阵包括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；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；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；数字信号处理器与直流电机连接，控制其转动；数字信号处理器通过8路输入/输出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接收信号的能量和相位差。...

【技术特征摘要】
1.一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；其特征在于：所述天线阵包括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；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；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；数字信号处理器与直流电机连接，控制其转动；数字信号处理器通过8路输入/输出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接收信号的能量和相位差。2.根据权利要求1所述的搜索跟踪空中目标的动中通地面系统，其特征在于：所述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；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；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；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，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。3.根据权利要求1或2所述的搜索跟踪空中目标的动中通地面系统，其特征在于：所述数字信号处理器为现场可编程门阵列。4.根据权利要求2所述的搜索跟踪空中目标的动中通地面系统的运行方法，其特征在于：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；Ⅰ、发射状态总控子模块接收到发射指令，判断系统当前是否处于发射状态，如果系统正在发射状态，放弃当前的发射，重新按照当前接收的发射指令进行发射；当系统处于发射状态，总控子模块接收到跟踪指令、或搜索指令、或待机指令，则系统立即进入到对应状态；所述发射指令包括发射时的波束号和水平方位角；根据已设定的格式转译发射指令并发送给发射子模块，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；系统持续处于发射状态，直至收到总控子模块的其它指令；Ⅱ、搜索状态当系统处于搜索状态，总控子模块接收到...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋留兵，赵纪奎，车俐，肖志涛，宋永坤，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45