本實(shí)用新型涉及天線自動跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)步入信息化時代。動中通系統(tǒng)是一種地面設(shè)備和空中設(shè)備均處于運(yùn)動狀況下的移動通信系統(tǒng)。動中通系統(tǒng)優(yōu)于其它通信系統(tǒng)，它保證發(fā)送方或接收方在快速運(yùn)動當(dāng)中仍能與目標(biāo)保持通信鏈路暢通、高質(zhì)量地進(jìn)行通信。因此動中通在各種移動載體(如汽車、火車、飛機(jī)、輪船)上均廣泛使用，尤其是在戰(zhàn)場環(huán)境、搶險救援過程中動中通發(fā)揮著極其重要的作用。

在通信過程中，空中目標(biāo)持續(xù)發(fā)射信號，動中通地面系統(tǒng)確定信號傳播的準(zhǔn)確的方向是保證高速率、暢通無阻地與空中目標(biāo)通信的前提。地面設(shè)備在接收或者發(fā)射信號時，若能快速、正確地確定空中目標(biāo)的方位，將使其與空中設(shè)備的通信效率大大提高。

為此，地面設(shè)備啟動后首先要確定空中目標(biāo)的位置，即搜索空中設(shè)備?？罩心繕?biāo)在不停地移動，完成搜索后，地面設(shè)備還要通過不斷調(diào)整天線的方向、使之始終對準(zhǔn)空中目標(biāo)，以保持最佳通信狀態(tài)，即跟蹤空中設(shè)備。

但由于動中通系統(tǒng)的地面載體處于不斷運(yùn)動過程中，空中的目標(biāo)也不斷運(yùn)動，二者的運(yùn)動使地面設(shè)備的天線搜索時可能找不到空中平臺，甚至在跟蹤狀態(tài)下，地面天線也可能偏離，失去空中目標(biāo)。這是動中通系統(tǒng)當(dāng)前要解決的主要問題。

動中通地面設(shè)備工作時，不可能一直處于跟蹤狀態(tài)。地面設(shè)備關(guān)機(jī)、目標(biāo)丟失等因素都需要重新進(jìn)行搜索、重新獲取目標(biāo)，以精確對其進(jìn)行跟蹤。

為此需要設(shè)計(jì)一套地面設(shè)備控制系統(tǒng)，以使地面設(shè)備自動地在搜索狀態(tài)、跟蹤狀態(tài)、開機(jī)但未跟蹤的待機(jī)狀態(tài)及其信號發(fā)射狀態(tài)之間切換。

為了能夠滿足地面設(shè)備在運(yùn)動狀態(tài)下快速實(shí)現(xiàn)DOA(Direction ofArrival,信號波達(dá)方向)估計(jì)。使系統(tǒng)具有高實(shí)時性，需要實(shí)現(xiàn)發(fā)射、搜索、跟蹤三個狀態(tài)的快速切換和良好的人機(jī)交互，才能使動中通地面系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境、低信噪比條件下得到更好的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)，其包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機(jī)和數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器與上位機(jī)連接。上位機(jī)發(fā)送指令至數(shù)字信號處理器，控制整個系統(tǒng)工作。天線陣包括4X2的天線陣列平面，4對波束覆蓋俯仰90°。天線平面安裝于天線座，直流電機(jī)驅(qū)動天線座轉(zhuǎn)動，使天線陣覆蓋水平方向上360°方位角。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字信號處理器，上位機(jī)與數(shù)字信號處理器連接，操作人員通過上位機(jī)的人機(jī)界面發(fā)送指令至數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)上位機(jī)指令控制整個系統(tǒng)工作。天線陣包括4X2的天線陣列平面，該平面安裝于天線座上、與水平面成45度角，天線陣列平面上每一排的一對天線單元發(fā)射的波束覆蓋俯仰方向的22.5度，即本天線陣的4對天線單元從水平面的0°到豎直面的90°共分布4對波束，每個天線單元對應(yīng)一個波束號。切換導(dǎo)通不同高度的天線單元，即切換四對波束，實(shí)現(xiàn)俯仰90°內(nèi)的全覆蓋。

天線座的轉(zhuǎn)動軸與水平面垂直，直流電機(jī)連接驅(qū)動天線座的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，控制天線陣水平方向的方位角。直流電機(jī)控制天線陣轉(zhuǎn)動一周即實(shí)現(xiàn)天線單元波束水平方向360度方位角全覆蓋。

射頻處理模塊的8個微波開關(guān)分別與天線陣的8個天線單元連接。數(shù)字信號處理器通過RS232串口與直流電機(jī)連接，控制其轉(zhuǎn)動，從而控制天線陣的水平方位角。

數(shù)字信號處理器通過8路輸入/輸出接口(I/O接口)與射頻處理模塊連接，發(fā)送控制天線微波開關(guān)的導(dǎo)通與斷開的指令，每次導(dǎo)通一對俯仰方向高度相同的天線單元的微波開關(guān)，微波開關(guān)導(dǎo)通的天線單元發(fā)射或接收射頻信號，接收的射頻信號送入射頻處理模塊，射頻處理模塊的輸出端經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)字信號處理器輸入端連接。

射頻處理模塊接收當(dāng)前導(dǎo)通的天線陣中某對天線單元的射頻信號，對兩路信號進(jìn)行下變頻處理，然后進(jìn)行相減與相加，得到的差路及和路信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸入數(shù)字信號處理器。

數(shù)字信號處理器對射頻處理模塊傳送的信號采樣并處理，得到水平方向高度相同的兩個天線的接收信號的能量和相位差。信號能量用于搜索時判斷目標(biāo)的水平方向方位角以及位于俯仰方向的哪個波束覆蓋范圍之內(nèi)。

數(shù)字信號處理器包括中心控制處理模塊；波束切換模塊、直流電機(jī)模塊和DDC(Direct Digital Control的縮寫，即直接數(shù)字控制)模塊。

數(shù)字信號處理器一般采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)。

中心控制處理模塊包括總控子模塊、發(fā)射子模塊、搜索子模塊、跟蹤子模塊。

總控子模塊配有RS232串行接口，通過該串行接口與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)指令，根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯并發(fā)送給相關(guān)子模塊?？偪刈幽K連接發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊，根據(jù)上位機(jī)指令向相關(guān)子模塊發(fā)送控制命令，并保存上位機(jī)指令。

發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊連接并控制波束切換模塊和直流電機(jī)模塊。

發(fā)射子模塊連接波束切換模塊和直流電機(jī)模塊，根據(jù)總控子模塊傳送的上位機(jī)發(fā)射指令，控制波束切換模塊打開指令要求的俯仰方向的天線陣的一對天線單元的微波開關(guān)，控制直流電機(jī)模塊向電機(jī)依次發(fā)送速度設(shè)置、角度設(shè)置指令，直流電機(jī)驅(qū)動天線陣轉(zhuǎn)到對應(yīng)的水平方位角，之后控制所選擇的天線單元發(fā)射信號。

搜索子模塊連接DDC模塊，接收DDC模塊得到的當(dāng)前和路信號模值，據(jù)此確定需要打開的俯仰方向上的天線單元，并發(fā)送指令給波束切換模塊。

跟蹤子模塊連接DDC模塊，接收DDC模塊得到的和路信號模值，確定需要打開的俯仰方向上的天線單元，并發(fā)送指令給波束切換模塊；同時接收DDC模塊的兩路信號的相位差，據(jù)此確定目標(biāo)在水平方向的偏移量，發(fā)送指令給直流電機(jī)模塊，控制其水平方位角，修正天線陣水平方向上的角度。

直流電機(jī)模塊的輸入端連接發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊，接受指令，直流電機(jī)模塊的輸出端連接直流電機(jī)。根據(jù)指令設(shè)置直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度、控制直流電機(jī)的運(yùn)行，或者根據(jù)指令查詢直流電機(jī)當(dāng)前的水平方位角。

波束切換模塊的輸入端連接發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊，接受指令，波束切換模塊模塊的輸出端連接4對輸入/輸出接口，每次只能打開一對輸入/輸出接口或全部關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對俯仰方向四對天線單元的開關(guān)控制。

DDC模塊的輸入端經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接射頻信號處理模塊，接收差路及和路信號，對其進(jìn)行正交下變頻低通濾波，得到I、Q兩路信號并取模。求得和路信號的模值及兩個天線單元接收信號的相位差，和路信號的模值表示信號強(qiáng)度。DDC模塊將和路信號模值送入搜索子模塊，將和路信號模值和接收信號相位差送入跟蹤子模塊。

本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的一種搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)開機(jī)后處于待機(jī)狀態(tài)，等待上位機(jī)的指令，本系統(tǒng)的工作狀態(tài)為發(fā)射狀態(tài)、搜索狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)，由上位機(jī)控制。

總控子模塊接收到發(fā)射指令，并發(fā)送給發(fā)射子模塊，系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。發(fā)射子模塊將發(fā)射指令中波束號傳送給波束切換模塊，控制其導(dǎo)通波束號對應(yīng)的輸入/輸出接口，以接通射頻信號處理模塊所接的對應(yīng)的一對微波開關(guān)。同時發(fā)射子模塊根據(jù)發(fā)射指令中的水平方位角和天線陣當(dāng)前的水平方位角，計(jì)算得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度，并將角度、轉(zhuǎn)速控制指令發(fā)送到直流電機(jī)模塊，后者控制直流電機(jī)驅(qū)動天線陣轉(zhuǎn)動達(dá)到所需水平方位角，按上位機(jī)指定的波束號向指定的水平方位發(fā)射信號。

總控子模塊接收到搜索指令即啟動搜索子模塊，系統(tǒng)進(jìn)入搜索狀態(tài)。搜索子模塊根據(jù)上位機(jī)指令通過直流電機(jī)模塊設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，再控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動至搜索初始位置，并從搜索初始位置順時針或逆時針方向按指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中，搜索子模塊根據(jù)搜索指令控制波束切換模塊，波束切換模塊令4對輸入/輸出接口快速輪流切換；搜索狀態(tài)下，射頻信號處理模塊接收的信號經(jīng)其處理后送入DDC模塊，搜索子模塊接收DDC模塊得到的當(dāng)前和路信號模值，當(dāng)信號模值連續(xù)100個周期超過模值門限值認(rèn)定出現(xiàn)目標(biāo)，立即查詢當(dāng)前直流電機(jī)方位角度并保存，同時保存此時俯仰方向上天線單元的波束號。當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動到搜索終點(diǎn)時，搜索子模塊比較所保存的信號模值大小，最大值對應(yīng)的水平方位角度和波束號即為目標(biāo)所在位置，并將所得空中目標(biāo)位置的水平方位角度和波束號發(fā)送給總控子模塊，總控子模塊將搜索結(jié)果上傳給上位機(jī)。

總控子模塊接收到跟蹤指令即啟動跟蹤子模塊，系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。跟蹤子模塊根據(jù)上位機(jī)指令通過直流電機(jī)模塊設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，再控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動至跟蹤指令規(guī)定的方位角度，跟蹤子模塊根據(jù)跟蹤指令控制波束切換模塊，導(dǎo)通指令規(guī)定的波束號對應(yīng)的輸入/輸出接口。波束切換模塊再輪流打開俯仰方向上四對天線單元，跟蹤子模塊保存每對天線單元打開時的信號強(qiáng)度，比較四對天線單元的數(shù)據(jù)，并打開信號強(qiáng)度最高的的一對天線單元，檢測此對天線相位差值，當(dāng)檢測到其相位差連續(xù)20個周期大于相位差閾值，說明目標(biāo)已偏離當(dāng)前的水平方位角，根據(jù)相位差的正負(fù)確定轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)相位差的值控制直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以跟蹤目標(biāo)。

系統(tǒng)持續(xù)處于跟蹤狀態(tài)，直至收到總控子模塊的其它指令。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：1、本系統(tǒng)上位機(jī)對數(shù)字信號處理器進(jìn)行控制，有良好的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)了在發(fā)射、搜索、跟蹤及待機(jī)狀態(tài)的快速切換，操作人員對工作狀態(tài)控制自如；2、在水平方向上采用直流電機(jī)驅(qū)動天線陣的轉(zhuǎn)動，對360°方位掃描覆蓋，在俯仰方向上采用不同高度的波束切換，實(shí)現(xiàn)快速搜索，在短時間內(nèi)準(zhǔn)確確定空中目標(biāo)方位，節(jié)省捕獲目標(biāo)的時間，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率；3、采用相位和差解決方位角的跟蹤，采用能量準(zhǔn)則控制不同波束切換解決俯仰方向的跟蹤，且由于單脈沖測角技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)只需一個周期的信號就能完成測角，本實(shí)用新型能夠滿足地面設(shè)備在運(yùn)動狀態(tài)下快速實(shí)現(xiàn)DOA估計(jì)，提高系統(tǒng)的跟蹤可靠性。

附圖說明

圖1為本搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中天線陣和天線座的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)號為

1、天線陣，2、天線座，3、直流電機(jī)。

具體實(shí)施方式

本搜索跟蹤空中目標(biāo)的動中通地面系統(tǒng)系統(tǒng)實(shí)施例如圖1所示，包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(AD轉(zhuǎn)換模塊)和數(shù)字信號處理器。上位機(jī)與數(shù)字信號處理器連接，操作人員通過上位機(jī)的人機(jī)界面發(fā)送指令至數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)上位機(jī)指令控制整個系統(tǒng)工作。

如圖2所示，天線陣1包括4X2的天線陣列平面，該平面安裝于天線座2上、與水平面成45度角，天線陣列平面上每一排的一對天線單元發(fā)射的波束覆蓋俯仰方向的22.5度，即本天線陣1的4對天線單元從水平面的0°到豎直面的90°共分布4對波束，每個天線單元對應(yīng)一個波束號。

天線座2的轉(zhuǎn)動軸與水平面垂直，直流電機(jī)連接驅(qū)動天線座的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，控制天線陣水平方向的方位角。

射頻處理模塊的8個微波開關(guān)分別與天線陣的8個天線單元連接。

射頻處理模塊接收當(dāng)前導(dǎo)通的天線陣中某對天線單元的射頻信號，對兩路信號進(jìn)行下變頻處理，然后進(jìn)行相減與相加，得到的差路及和路信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸入數(shù)字信號處理器。

本例數(shù)字信號處理器采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，如圖3所示包括中心控制處理模塊；波束切換模塊、直流電機(jī)模塊和DDC模塊。中心控制處理模塊包括總控子模塊、發(fā)射子模塊、搜索子模塊、跟蹤子模塊。

總控子模塊配有RS232串行接口，通過該串行接口與上位機(jī)連接，接收上位機(jī)指令，根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯并發(fā)送給相關(guān)子模塊?？偪刈幽K連接發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊，根據(jù)上位機(jī)指令向相關(guān)子模塊發(fā)送控制命令，并保存上位機(jī)指令。

發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊連接并控制波束切換模塊和直流電機(jī)模塊。

直流電機(jī)模塊的輸出端連接直流電機(jī)。根據(jù)指令設(shè)置直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度、控制直流電機(jī)的運(yùn)行，或者根據(jù)指令查詢直流電機(jī)當(dāng)前的水平方位角。

波束切換模塊的輸出端連接4對輸入/輸出接口，每次只能打開一對輸入/輸出接口或全部關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對俯仰方向四對天線單元的開關(guān)控制。

DDC模塊的輸入端經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接射頻信號處理模塊，接收差路及和路信號，對其進(jìn)行正交下變頻低通濾波，得到I、Q兩路信號并取模。求得和路信號的模值及兩個天線單元接收信號的相位差，和路信號的模值表示信號強(qiáng)度。DDC模塊將和路信號模值送入搜索子模塊，將和路信號模值和接收信號相位差送入跟蹤子模塊。

上述實(shí)施例，僅為對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個例，本實(shí)用新型并非限定于此。凡在本實(shí)用新型的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。