本實(shí)用新型屬于海洋探測(cè)設(shè)備回收領(lǐng)域，特別涉及該領(lǐng)域中的一種相位定位信標(biāo)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)是海洋世紀(jì)，要開發(fā)海洋、保護(hù)海洋，首先要了解海洋。人們探測(cè)海洋從近海逐步走向深遠(yuǎn)海，其中很多海洋探測(cè)設(shè)備需要沉入海底，工作一段時(shí)間后回收研究，在設(shè)備浮出水面的過程中，由于洋流的影響，浮出水面的位置與投放的位置往往有差距，再加之海浪的影響，往往使設(shè)備難以尋找。為了提高海洋設(shè)備的回收率，探測(cè)設(shè)備上往往需要綁定信標(biāo)裝置，信標(biāo)裝置能提供其所處的位置信息（例如GPS信息），根據(jù)該位置信息，搜尋船便能很容易找到目標(biāo)設(shè)備。

現(xiàn)有技術(shù)中有GPS和微波測(cè)距兩種定位信標(biāo)方法。

GPS定位信標(biāo)方法的原理為：信標(biāo)固定在目標(biāo)探測(cè)設(shè)備上，接收器由用戶控制。信標(biāo)和接收器內(nèi)部均配有GPS模塊，均可獲得當(dāng)前位置的GPS坐標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)探測(cè)設(shè)備工作完成，從水底浮上來(lái)時(shí)，它會(huì)釋放信標(biāo)，信標(biāo)開始工作，它會(huì)不斷的搜尋GPS信號(hào)，獲得GPS坐標(biāo)信息，并通過電臺(tái)將信標(biāo)所處地點(diǎn)的GPS坐標(biāo)發(fā)送出去。

接收器的主要任務(wù)是：（1）搜尋GPS并獲得當(dāng)前位置（即接收器所處位置）的GPS坐標(biāo)；（2）通過電臺(tái)接收信標(biāo)傳來(lái)的GPS坐標(biāo)（即信標(biāo)所處位置的坐標(biāo)）。得到這兩個(gè)地方的GPS坐標(biāo)后，接收器會(huì)比對(duì)、解算這兩個(gè)坐標(biāo)，獲得這兩個(gè)點(diǎn)之間的相對(duì)方位以及距離。

該方法要求信標(biāo)既安裝電臺(tái)又安裝GPS模塊，功耗大，待機(jī)時(shí)間短；因?yàn)橥瑫r(shí)需要電臺(tái)和GPS，就要安裝兩根天線（并且天線必須安裝在頂端），采用柱形耐壓艙的密封方式（因工作需要，信標(biāo)需隨探測(cè)設(shè)備一起潛入海底，因此需要抗壓密封），無(wú)疑會(huì)增大密封艙的直徑（艙頂需要并排放置兩個(gè)天線），導(dǎo)致體積大，安裝不方便。

微波測(cè)距定位信標(biāo)方法的原理為：信標(biāo)固定在目標(biāo)探測(cè)設(shè)備上，接收器由用戶控制。接收器有3根（或者更多）天線，這些天線的位置固定，接收器會(huì)通過其中某根天線向信標(biāo)發(fā)送無(wú)線電波，信標(biāo)收到無(wú)線電波后立馬再向接收器發(fā)送一段無(wú)線電波，然后接收器捕捉這段無(wú)線電波，接收器能檢測(cè)出它剛發(fā)出無(wú)線電波和再次接收到無(wú)線電波之間的時(shí)差，這樣就能算出這根天線與信標(biāo)之間的距離。以此類推，可以獲得每根天線和信標(biāo)間的距離，這樣通過數(shù)學(xué)方法就能解算出來(lái)接收器與信標(biāo)間的方位和距離。

該方法要求信標(biāo)一直處于待機(jī)狀態(tài)，等待從接收器發(fā)來(lái)的信號(hào)，功耗大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可能會(huì)有意外故障發(fā)生，穩(wěn)定性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題就是提供一種功耗小，穩(wěn)定性強(qiáng)的相位定位信標(biāo)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種相位定位信標(biāo)系統(tǒng)，其改進(jìn)之處在于：所述的系統(tǒng)包括信標(biāo)和接收器；信標(biāo)包括向外發(fā)送無(wú)線電波信號(hào)的電臺(tái)，控制電臺(tái)工作的控制器，為控制器和電臺(tái)供電的電源管理模塊，此外控制器還可以控制電源管理模塊是否為電臺(tái)上電；接收器包括三根以上的天線，用于發(fā)出定頻信號(hào)S的信號(hào)源，用于對(duì)天線接收到的無(wú)線電波信號(hào)和定頻信號(hào)S進(jìn)行混頻處理的混頻器，用于對(duì)經(jīng)混頻處理后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理的低通濾波器，以及用于測(cè)量時(shí)間差的測(cè)量芯片。

進(jìn)一步的，所述的天線為四根，接收器的左右兩側(cè)各對(duì)稱設(shè)置兩根。

進(jìn)一步的，所述的接收器還包括對(duì)經(jīng)濾波處理后的信號(hào)進(jìn)行放大整形處理的放大整形器。

本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型所公開的相位定位信標(biāo)系統(tǒng)，只需要使用電臺(tái)，不需要GPS模塊，并且電臺(tái)也是僅在使用時(shí)打開一小段時(shí)間（小于0.1S），發(fā)送一小段無(wú)線電波信號(hào)，功耗??；只需要電臺(tái)，不需要GPS模塊，因此僅需要一根天線，可以縮小體積。極大的降低信標(biāo)功耗以及體積，使信標(biāo)簡(jiǎn)化，待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)，工作更穩(wěn)定，因?yàn)樾艠?biāo)需要長(zhǎng)時(shí)間在無(wú)人狀態(tài)下工作，它的功能越簡(jiǎn)單、待機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)越好。

信標(biāo)不需要一直待機(jī)，而是采取用時(shí)上電，不用時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)（所有外設(shè)均斷電，只有核心區(qū)一小部分上電），等待下次工作時(shí)間到時(shí)再打開電源管理模塊給電臺(tái)上電；信標(biāo)僅作為發(fā)送源，不接收外界任何信號(hào)，因此可以保證它的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是測(cè)量各天線接收到無(wú)線電波信號(hào)時(shí)間差的原理示意圖；

圖2(a)是以A,B為焦點(diǎn)的雙曲線；

圖2(b)是由圖2(a)中的雙曲線簡(jiǎn)化而成的兩條漸近線；

圖2(c)是由圖2(b)中的兩條漸近線簡(jiǎn)化成的射向B側(cè)的兩條射線；

圖3是根據(jù)三組天線的時(shí)間差確定的信標(biāo)位置；

圖4是本實(shí)施例所公開的相位定位信標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本實(shí)施例所公開的信標(biāo)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

本實(shí)施例所公開的相位定位信標(biāo)系統(tǒng)，使用以下的相位定位信標(biāo)方法，包括如下步驟：

（1）信標(biāo)定時(shí)向外發(fā)送無(wú)線電波信號(hào)；

（2）在接收器天線接收到來(lái)自信標(biāo)的同一束無(wú)線電波信號(hào)時(shí)，天線A,B,C,D接收到無(wú)線電波信號(hào)的頻率相同但時(shí)間不同，即接收到無(wú)線電波信號(hào)的頻率相同但相位不同；

（3）測(cè)量各天線接收到無(wú)線電波信號(hào)的時(shí)間差：

（31）如圖1所示，將天線A接收到的信號(hào)A1與信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)S相混頻后得到信號(hào)A2,將信號(hào)A2送入低通濾波器進(jìn)行濾波處理后得到信號(hào)A3，由混頻原理可知信號(hào)A3的頻率為信號(hào)A1與S的頻率之差；

（32）如圖1所示，將天線B接收到的信號(hào)B1與信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)S相混頻后得到信號(hào)B2,將信號(hào)B2送入低通濾波器進(jìn)行濾波處理后得到信號(hào)B3，由混頻原理可知信號(hào)B3的頻率為信號(hào)B1與S的頻率之差；

（33）將天線C接收到的信號(hào)C1與信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)S相混頻后得到信號(hào)C2,將信號(hào)C2送入低通濾波器進(jìn)行濾波處理后得到信號(hào)C3，由混頻原理可知信號(hào)C3的頻率為信號(hào)C1與S的頻率之差；

（34）將天線D接收到的信號(hào)D1與信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)S相混頻后得到信號(hào)D2,將信號(hào)D2送入低通濾波器進(jìn)行濾波處理后得到信號(hào)D3，由混頻原理可知信號(hào)D3的頻率為信號(hào)D1與S的頻率之差；

（35）由于信號(hào)A1,B1間的相位差與經(jīng)過處理后的信號(hào)A3,B3間的相位差不變，但頻率降低，相當(dāng)于放大了時(shí)間差，即可通過測(cè)量芯片測(cè)得天線A,B接收到無(wú)線電波信號(hào)的時(shí)間差；

（36）由于信號(hào)A1,C1間的相位差與經(jīng)過處理后的信號(hào)A3,C3間的相位差不變，但頻率降低，相當(dāng)于放大了時(shí)間差，即可通過測(cè)量芯片測(cè)得天線A,C接收到無(wú)線電波信號(hào)的時(shí)間差；

（37）由于信號(hào)C1,D1間的相位差與經(jīng)過處理后的信號(hào)C3,D3間的相位差不變，但頻率降低，相當(dāng)于放大了時(shí)間差，即可通過測(cè)量芯片測(cè)得天線C,D接收到無(wú)線電波信號(hào)的時(shí)間差；

（4）根據(jù)各天線接收到無(wú)線電波信號(hào)的時(shí)間差Δt，通過Δs=v*Δt，解算信標(biāo)到各天線間的距離差Δs，其中v為光速；

（5）定位信標(biāo)位置：

（511）因?yàn)樾艠?biāo)到倆固定點(diǎn)天線A,B的距離差ΔS_ab固定，則信標(biāo)位于一條以A,B為焦點(diǎn)，O1為中心的雙曲線上。

根據(jù)數(shù)學(xué)理論，如圖2(a)所示，一動(dòng)點(diǎn)P（信標(biāo)）到兩固定點(diǎn)AB（天線）的距離之差固定，則P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條雙曲線。

（512）將雙曲線簡(jiǎn)化為兩條交于O1的漸近線，即以O(shè)1為端點(diǎn)射向A側(cè)的兩條射線和射向B側(cè)的兩條射線。

根據(jù)數(shù)學(xué)原理可知，如圖2(b)所示，在遠(yuǎn)處雙曲線可以用它的漸近線來(lái)等效代替。正好本實(shí)施例的實(shí)施環(huán)境滿足此條件（百米之內(nèi)肉眼可見，該定位方法主要用于定位百米之外的設(shè)備），因此可以用漸近線等效替代雙曲線，這樣可以減少運(yùn)算量，并且對(duì)精度影響很小。

（513）根據(jù)距離差ΔS_ab的正負(fù)得出信標(biāo)P距天線A遠(yuǎn)還是距天線B遠(yuǎn)，確定信標(biāo)在以O(shè)1為端點(diǎn)射向A側(cè)的兩條射線上還是在射向B側(cè)的兩條射線上；

假設(shè)距離差ΔS_ab為正，即PA>PB，那么P在右側(cè)，因此兩條漸近線可以簡(jiǎn)化成射向B側(cè)的兩條射線，如圖2(c)所示。

（521）因?yàn)樾艠?biāo)到倆固定點(diǎn)天線A,C的距離差ΔS_ac固定，則信標(biāo)位于一條以A,C為焦點(diǎn)O3為中心的雙曲線上；

（522）將雙曲線簡(jiǎn)化為兩條交于O3的漸近線，即以O(shè)3為端點(diǎn)射向A側(cè)的兩條射線和射向C側(cè)的兩條射線；

（523）根據(jù)距離差ΔS_ac的正負(fù)得出信標(biāo)距天線A遠(yuǎn)還是距天線C遠(yuǎn)，確定信標(biāo)在以O(shè)3為端點(diǎn)射向A側(cè)的兩條射線上還是在射向C側(cè)的兩條射線上；

（531）因?yàn)樾艠?biāo)到倆固定點(diǎn)天線C,D的距離差ΔS_cd固定，則信標(biāo)位于一條以C,D為焦點(diǎn)O2為中心的雙曲線上；

（532）將雙曲線簡(jiǎn)化為兩條交于O2的漸近線，即以O(shè)2為端點(diǎn)射向C側(cè)的兩條射線和射向D側(cè)的兩條射線；

（533）根據(jù)距離差ΔS_cd的正負(fù)得出信標(biāo)距天線C遠(yuǎn)還是距天線D遠(yuǎn)，確定信標(biāo)在以O(shè)2為端點(diǎn)射向C側(cè)的兩條射線上還是在射向D側(cè)的兩條射線上；

（54）如圖3所示，各確定好之射線的交點(diǎn)P即為信標(biāo)所在位置。

進(jìn)一步的，步驟（54）中，在存在誤差的情況下，各確定好之射線無(wú)法交于一點(diǎn)，此時(shí)先找到以O(shè)1,O2,O3中任意兩點(diǎn)，例如O1,O2為端點(diǎn)的射線的兩個(gè)交點(diǎn)，上述兩個(gè)交點(diǎn)中距離O1,O2,O3中以另外一點(diǎn)，例如O3為端點(diǎn)的射線較近的點(diǎn)即為信標(biāo)所在位置。

進(jìn)一步的，步驟（1）中信標(biāo)定時(shí)向外發(fā)送的無(wú)線電波信號(hào)可以是單純的無(wú)線電波信號(hào)，也可以是攜帶數(shù)據(jù)的無(wú)線電波信號(hào)。本實(shí)施例只需要一段無(wú)線電波信號(hào)，不管這段無(wú)線電波信號(hào)上有沒有數(shù)據(jù)均可以。

進(jìn)一步的，在步驟（31）、（32）、（33）和（34）中，經(jīng)濾波處理后得到的信號(hào)A3、B3、C3和D3還需要進(jìn)行放大整形處理。

進(jìn)一步的，在步驟（31）、（32）、（33）和（34）中，通過調(diào)節(jié)信號(hào)S的頻率可以調(diào)節(jié)時(shí)間差的放大倍數(shù)。

把信標(biāo)固定在海洋探測(cè)設(shè)備上，一旦該設(shè)備浮出水面，即可使用本實(shí)施例所公開的相位定位信標(biāo)方法，信標(biāo)不斷向周圍發(fā)射信號(hào)，這時(shí)接收器通過檢查接收到的信號(hào)即可判斷信標(biāo)所處的方位。獲得信標(biāo)方位后，搜尋船便能快速找到信標(biāo)，從而找到目標(biāo)探測(cè)設(shè)備。

如圖4所示，本實(shí)施例公開了一種相位定位信標(biāo)系統(tǒng)，使用上述的相位定位信標(biāo)方法，所述的系統(tǒng)包括信標(biāo)和接收器；如圖5所示，信標(biāo)包括向外發(fā)送無(wú)線電波信號(hào)的電臺(tái)，控制電臺(tái)工作的控制器，為控制器和電臺(tái)供電的電源管理模塊，此外控制器還可以控制電源管理模塊是否為電臺(tái)上電，信標(biāo)定時(shí)向外發(fā)送無(wú)線電波信號(hào)，然后不需要發(fā)送信號(hào)時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，降低功耗。如圖1所示，接收器包括三根以上的天線，用于發(fā)出定頻信號(hào)S的信號(hào)源，用于對(duì)天線接收到的無(wú)線電波信號(hào)和定頻信號(hào)S進(jìn)行混頻處理的混頻器，用于對(duì)經(jīng)混頻處理后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理的低通濾波器，以及用于測(cè)量時(shí)間差的測(cè)量芯片。

進(jìn)一步的，所述的天線為四根，接收器的左右兩側(cè)各對(duì)稱設(shè)置兩根。選用四根天線是為了對(duì)稱和更高的精度。

進(jìn)一步的，所述的接收器還包括對(duì)經(jīng)濾波處理后的信號(hào)進(jìn)行放大整形處理的放大整形器。