專利名稱：一種無線電通訊、測距及區(qū)域定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線電通信、測距及區(qū)域定位系統(tǒng)，屬無線電通信技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)在所用的無線電通訊設(shè)備，如對講機、手機、車載電話等，都不具備測距或定位功能，目前廣泛使用的定位系統(tǒng)是GPS，它采用若干顆定位衛(wèi)星發(fā)射定位信號，用戶設(shè)備接收衛(wèi)星發(fā)射的無線電波，并根據(jù)傳輸時間確定距離，然后再計算出位置。由于GPS系統(tǒng)必須采用24顆衛(wèi)星和高精度時鐘，研制費用昂貴，只有美國擁有此系統(tǒng)，一般用戶的測量精度為100米左右。
本發(fā)明的目的是提供一種無線電通信、測距及區(qū)域定位系統(tǒng)，它能夠在通話過程中實現(xiàn)測距，在固定基站的配合下，實現(xiàn)區(qū)域定位。通信與定位聯(lián)合系統(tǒng)的含義包括以下三個層面功能擴(kuò)展，既能通信又能定位，滿足多功能用戶的需求；現(xiàn)有頻率資源、現(xiàn)有軟硬件環(huán)境的有效利用。例如，廣播、電視、移動通信的硬件和軟件，經(jīng)過開發(fā)，也可用于定位需要；功能滲透，當(dāng)已知用戶位置時，可以實現(xiàn)功率控制，或利用智能天線提高通信質(zhì)量。
本發(fā)明中，為進(jìn)行測距和定位，設(shè)定一個或少數(shù)幾個低頻正弦信號作為定位信號。定位信號與原有通信信號一起構(gòu)成復(fù)合的基帶信號。該基帶信號對高頻載波進(jìn)行調(diào)制，然后發(fā)射。移動用戶的接收機收到該復(fù)合信號并完成解調(diào)。解調(diào)后定位信號的相位變化與電波傳播的距離成正比，由此可通過定位信號相位變化的測量完成測距和定位。本方法對系統(tǒng)采用的調(diào)制、解調(diào)的方式?jīng)]有限制，可以是調(diào)幅、調(diào)頻或各種編碼體制。本方法對通信類別也無限制，可以是模擬信號通信或數(shù)字信號通信。
通訊和測距系統(tǒng)包括兩個以上用戶機，每個用戶機包括載頻信號發(fā)生器、話音系統(tǒng)、調(diào)制器、環(huán)行器、天線、接收機和連接接收機的受話器，環(huán)行器接收調(diào)制器和天線的信號并分別發(fā)向天線和接收機。接收機和調(diào)制器之間接有一雙擲開關(guān)和與雙擲開關(guān)相接的定位信號發(fā)生器和鑒相器，雙擲開關(guān)的一種狀態(tài)是接收機與調(diào)制器直接相連；另一狀態(tài)是接收機的信號加給鑒相器，此外，定位信號發(fā)生器的信號也加給鑒相器并同時加給調(diào)制器。
為了在擴(kuò)大測量距離的同時使測量精度不受影響，每個用戶機的定位信號由兩個頻率相近的正弦信號組成，調(diào)制器由兩個調(diào)制器和接收這兩個調(diào)制器輸出信號的功率合成電路組成，兩調(diào)制器都接收載頻信號發(fā)生器的信號，其中一個還接收話音信號。載頻信號和定位信號均由一頻率合成器產(chǎn)生。
對于兩用戶間通訊，用戶機的接收機部分可包括一個高頻放大器，它接收從天線經(jīng)環(huán)行器的信號，高頻放大器的輸出信號和本機振蕩器的信號一起加給混頻器，其輸出的信號為載頻信號和本振信號的差頻分量，并經(jīng)一中頻放大器放大后加到一個解調(diào)器。解調(diào)器將調(diào)制前的基帶信號還原出來，并分別加到三個帶通濾波器。其中一個濾波器將話音信號濾出，放大后送到揚聲器或耳機。第二個帶通濾波器的低頻輸出信號和另一低頻本機振蕩器加到另外一個下變頻器，該下變頻器的輸出經(jīng)另外兩個帶通濾波器、一個下變頻器和中心頻率為兩正弦定位信號頻率之差的帶通濾波器后，輸出一個頻率和兩正弦定位信號頻率之差相等的信號，用于距離粗測。第三個濾波器濾出兩頻率相近的正弦定位信號中的一個，用于距離精測。
對于多用戶的同時通信和定位，用戶機的接收機可包括一個寬帶低噪聲高頻放大器，它接收從天線經(jīng)環(huán)行器的信號，高頻放大器的輸出信號和一由數(shù)字處理機控制的線性掃頻發(fā)生器的信號進(jìn)入下變頻器，其輸出經(jīng)中頻放大和解調(diào)后，與兩個頻率相近的正弦定位信號一起進(jìn)入A/D變換器，變成數(shù)字信號后進(jìn)入數(shù)字處理機進(jìn)行處理。
本發(fā)明的無線電區(qū)域定位系統(tǒng)，它包括四個以上固定位置的無線電臺站和用戶機。區(qū)域定位系統(tǒng)有兩種不同的組成方法用戶自己定位系統(tǒng)的四個固定臺站中有一個為主臺站，其它為附臺站。主臺站有一個定位信號發(fā)生器，其輸出信號隨主臺站的載頻信號一起發(fā)射給個附臺站和用戶。各附臺站都有一可解算出主站定位信號頻率的接收機，接收機解算出定位信號頻率并消除因主站和本附臺站之間固定距離造成的恒定相位差后，隨各附臺站的載頻發(fā)射出去，從而用戶機可收到各臺站的定位信號，測出用戶到各臺站的距離差，并進(jìn)一步解算出自己的位置。
由至少四個固定臺站或基站確定用戶的位置采用“雙用戶測距”原理，測出各基站到用戶的距離，不過只要各基站測出它們到用戶的距離就行，因此可去掉用戶機測量相位的相應(yīng)部分。
本發(fā)明具有適應(yīng)范圍廣、精度高、成本低、容易實現(xiàn)的優(yōu)點，可用于軍用和民用通信、測距和定位中。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
本發(fā)明分為基本系統(tǒng)和區(qū)域定位系統(tǒng)(Area Position System，簡稱APS)，基本系統(tǒng)可實現(xiàn)任意兩用戶間或多用戶間的通信和距離的測定；區(qū)域定位系統(tǒng)利用四個(或更多)地面上已知地理坐標(biāo)的固定無線電臺站，由此確定用戶的位置。
當(dāng)本發(fā)明中的通信為語音通信時，通信、定位系統(tǒng)使用的基帶信號頻譜結(jié)構(gòu)如

圖1所示。其中，20Hz～20KHz為語音通信所需頻譜，定位所需頻譜為一條或兩條低頻譜線。定位譜線的位置安排在20KHz～200KHz之間。
實現(xiàn)任意兩用戶間雙向通信和兩用戶間距離測定的基本系統(tǒng)框圖見圖2。圖中02為用戶A，01為用戶B。01和02的組成相同。
205為頻率等于ω01的載頻信號發(fā)生器。210為頻率等于Ω(Ω＝2πFΩ)的定位信號發(fā)生器，其產(chǎn)生的信號為cosΩt。FΩ是一個低頻信號，如FΩ＝150KHz。204為調(diào)制器(對于調(diào)幅體制，調(diào)制器為乘法器；對于調(diào)頻體制，調(diào)制器為頻率調(diào)制器；對于編碼體制，這里的調(diào)制器為編碼器等)，在采用調(diào)幅體制時，調(diào)制器204輸出的有效定位信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為cos(ω01±Ω)t。203為環(huán)行器，204的信號經(jīng)環(huán)行器后，送至天線202發(fā)射出去。
設(shè)兩用戶的距離為D。用戶B的天線102收到的有效定位信號為，cos(ω01±Ω)(t＋Δt)，Δt＝D/c式中c光速。該信號經(jīng)過環(huán)行器103進(jìn)入接收機模塊106。接收機解算出cos(Ωt＋ΩΔt)。105為用戶B的載頻信號發(fā)生器，工作頻率為ω02。104為調(diào)制器。將接收機輸出的信號cos(Ωt＋ΩΔt)加到104調(diào)制器，104的輸出為cos(ω02±Ω)(t＋Δt)。該信號經(jīng)環(huán)行器103、天線102，發(fā)送給用戶A。
用戶A的天線202收到的信號為cos(ω02±Ω)(t＋2Δt)。該信號經(jīng)環(huán)行器203送到接收機模塊206，206解算出信號cos(Ωt＋2ΩΔt)。上述信號與210的信號cosΩt比較，并由鑒相器209(或109)測出相位差Δφ＝2ΩΔt。于是，用戶A、B間的距離等于D=λ2πΔφ]]>λ=c2FΩ]]>當(dāng)Δφ從0～2π時，D從0～λ。例如FΩ＝150KHz，λ＝1KM；如FΩ＝1KHz，λ＝150KM。
用戶A進(jìn)行測距時，02單元的雙擲開關(guān)KA與2-2點連接，01單元的雙擲開關(guān)KB與1-1點連接。用戶B進(jìn)行測距時，02單元的雙擲開關(guān)KA與1-1點連接，01單元的雙擲開關(guān)KB與2-2點連接。實際上，兩個雙擲開關(guān)可以是電子開關(guān)，并按照一定的頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，按分時法使兩用戶同時進(jìn)完成測距。
為不影響通信，希望FΩ＞20KHz。例如取FΩ＝150KHz，最大量程D0＝1KM。如果測量相位的精度為0.5度，相對測量精度為1/720＝1.4×10-3。對1KM來說，精度為1.4米。
對大的通信距離，可采用如下措施令發(fā)射信號中的定位頻譜為兩條cosω11t(1)cosω12t(2)見圖1。頻譜ω11和頻譜ω12混頻，取差頻得cos(ω12－ω11)t。顯然，如果F11＝150KHz，F(xiàn)12＝151KHz，經(jīng)過處理后，可以使FΩ有兩個等效的數(shù)值一個是150KHz另一個是1KHz。于是，可用FΩ＝1KHz在150公里范圍內(nèi)進(jìn)行距離粗測，用FΩ＝150KHz，在1公里內(nèi)進(jìn)行精測，使整個150公里范圍內(nèi)的絕對測量精度達(dá)到1.4米，相對測量精度達(dá)到1×10-5。
為了實現(xiàn)上述要求，發(fā)射機模塊組成見圖3。301為頻率合成器，它產(chǎn)生四個頻率信號發(fā)射機載頻頻率ω0；定位信號ω11、ω12和ω12－ω11。 305為音頻放大器，對語音通信的信號放大。302為調(diào)制器M2，303為調(diào)制器M1，它們可以是振幅調(diào)制器，也可是頻率調(diào)制器或編碼器等。頻率合成器產(chǎn)生的載頻信號ω0同時加到調(diào)制器M1和M2。定位信號ω11加到調(diào)制器M1，對載波信號進(jìn)行調(diào)制。定位信號ω12和語音信號加到調(diào)制器M2，對載波信號進(jìn)行調(diào)制。304為功率合成器，將調(diào)制器M1和M2輸出的已調(diào)制信號進(jìn)行合成，形成圖1所要求的頻譜結(jié)構(gòu)。
對于兩用戶間的通信和測距，接收機模塊采用點頻系統(tǒng)。點頻系統(tǒng)中，接收機模塊組成見圖4。401為低噪聲高頻放大器，對接收的信號進(jìn)行預(yù)放。404為第一本機振蕩器，產(chǎn)生頻率為FL1，F(xiàn)L1＝F0＋F1F。F0為載頻頻率，F(xiàn)1F為中頻頻率，如465KHz。
402為混頻器，其輸出為信號與本振的差頻分量。403為中頻放大器。405為解調(diào)器，依賴于通信體制不同，可以是調(diào)幅信號的檢波器、FM信號的鑒頻器或解碼器。405輸出的頻譜就是圖1的譜。帶通濾波器(簡稱B.P.F.)406濾出語音信號，經(jīng)409放大后與耳機相連接，完成語音通信任務(wù)。
帶通濾波器407濾出ω11。 408濾出兩條定位頻譜ω12和ω11。 411為第二本機振蕩器，輸出頻率為FL2，F(xiàn)L2＝F11+5(單位為KHz)。410為下變頻器。帶通濾波器412的中心頻率為5KHz。濾波器413的中心頻率為5-|F12-F11|(單位為KHz)。414為下變頻器。帶通濾波器415的中心頻率為(|F12-F11|)。ω11和ω12－ω11進(jìn)入相位測量電路，并經(jīng)過相位測量完成測距任務(wù)。
測量兩個固定臺站的距離差是區(qū)域定位系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。對這種應(yīng)用所需的點頻接收機模塊見圖5。503為頻率合成器。根據(jù)事先確定的兩個固定臺站的載頻頻率F01和F02，頻率合成器產(chǎn)生本機振蕩頻率FL1＝F01＋F1F，F(xiàn)L2＝F02＋F1F，F(xiàn)L3＝F11＋5KHz。
501，506和512為一路接收機。513，517和523為另一路接收機。這兩路接收機的構(gòu)成與圖4接收機的構(gòu)成沒有不同。
524為數(shù)字處理機，它的主要功能是通過對512和523輸出的信號進(jìn)行相位測量(粗測)以及對506和517輸出的信號之間的相位測量(精測)，由此測出接收機到兩個固定臺站的距離差；對接收機進(jìn)行管理，如預(yù)定FOi和調(diào)整FLi等。
掃頻接收機系統(tǒng)用于N個用戶間的通信和定位(N＞2)。用戶可同時與多個目標(biāo)進(jìn)行通信，并測量出與各目標(biāo)間的距離、距離差等等。掃頻系統(tǒng)中，接收機模塊組成見圖6。
604為線性掃頻發(fā)生器，其輸出頻率隨時間線性增長。601為寬帶低噪聲高頻放大器。602為下變頻器，603為中頻放大器。605為解調(diào)器。608為模擬/數(shù)字變換器(A/D變換器)，609為數(shù)字信號處理機。為實現(xiàn)相位測量，將ω11和ω12同時接到A/D變換器。
區(qū)域定位系統(tǒng)(APS)組成用戶接收四個地面固定無線電臺站(它們的地理坐標(biāo)已知)發(fā)射的定位信號，進(jìn)行相位測量，就可確定自己的地理坐標(biāo)(包括位置和高度)。根據(jù)這個原理構(gòu)成的區(qū)域定位系統(tǒng)(APS)的框圖見圖7。
圖7中，A、B、C、D為四個已知地理坐標(biāo)的固定臺站，主站為A。705和706為載頻為ωA的發(fā)射機。703為定位信號發(fā)生器，其頻率為Ω(包括ω11和ω12)。A站發(fā)射的信號同時傳送給附臺站B、C、D…和用戶。B、C、D…收到A站的信號后，解算出Ω(包括ω11和ω12)，并修正因固定臺站之間傳輸距離引起的恒定相位移，然后用各自不同的載頻ωB、ωC、ωD…發(fā)射出去。
發(fā)射臺站的地理坐標(biāo)分別為天線701、707、711和715的相位中心。
719為接收機P1，它至少可同時(或順序)接收四個臺站中兩個臺站(如A和B)的信號，并解算出這兩個臺站(A和B)的相位差(距離差Da-Db)。然后測出AC，CD間的距離差。由此算出接收機P1的位置和高度。720為接收機P2，722為接收機PN，它們都可用同樣方法確定自己的地理坐標(biāo)。如果P1、P2…PN等用戶在確定各自坐標(biāo)后，定時發(fā)送給主站A，主站A再轉(zhuǎn)發(fā)到所有用戶，于是任何一個用戶不但能知道自己的位置，還可以知道該區(qū)域內(nèi)其它目標(biāo)的位置信息。在上面敘述的APS中，用戶自己完成測距，也可以將測距結(jié)果傳給基站。這種工作方式中，用戶完全不需要發(fā)射信號，只是被動的接收基站的定位信號。
另一種區(qū)域定位系統(tǒng)(APS)是由基站測量用戶的位置，也可以將測量結(jié)果告訴用戶，但用戶必須接收基站的信號并發(fā)射一個返回信號。由基站確定用戶位置的原理基本上與圖2所示“雙用戶測距”的原理相同，不過只要完成各基站對用戶的測距就行了。因此，可以去掉用戶機中測量相位的相應(yīng)電路部分。由基站確定用戶位置系統(tǒng)的框圖見圖8。其中A站產(chǎn)生一個定位譜線Ω(為解決量程和精度的矛盾，也可以采用兩條定位譜線)，經(jīng)過調(diào)制器MA發(fā)射給用戶。用戶經(jīng)過解調(diào)器解算出Ω，然后經(jīng)接收機的調(diào)制器調(diào)制后返回基站A?；窘邮諜C將用戶的信號解調(diào)后，得到頻率為Ω的信號。通過鑒相器測出ΔφA，即可測出基站A到用戶的距離。圖8中的B站、C站和D站用同樣的方法測出ΔφB、ΔφC和ΔφD，即測出各基站至用戶的距離，并進(jìn)一步確定用戶的位置和高度。這種方法無需利用GPS，測量精度可以在幾米以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種無線電通信、測距系統(tǒng)，它包括兩個以上用戶機，每個用戶機包括載頻信號發(fā)生器、發(fā)話器、定位信號發(fā)生器、調(diào)制器、環(huán)行器、天線、接收機和連接接收機的受話器，環(huán)行器接收調(diào)制器和天線的信號并分別發(fā)向天線和接收機，其特征在于接收機和調(diào)制器之間接有一雙擲開關(guān)和與雙擲開關(guān)相接的定位信號發(fā)生器和鑒相器，雙擲開關(guān)的一種狀態(tài)是接收機與調(diào)制器直接相接；另一狀態(tài)是接收機輸出的定位信號加給鑒相器，此外定位發(fā)生器的信號也加給鑒相器并同時加給調(diào)制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線電通信、測距系統(tǒng)，其特征是用戶機的定位信號由兩個頻率相近的正弦信號構(gòu)成，調(diào)制器由兩個調(diào)制器和接收這兩個調(diào)制器輸出信號的功率合成電路組成，兩個調(diào)制器都接收載頻信號發(fā)生器的信號和分別接收定位信號發(fā)生器的信號，其中一個還接收話音信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的無線電通信、測距系統(tǒng)，其特征是用戶機對于兩用戶間通訊，用戶機的接收機可包括一個高頻放大器，它接收從天線經(jīng)環(huán)行器的信號，高頻放大器的輸出信號和本機振蕩器的信號一起加給混頻器，其輸出的信號為載頻信號和本振信號的差頻分量并經(jīng)一個中頻放大器放大后加到一個解調(diào)器，解調(diào)器將調(diào)制前的基帶信號還原出來，并分別加到三個帶通濾波器，其中一個濾波器將話音信號濾出，放大后送到揚聲器或耳機。第二個帶通濾波器的低頻輸出信號和另一低頻本機振蕩器加到另外一個下變頻器，該下變頻器的輸出經(jīng)另外兩個帶通濾波器、一個下變頻器和中心頻率為兩正弦定位信號頻率之差的帶通濾波器后，輸出一個頻率和兩正弦定位信號頻率之差相等的信號，用于距離粗測，第三個濾波器濾出兩頻率相近的正弦定位信號中的一個，用于距離精測。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的無線電通信、測距系統(tǒng)，其特征是用戶機的接收機包括一個寬帶低噪聲高頻放大器，它接收從天線經(jīng)環(huán)行器的信號，高頻放大器的輸出信號和一由數(shù)字處理機控制的線性掃頻發(fā)生器的信號進(jìn)入下變頻器，其輸出經(jīng)中頻放大和解調(diào)后，與兩個頻率相近的定位信號一起進(jìn)入A/D變換器，變成數(shù)字信號后進(jìn)入數(shù)字處理機進(jìn)行處理。
5.一種無線電區(qū)域定位系統(tǒng)，其特征是包括四個以上固定位置的無線電臺站和用戶機。四個固定臺站中有一個為主臺站，其它為附臺站，主臺站有一個定位信號發(fā)生器，其輸出信號隨主臺站的載頻信號一起發(fā)射出去，各附臺站都有一可解算出主站定位信號頻率的接收機，接收機解算出定位信號并消除因主站和本附臺站之間固定距離造成的恒定相位差后，隨各附臺站的載頻發(fā)射出去，從而用戶機可收到各臺站的定位信號，測出用戶到各臺站的距離差，并進(jìn)一步解算出自己的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的無線電區(qū)域定位系統(tǒng)，其特征是由固定臺站或基站確定用戶的位置，其方法的實質(zhì)是采用“雙用戶測距”原理，只需各基站測出它們到用戶的距離即可。
全文摘要
一種無線電通信、測距及區(qū)域定位系統(tǒng),屬無線電通信技術(shù)領(lǐng)域。它是在原有通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,增設(shè)一個或少數(shù)幾個低頻的正弦信號作為定位信號。定位信號與原通信信號一起對高頻載波進(jìn)行調(diào)制、發(fā)射,接收機對該復(fù)合信號解調(diào)。定位信號的相位變化與電波傳播的距離成正比,由此可進(jìn)行測距和定位。它能夠在通話過程中實現(xiàn)測距,在固定基站配合下,實現(xiàn)區(qū)域定位。具有適應(yīng)范圍寬、精度高、成本低、容易實現(xiàn)的優(yōu)點,可廣泛用于軍用和民用通信、測距和定位中。
文檔編號H04B7/00GK1339879SQ0012280
公開日2002年3月13日 申請日期2000年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月25日
發(fā)明者何國瑜 申請人:何國瑜