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CN109031280B - 一种基于相控阵天线的时间式信标回收机及回收方法 - Google Patents

一种基于相控阵天线的时间式信标回收机及回收方法 Download PDF

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CN109031280B
CN109031280B CN201810657153.1A CN201810657153A CN109031280B CN 109031280 B CN109031280 B CN 109031280B CN 201810657153 A CN201810657153 A CN 201810657153A CN 109031280 B CN109031280 B CN 109031280B
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antenna
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张海旭
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Ocean University of China
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Ocean University of China
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种基于相控阵天线的时间式信标回收机及回收方法，所述的信标回收机包括主控板，与主控板电连接并在其控制下工作的射频模块、相控阵天线、电子罗盘、全向天线、测时模块、显示屏和电源，其中射频模块和相控阵天线配合以便发射特定频率的电磁波，电子罗盘用于标定正北方向，全向天线用于发射和接收信号，电源为整个信标回收机供电。本发明所公开的信标回收机，不依赖天线阵列，只用两个天线，结构简单，适合在环境多变的甲板使用。本发明所公开的回收方法，采用时间式定位方法，只需测量两个时间值就可以实现定位，只要测时芯片精度高，就能保证定位精度，整体方法简单，适合嵌入式平台使用。

Description

一种基于相控阵天线的时间式信标回收机及回收方法
技术领域
本发明属于海洋探测信标回收领域，特别涉及该领域中的一种基于相控阵天线的时间式信标回收机及回收方法。
背景技术
随着陆地资源日益紧缺，人类再次将目光投向了占地球面积71%的海洋。21世纪，人类进入了大规模开发利用海洋的时期。为了探索海洋，各式各样的探测设备被陆续研制，投诸实践。这些设备或被投放深海进行探测，或漂浮海面搜集数据，在人类探知海洋的过程中，发挥重要作用。
由于深海洋流难测，海面波浪不定，海洋探测设备往往因此发生位置的不定向偏移。深海探测设备完成探测工作后，其浮出水面后所处的位置往往会偏离投放地的位置，这种位置的偏差会因洋流的作用而难以判定，偏差距离高达数公里，偏差方向更是未知。
传统的信标机采用GPS模块采集位置信息后通过电台发送出去，信标接收机接收到该数据后，根据自身的GPS数据进行计算，得出信标机的方位，实现对信标机的定位，其使用的电台模块不仅体积大，而且功耗高，定位方法完全依赖GPS。
时间式定位测角原理需要用到可以发射窄波束的定向天线，并要求该定向天线可以匀速扫描，机械式天线虽然能通过对天线结构的设计形成窄的方向特性，但快速扫描时的机械震动强烈，会引入转速等机械误差，同时主瓣波束往往不够尖锐，还容易受到副瓣干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种不依赖GPS技术的基于相控阵天线的时间式信标回收机及回收方法。
本发明采用如下技术方案：
一种基于相控阵天线的时间式信标回收机，其改进之处在于：所述的信标回收机包括主控板，与主控板电连接并在其控制下工作的射频模块、相控阵天线、电子罗盘、全向天线、测时模块、显示屏和电源，其中射频模块和相控阵天线配合以便发射特定频率的电磁波，电子罗盘用于标定正北方向，全向天线用于发射和接收信号，电源为整个信标回收机供电。
进一步的，所述的主控板是以单片机或微控制器为数据处理中心的控制电路。
进一步的，所述的射频模块可以产生可调信号。
进一步的，所述的相控阵天线为二维相控阵天线，阵元排列成长方形，可在水平方向以扇面快速扫描的形式发射窄波束信号。
进一步的，所述的显示屏是可以进行数据显示和图像绘制的串口屏。
进一步的，所述的电源为线性电源。
进一步的，所述信标回收机的电路部分置于防水防震的防护箱内。
一种基于相控阵天线的时间式信标回收方法，使用上述的信标回收机，其改进之处在于，包括如下步骤：
（1）信标回收机上电后，相控阵天线开始沿着水平方向作顺时针扇面扫描，发射的信号记为信号A，电子罗盘为信标回收机提供正北方向；
（2）当相控阵天线的主瓣指向正北时，测时模块开始计时，同时全向天线向外发射信号B；
（3）信标机接收到相控阵天线或者全向天线发射的信号都会立即转发，当全向天线接收到信标机转发的信号A时，记录时间间隔为t1，当全向天线接收到信标机转发的信号B时，记录时间间隔为t2；如全向天线既接收不到信号B又接收不到信号A，需要返回步骤（1）重做；如全向天线可以接收到信号B却接收不到信号A，需要180度水平旋转相控阵天线后再返回步骤（1）重做；
（4）根据t2以及光速可以计算出信标回收机和信标机之间的距离；根据相控阵天线的扫描角速度以及时间t1和t2，可以计算出当相控阵天线的窄波束信号指向信标机时的角度，结合电子罗盘提供的正北方向，可以得到信标机相对信标回收机以正北为参考的方向；确定距离和方向后即实现了对信标机的定位。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的信标回收机，不依赖天线阵列，只用两个天线，结构简单，适合在环境多变的甲板使用。使用相控阵天线发射窄波束信号，既可实现高速扫描，又能避免机械式天线在高速旋转时发生的惯性问题。此外相控阵天线不同于机械式定向天线，可以提供尖锐的窄方向波束，且可以通过程序设置以降低副瓣干扰，大大提高定位精度。
本发明所公开的回收方法，采用时间式定位方法，只需测量两个时间值就可以实现定位，只要测时芯片精度高，就能保证定位精度，整体方法简单，适合嵌入式平台使用。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开信标回收机的组成示意图；
图2是本发明实施例1所公开回收方法的流程示意图；
图3是本发明实施例1所公开回收方法中相控阵天线的测时原理示意图；
图4是本发明实施例1所公开回收方法中全向天线的测时原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种基于相控阵天线的时间式信标回收机，所述的信标回收机包括主控板，与主控板电连接并在其控制下工作的射频模块、相控阵天线、电子罗盘、全向天线、测时模块、显示屏和电源，其中射频模块和相控阵天线配合以便发射特定频率的电磁波，电子罗盘用于标定正北方向，全向天线用于发射和接收信号，电源为整个信标回收机供电，最终解算的结果通过显示屏直观地显示出来。
在本实施例中，所述的主控板是以单片机或微控制器为数据处理中心的控制电路。所述的射频模块可以产生可调信号。所述的相控阵天线为二维相控阵天线，阵元排列成长方形，可在水平方向以扇面快速扫描的形式发射窄波束信号，其扫描角速度可知，主瓣足够窄，副瓣足够小。所述的测时模块要求具有很高的精度，以便可以高精度的测算时间间隔。所述的显示屏是可以进行数据显示和图像绘制的串口屏。所述的电源为线性电源。所述信标回收机的电路部分置于防水防震的防护箱内。
如图2所示，本实施例还公开了一种基于相控阵天线的时间式信标回收方法，使用上述的信标回收机，包括如下步骤：
（1）信标回收机上电后，相控阵天线开始沿着水平方向作顺时针扇面扫描，发射的信号记为信号A，电子罗盘为信标回收机提供正北方向；
（2）当相控阵天线的主瓣指向正北时，测时模块开始计时，同时全向天线向外发射信号B；
（3）信标机接收到相控阵天线或者全向天线发射的信号都会立即转发，如图3所示，当全向天线接收到信标机转发的信号A时，记录时间间隔为t1，如图4所示，当全向天线接收到信标机转发的信号B时，记录时间间隔为t2；如全向天线既接收不到信号B又接收不到信号A，需要返回步骤（1）重做；由于相控阵天线不能360度扫描，如全向天线可以接收到信号B却接收不到信号A，需要180度水平旋转相控阵天线后再返回步骤（1）重做；
（4）根据t2以及光速可以计算出信标回收机和信标机之间的距离；根据相控阵天线的扫描角速度以及时间t1和t2，可以计算出当相控阵天线的窄波束信号指向信标机时的角度，结合电子罗盘提供的正北方向，可以得到信标机相对信标回收机以正北为参考的方向；确定距离和方向后即实现了对信标机的定位。

Claims (1)

1.一种基于相控阵天线的时间式信标回收方法，使用一种基于相控阵天线的时间式信标回收机，所述的信标回收机包括主控板，与主控板电连接并在其控制下工作的射频模块、相控阵天线、电子罗盘、全向天线、测时模块、显示屏和电源，其中射频模块和相控阵天线配合以便发射特定频率的电磁波，电子罗盘用于标定正北方向，全向天线用于发射和接收信号，电源为整个信标回收机供电，其特征在于，包括如下步骤：
(1)信标回收机上电后，相控阵天线开始沿着水平方向作顺时针扇面扫描，发射的信号记为信号A，电子罗盘为信标回收机提供正北方向；
(2)当相控阵天线的主瓣指向正北时，测时模块开始计时，同时全向天线向外发射信号B；
(3)信标机接收到相控阵天线或者全向天线发射的信号都会立即转发，当全向天线接收到信标机转发的信号A时，记录时间间隔为t1，当全向天线接收到信标机转发的信号B时，记录时间间隔为t2；如全向天线既接收不到信号B又接收不到信号A，需要返回步骤(1)重做；如全向天线能接收到信号B却接收不到信号A，需要180度水平旋转相控阵天线后再返回步骤(1)重做；
(4)根据t2以及光速能计算出信标回收机和信标机之间的距离；根据相控阵天线的扫描角速度以及时间t1和t2，能计算出当相控阵天线的窄波束信号指向信标机时的角度，结合电子罗盘提供的正北方向，能得到信标机相对信标回收机以正北为参考的方向；确定距离和方向后就实现了对信标机的定位。
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