一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)及其運行方法
【專利摘要】本發(fā)明一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)及其運行方法，本系統(tǒng)與上位機連接的數(shù)字信號處理器控制整個系統(tǒng)。4X2的天線陣安裝于直流電機驅(qū)動的天線座，不同波束的切換和天線座的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)俯仰方向和水平方向的覆蓋。數(shù)字信號處理器經(jīng)8路I/O接口與射頻處理模塊連接，控制8路天線微波開關(guān)，天線單元接收的信號經(jīng)射頻處理后輸入數(shù)字信號處理器，得到信號的能量和相位差，以判斷目標方位。其運行方法為開機后處于待機狀態(tài)，據(jù)上位機指令進入發(fā)射狀態(tài)、搜索狀態(tài)或跟蹤狀態(tài)，按指令的波束號和水平方位等進行發(fā)射、搜索或跟蹤工作，本發(fā)明上位機對系統(tǒng)控制，各狀態(tài)可快速切換，實現(xiàn)360°方位掃描和不同高度的波束切換，搜索快速，跟蹤可靠。
【專利說明】
一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明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的動中通地面系統(tǒng)及其運行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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動當(dāng)中仍能與目標保持通信鏈路暢通、高質(zhì)量地進行通信。因此動中通在各種移動載體(如汽車、火車、飛機、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。
[0003]在通信過程中，空中目標持續(xù)發(fā)射信號，動中通地面系統(tǒng)確定信號傳播的準確的方向是保證高速率、暢通無阻地與空中目標通信的前提。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的方位，將使其與空中設(shè)備的通信效率大大提高。
[0004]為此，地面設(shè)備啟動后首先要確定空中目標的位置，即搜索空中設(shè)備?？罩心繕嗽诓煌５匾苿?，完成搜索后，地面設(shè)備還要通過不斷調(diào)整天線的方向、使之始終對準空中目標，以保持最佳通信狀態(tài)，即跟蹤空中設(shè)備。
[0005]但由于動中通系統(tǒng)的地面載體處于不斷運動過程中，空中的目標也不斷運動，二者的運動使地面設(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。這是動中通系統(tǒng)當(dāng)前要解決的主要問題。
[0006]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、目標丟失等因素都需要重新進行搜索、重新獲取目標，以精確對其進行跟蹤。
[0007]為此需要設(shè)計一套地面設(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)、開機但未跟蹤的待機狀態(tài)及其信號發(fā)射狀態(tài)之間切換。
[0008]為了能夠滿足地面設(shè)備在運動狀態(tài)下快速實現(xiàn)D0A(Direct1n of Arrival,信號波達方向)估計。使系統(tǒng)具有高實時性，需要實現(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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)，其包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機和數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器與上位機連接。上位機發(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，直流電機驅(qū)動天線座轉(zhuǎn)動，使天線陣覆蓋水平方向上360°方位角。
[0010]本發(fā)明的另一目的是設(shè)計一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，上位機的指令使系統(tǒng)處于待機、發(fā)射、搜索或跟蹤狀態(tài)，根據(jù)上位機指令，數(shù)字信號處理器控制直流電機和微波開關(guān)，對經(jīng)射頻處理后的天線接收信號的分析，得到信號強度和信號相位差，作為跟蹤空中目標時方位角修正的依據(jù)，控制直流電機的轉(zhuǎn)速和方位角，完成搜索或跟蹤。
[0011]本發(fā)明設(shè)計的一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字信號處理器，上位機與數(shù)字信號處理器連接，操作人員通過上位機的人機界面發(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，實現(xiàn)俯仰90°內(nèi)的全覆蓋。
[0012]天線座的轉(zhuǎn)動軸與水平面垂直，直流電機連接驅(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。直流電機控制天線陣轉(zhuǎn)動一周即實現(xiàn)天線單元波束水平方向360度方位角全覆蓋。
[0013]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串口與直流電機連接，控制其轉(zhuǎn)動，從而控制天線陣的水平方位角。
[0014]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。
[0015]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，對兩路信號進行下變頻處理，然后進行相減與相加，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。
[0016]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)。
[0017]數(shù)字信號處理器包括中心控制處理模塊；波束切換模塊、直流電機模塊和DDC(Direct Digital Control的縮寫，即直接數(shù)字控制)模塊。
[0018]數(shù)字信號處理器一般米用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field ProgrammableGateArray)。
[0019]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。
[0020]總控子模塊配有RS232串行接口，通過該串行接口與上位機連接，接收上位機指令，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)上位機指令向相關(guān)子模塊發(fā)送控制命令，并保存上位機指令。
[0021]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模塊。
[0022]發(fā)射子模塊連接波束切換模塊和直流電機模塊，根據(jù)總控子模塊傳送的上位機發(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)，控制直流電機模塊向電機依次發(fā)送速度設(shè)置、角度設(shè)置指令，直流電機驅(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。
[0023]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。
[0024]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)此確定目標在水平方向的偏移量，發(fā)送指令給直流電機模塊，控制其水平方位角，修正天線陣水平方向上的角度。
[0025]直流電機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，直流電機模塊的輸出端連接直流電機。根據(jù)指令設(shè)置直流電機的轉(zhuǎn)速和角度、控制直流電機的運行，或者根據(jù)指令查詢直流電機當(dāng)前的水平方位角。
[0026]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，實現(xiàn)對俯仰方向四對天線單元的開關(guān)控制。
[0027]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，對其進行正交下變頻低通濾波，得到1、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。
[0028]本發(fā)明設(shè)計的一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，系統(tǒng)開機后處于待機狀態(tài)，等待上位機的指令，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)，由上位機控制。
[0029]1、發(fā)射狀態(tài)
[0030]總控子模塊接收到發(fā)射指令，判斷系統(tǒng)當(dāng)前是否處于發(fā)射狀態(tài)，如果系統(tǒng)正在發(fā)射狀態(tài)，放棄當(dāng)前的發(fā)射，重新按照當(dāng)前接收的發(fā)射指令進行發(fā)射。
[0031]當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、或搜索指令、或待機指令，則系統(tǒng)立即進入到對應(yīng)狀態(tài)。
[0032]所述發(fā)射指令包括發(fā)射時的波束號和水平方位角。
[0033]總控子模塊根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯發(fā)射指令并發(fā)送給發(fā)射子模塊，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，計算得到直流電機的轉(zhuǎn)速和角度，并將角度、轉(zhuǎn)速控制指令發(fā)送到直流電機模塊，后者控制直流電機驅(qū)動天線陣轉(zhuǎn)動達到所需水平方位角，按上位機指定的波束號向指定的水平方位發(fā)射信號。
[0034]系統(tǒng)持續(xù)處于發(fā)射狀態(tài)，直至收到總控子模塊的其它指令。
[0035]Π、搜索狀態(tài)
[0036]當(dāng)系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、或發(fā)射指令、或新的搜索指令、或待機指令，則暫存上位機的指令，待當(dāng)前搜索完成，立即執(zhí)行所保存的指令。當(dāng)前搜索完成后，如果沒有保存的指令，系統(tǒng)自動進入待機狀態(tài)。
[0037]所述搜索指令包括搜索初始位置和搜索終點位置的水平方位角，電機轉(zhuǎn)速和俯仰方向上完成一次4對波束號切換的時間。
[0038]總控子模塊接收到搜索指令即啟動搜索子模塊，搜索子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(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;直流電機每轉(zhuǎn)動10度，俯仰方向上完成一次4對輸入/輸出接口的切換。
[0039]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定出現(xiàn)目標(在噪聲附近信號強度波動較大，如果信號一過門限就認定出現(xiàn)目標，易出現(xiàn)噪聲誤判為目標的情況)，立即查詢當(dāng)前直流電機方位角度并保存，同時保存此時俯仰方向上天線單元的波束號。
[0040]所述周期是本系統(tǒng)工作時鐘的周期，即本系統(tǒng)中心控制處理模塊數(shù)據(jù)處理的頻率對應(yīng)的周期，是1MHz。
[0041]本動中通地面系統(tǒng)使用前，先進行模值實測設(shè)定所述模值門限值。系統(tǒng)啟動后，固定的空中目標持續(xù)發(fā)射信號，系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，控制直流電機轉(zhuǎn)動，并快速切換俯仰波束號，實時采集信號模值，當(dāng)空中目標正對本系統(tǒng)天線陣時信號強度最大，即模值最大為Mmax，模值門限值Mo略小于Mmax，設(shè)置Mo = (0.7?0.85 )Mmax。
[0042]當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)動到搜索終點時，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所在位置，并將所得空中目標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。
[0043]如果總控子模塊接收的上位機搜索指令中包含搜索完成后轉(zhuǎn)為自動跟蹤，當(dāng)搜索完成后總控子模塊啟動跟蹤子模塊，并將搜索所得空中目標位置傳送給跟蹤子模塊使其進入跟蹤狀態(tài);否則系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。
[0044]m、跟蹤狀態(tài)
[0045]總控子模塊接收到跟蹤指令，判斷系統(tǒng)當(dāng)前是否處于跟蹤狀態(tài)，如果系統(tǒng)正在跟蹤狀態(tài)，放棄當(dāng)前的跟蹤，重新按照當(dāng)前接收的跟蹤指令中的水平方位角和波束號進行跟足示O
[0046]當(dāng)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)，總控子模塊接收到是發(fā)射指令、或搜索指令、或待機指令，則系統(tǒng)立即進入到對應(yīng)狀態(tài)。
[0047]所述跟蹤指令包括上次搜索所得空中目標位置信息，即空中目標的水平方位角和波束號，電機轉(zhuǎn)速，和俯仰方向上完成一次4對波束號切換的時間。
[0048]總控子模塊接收到跟蹤指令即啟動跟蹤子模塊，跟蹤子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(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度，比較四對天線單元的數(shù)據(jù)，并打開信號強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，說明目標已偏離當(dāng)前的水平方位角，根據(jù)相位差的正負確定轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)相位差的值控制直流電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以跟蹤目標。
[0049]所述相位差閾值的設(shè)置是在系統(tǒng)實測設(shè)定所述模值門限值之后，總控子模塊控制電機轉(zhuǎn)動，使天線面的水平方位角偏離固定的空中目標I度，實測相同高度的一對天線單元接收信號的相位差變化值A(chǔ)，相位差閾值δ略小于Δ，δ = (0.90?0.99) Δ。
[0050]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。
[0051]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)及其方法的優(yōu)點為:1、本系統(tǒng)上位機對數(shù)字信號處理器進行控制，有良好的人機交互，實現(xiàn)了在發(fā)射、搜索、跟蹤及待機狀態(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，實現(xiàn)快速搜索，在短時間內(nèi)準確確定空中目標方位，節(jié)省捕獲目標的時間，提高系統(tǒng)的運行效率;3、采用相位和差解決方位角的跟蹤，采用能量準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，本發(fā)明能夠滿足地面設(shè)備在運動狀態(tài)下快速實現(xiàn)DOA估計，提高系統(tǒng)的跟蹤可靠性。
【附圖說明】
[0052]圖1為本搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0053]圖2為圖1中天線陣和天線座的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖中標號為
[0055]1、天線陣，2、天線座，3、直流電機；
[0056]圖3為圖1中數(shù)字信號處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖4為本種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法流程圖。
【具體實施方式】
[0058]搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)實施例
[0059]本搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)系統(tǒng)實施例如圖1所示，包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(AD轉(zhuǎn)換模塊)和數(shù)字信號處理器。上位機與數(shù)字信號處理器連接，操作人員通過上位機的人機界面發(fā)送指令至數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)上位機指令控制整個系統(tǒng)工作。
[0060]如圖2所示，天線陣I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，SP本天線陣I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。
[0061 ]天線座2的轉(zhuǎn)動軸與水平面垂直，直流電機連接驅(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。
[0062]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。
[0063]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，對兩路信號進行下變頻處理，然后進行相減與相加，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。
[0064]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。
[0065]總控子模塊配有RS232串行接口，通過該串行接口與上位機連接，接收上位機指令，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)上位機指令向相關(guān)子模塊發(fā)送控制命令，并保存上位機指令。
[0066]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模塊。
[0067]直流電機模塊的輸出端連接直流電機。根據(jù)指令設(shè)置直流電機的轉(zhuǎn)速和角度、控制直流電機的運行，或者根據(jù)指令查詢直流電機當(dāng)前的水平方位角。
[0068]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，實現(xiàn)對俯仰方向四對天線單元的開關(guān)控制。
[0069]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，對其進行正交下變頻低通濾波，得到1、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。
[0070]搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法實施例
[0071]本搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法實施例是在上述搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)實施例上實施。其流程如圖4所示，系統(tǒng)開機后處于待機狀態(tài)，等待上位機的指令，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)，由上位機控制。
[0072]1、發(fā)射狀態(tài)
[0073]總控子模塊接收到發(fā)射指令，判斷系統(tǒng)當(dāng)前是否處于發(fā)射狀態(tài)，如果系統(tǒng)正在發(fā)射狀態(tài)，放棄當(dāng)前的發(fā)射，重新按照當(dāng)前接收的發(fā)射指令進行發(fā)射。
[0074]當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、或搜索指令、或待機指令，則系統(tǒng)立即進入到對應(yīng)狀態(tài)。
[0075]所述發(fā)射指令包括發(fā)射時的波束號和水平方位角。
[0076]總控子模塊根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯發(fā)射指令并發(fā)送給發(fā)射子模塊，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，計算得到直流電機的轉(zhuǎn)速和角度，并將角度、轉(zhuǎn)速控制指令發(fā)送到直流電機模塊，后者控制直流電機驅(qū)動天線陣轉(zhuǎn)動達到所需水平方位角，按上位機指定的波束號向指定的水平方位發(fā)射信號。
[0077]系統(tǒng)持續(xù)處于發(fā)射狀態(tài)，直至收到總控子模塊的其它指令。
[0078]Π、搜索狀態(tài)
[0079]當(dāng)系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、或發(fā)射指令、或新的搜索指令、或待機指令，則暫存上位機的指令，待當(dāng)前搜索完成，立即執(zhí)行所保存的指令。當(dāng)前搜索完成后，如果沒有保存的指令，系統(tǒng)自動進入待機狀態(tài)。
[0080]所述搜索指令包括搜索初始位置和搜索終點位置的水平方位角，電機轉(zhuǎn)速和俯仰方向上完成一次4對波束號切換的時間。
[0081]總控子模塊接收到搜索指令即啟動搜索子模塊，搜索子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(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;直流電機每轉(zhuǎn)動10度，俯仰方向上完成一次4對輸入/輸出接口的切換。
[0082]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)信號強度連續(xù)100個周期超過模值門限值認定出現(xiàn)目標(在噪聲附近信號強度波動較大，如果信號一過門限就認定出現(xiàn)目標，易出現(xiàn)噪聲誤判為目標的情況)，立即查詢當(dāng)前直流電機方位角度并保存，同時保存此時俯仰方向上天線單元的波束號。
[0083]所述周期是本系統(tǒng)工作時鐘的周期，即本系統(tǒng)中心控制處理模塊數(shù)據(jù)處理的頻率對應(yīng)的周期，本例為I OMHz。
[0084]本動中通地面系統(tǒng)使用前，先進行模值實測設(shè)定所述模值門限值。系統(tǒng)啟動后，固定的空中目標持續(xù)發(fā)射信號，系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，控制直流電機轉(zhuǎn)動，并快速切換俯仰波束號，實時采集信號模值，當(dāng)空中目標正對本系統(tǒng)天線陣時信號強度最大，即模值最大為Mmax，模值門限值Mo略小于Mmax，本例設(shè)置Mo = 0.75Mmax。
[0085]當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)動到搜索終點時，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所在位置，并將所得空中目標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。
[0086]如果總控子模塊接收的上位機搜索指令中包含搜索完成后轉(zhuǎn)為自動跟蹤，當(dāng)搜索完成后總控子模塊啟動跟蹤子模塊，并將搜索所得空中目標位置傳送給跟蹤子模塊使其進入跟蹤狀態(tài);否則系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。
[0087]m、跟蹤狀態(tài)
[0088]總控子模塊接收到跟蹤指令，判斷系統(tǒng)當(dāng)前是否處于跟蹤狀態(tài)，如果系統(tǒng)正在跟蹤狀態(tài)，放棄當(dāng)前的跟蹤，重新按照當(dāng)前接收的跟蹤指令中的水平方位角和波束號進行跟足示O
[0089]當(dāng)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)，總控子模塊接收到是發(fā)射指令、或搜索指令、或待機指令，則系統(tǒng)立即進入到對應(yīng)狀態(tài)。
[0090]所述跟蹤指令包括上次搜索所得空中目標位置信息，即空中目標的水平方位角和波束號，電機轉(zhuǎn)速，和俯仰方向上完成一次4對波束號切換的時間。
[0091 ]總控子模塊接收到跟蹤指令即啟動跟蹤子模塊，跟蹤子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(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度，比較四對天線單元的數(shù)據(jù)，并打開信號強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，說明目標已偏離當(dāng)前的水平方位角，根據(jù)相位差的正負確定轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)相位差的值控制直流電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以跟蹤目標。
[0092]所述相位差閾值的設(shè)置是在系統(tǒng)實測設(shè)定所述模值門限值之后，總控子模塊控制電機轉(zhuǎn)動，使天線面的水平方位角偏離固定的空中目標I度，實測相同高度的一對天線單元接收信號的相位差變化值△，相位差閾值δ略小于△，本例δ = 0.98Δ。
[0093]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。
[0094]上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)，包括天線陣、射頻處理模塊、直流電機、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字信號處理器;上位機與數(shù)字信號處理器連接，操作人員通過上位機的人機界面發(fā)送指令至數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器根據(jù)上位機指令控制整個系統(tǒng)工作;其特征在于: 所述天線陣包括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；天線座的轉(zhuǎn)動軸與水平面垂直，直流電機連接驅(qū)動天線座的轉(zhuǎn)動軸； 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)字信號處理器與直流電機連接，控制其轉(zhuǎn)動； 數(shù)字信號處理器通過8路輸入/輸出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，對兩路信號進行下變頻處理，然后進行相減與相加，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接收信號的能量和相位差。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)，其特征在于: 所述數(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； 總控子模塊與上位機連接，接收上位機指令，根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯并發(fā)送給相關(guān)子模塊;總控子模塊連接發(fā)射子模塊、搜索子模塊和跟蹤子模塊，根據(jù)上位機指令向相關(guān)子模塊發(fā)送控制命令，并保存上位機指令； 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模塊； 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； 直流電機模塊的輸出端連接直流電機。根據(jù)指令設(shè)置直流電機的轉(zhuǎn)速和角度、控制直流電機的運行，或者根據(jù)指令查詢直流電機當(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； 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，對其進行正交下變頻低通濾波，得到1、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，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。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)，其特征在于: 所述數(shù)字信號處理器為現(xiàn)場可編程門陣列。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 系統(tǒng)開機后處于待機狀態(tài)，等待上位機的指令，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)，由上位機控制； 1、發(fā)射狀態(tài) 總控子模塊接收到發(fā)射指令，判斷系統(tǒng)當(dāng)前是否處于發(fā)射狀態(tài)，如果系統(tǒng)正在發(fā)射狀態(tài)，放棄當(dāng)前的發(fā)射，重新按照當(dāng)前接收的發(fā)射指令進行發(fā)射； 當(dāng)系統(tǒng)處于發(fā)射狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、或搜索指令、或待機指令，則系統(tǒng)立即進入到對應(yīng)狀態(tài)； 所述發(fā)射指令包括發(fā)射時的波束號和水平方位角； 根據(jù)已設(shè)定的格式轉(zhuǎn)譯發(fā)射指令并發(fā)送給發(fā)射子模塊，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，計算得到直流電機的轉(zhuǎn)速和角度，并將角度、轉(zhuǎn)速控制指令發(fā)送到直流電機模塊，后者控制直流電機驅(qū)動天線陣轉(zhuǎn)動達到所需水平方位角，按上位機指定的波束號向指定的水平方位發(fā)射信號； 系統(tǒng)持續(xù)處于發(fā)射狀態(tài)，直至收到總控子模塊的其它指令； Π、搜索狀態(tài) 當(dāng)系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，總控子模塊接收到跟蹤指令、或發(fā)射指令、或新的搜索指令、或待機指令，則暫存上位機的指令，待當(dāng)前搜索完成，立即執(zhí)行所保存的指令；當(dāng)前搜索完成后，如果沒有保存的指令，系統(tǒng)自動進入待機狀態(tài)； 所述搜索指令包括搜索初始位置和搜索終點位置的水平方位角，電機轉(zhuǎn)速和俯仰方向上完成一次4對波束號切換的時間； 總控子模塊接收到搜索指令即啟動搜索子模塊，搜索子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(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均經(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)信號強度連續(xù)100個周期超過模值門限值認定出現(xiàn)目標，立即查詢當(dāng)前直流電機方位角度并保存，同時保存此時俯仰方向上天線單元的波束號； 當(dāng)直流電機轉(zhuǎn)動到搜索終點時，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所在位置，并將所得空中目標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；m、跟蹤狀態(tài) 總控子模塊接收到跟蹤指令，判斷系統(tǒng)當(dāng)前是否處于跟蹤狀態(tài)，如果系統(tǒng)正在跟蹤狀態(tài)，放棄當(dāng)前的跟蹤，重新按照當(dāng)前接收的跟蹤指令中的水平方位角和波束號進行跟蹤；當(dāng)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)，總控子模塊接收到是發(fā)射指令、或搜索指令、或待機指令，則系統(tǒng)立即進入到對應(yīng)狀態(tài)； 所述跟蹤指令包括上次搜索所得空中目標位置信息，即空中目標的水平方位角和波束號，電機轉(zhuǎn)速，和俯仰方向上完成一次4對波束號切換的時間； 總控子模塊接收到跟蹤指令即啟動跟蹤子模塊，跟蹤子模塊根據(jù)上位機指令通過直流電機模塊設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，再控制直流電機轉(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度，比較四對天線單元的數(shù)據(jù)，并打開信號強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，說明目標已偏離當(dāng)前的水平方位角，根據(jù)相位差的正負確定轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)相位差的值控制直流電機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，以跟蹤目標； 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。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 所述搜索狀態(tài)下，直流電機每轉(zhuǎn)動1度，俯仰方向上完成一次4對輸入/輸出接口的切換。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 所述搜索狀態(tài)中所述周期是本系統(tǒng)工作時鐘的周期，即本系統(tǒng)中心控制處理模塊數(shù)據(jù)處理的頻率對應(yīng)的周期。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 所述周期是1MHz。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 本動中通地面系統(tǒng)使用前，先進行模值實測設(shè)定所述模值門限值;系統(tǒng)啟動后，固定的空中目標持續(xù)發(fā)射信號，系統(tǒng)處于搜索狀態(tài)，控制直流電機轉(zhuǎn)動，并快速切換俯仰波束號，實時采集信號模值，當(dāng)空中目標正對本系統(tǒng)天線陣時信號強度最大，即模值最大為Mmax，模值門限值Mo略小于Mmax，設(shè)置Mo = (0.70?0.85 )Mmax。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 所述相位差閾值的設(shè)置是在系統(tǒng)實測設(shè)定所述模值門限值之后，總控子模塊控制電機轉(zhuǎn)動，使天線面的水平方位角偏離固定的空中目標I度，實測相同高度的一對天線單元接收信號的相位差變化值Δ，相位差閾值δ略小于Δ，δ = (0.90?0.99) Δ。10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的搜索跟蹤空中目標的動中通地面系統(tǒng)的運行方法，其特征在于: 如果總控子模塊接收的上位機搜索指令中包含搜索完成后轉(zhuǎn)為自動跟蹤，當(dāng)搜索完成后總控子模塊啟動跟蹤子模塊，并將搜索所得空中目標位置傳送給跟蹤子模塊使其進入跟蹤狀態(tài);否則系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。
【文檔編號】H01Q3/24GK106058469SQ201610564327
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】蔣留兵, 趙紀奎, 車俐, 肖志濤, 宋永坤
【申請人】桂林電子科技大學(xué)