基于無線電測向的目標搜尋系統設計

王彥坤，張愛軍，張 健

（1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；2.江蘇省電力公司電力科學研究院 江蘇 南京 210008）

針對炮彈研制的試驗條件不斷完善，各種測試炮彈性能的手段基本具備。而炮彈的回收效率低下，人工尋找彈頭又要花費大量的時間與精力[1]，使用雷達追蹤或GPS定位則方法復雜、耗資巨大，因此迫切需要設計簡單廉價的彈落點定位系統。本文以彈落點定位系統為應用背景，設計了一個基于無線電通信技術的目標搜尋系統。系統采用433 MHz載波頻率進行通信并找尋1 km以內的信號源目標，簡單且成本較低，可靠性高。

系統還可以應用在找尋失事飛機、國防、野生動物保護等方面。目前在國內，無線電測向系統較為成熟，但應用于特殊工況下的測向系統還不十分完善，因此設計高精度的無線電測向接收機很有必要。系統集成了高精度電子羅盤、高靈敏度無線收發模塊和高增益八木天線，總體設計注重實用性、可操作性和擴展性，能對目標進行快速準確定位。

1 測向原理

無線電測向有幅度比較式測向、沃特森-瓦特測向、干涉儀測向等幾種方式。幅度比較式測向原理簡單，體積小，成品易攜帶，故本文選用幅度比較式進行測向[2]。電磁波傳播的時間越長，波前離發射源越遠，波的能量衰減的就越多。利用波的這個特性，通過場強檢測電路來測得場強的強弱[3]。

YAGI天線方向性好，增益高，適用于測向、搜尋等系統。由于受到接收機尺寸的限制，故而采用三單元YAGI天線。YAGI天線由引向器、主振子和反射器組成，主振子長度為1/2波長，引向器略短于主振子，故呈“容性”，電流超前電壓90°。相反，反射器略長于主振子，故呈“感性”，電流滯后電壓90°。引向器和反射器均離主振子1/4波長，因此從引向器輻射到主振子的電磁波要滯后直接被主振子接收的信號90°，與超前的90°相抵消，此時信號最強。同理，從反射器輻射到主振子的電磁波滯后直接被主振子接收的信號90°，與原來滯后的90°疊加后，信號滯后180°，此時信號最弱。因此 YAGI天線能夠根據接收不同方向來波幅度的不同判定來波方向。當YAGI天線的引向器正對波源時，接收波的幅度最大，相應的場強值也最高；相反，當天線的引向器背對波源時，即反射器正對波源時，場強值最低。

搜尋者手持接收機，原地旋轉一周，沿著引向器指示的場強最大方向尋找，當接收機離目標源約100 m時，場強值達到飽和，此時，打開蜂鳴器開關，沿著蜂鳴器提示的聲音方向就可以找到目標源。

2 系統設計

無線電測向系統由發送機和接收機組成。目標點系統工作后，通過主控芯片控制無線收發模塊間斷發射無線點信號，并利用查詢方式接收用戶指令，當接收到指令后，啟動蜂鳴器，進行聲音提示，工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統工作流程圖Fig.1 Working flowchart of the system

接收機包括主控模塊、無線收發模塊KYL1020L、電子羅盤XW-EC1720、電源模塊、天線模塊、顯示模塊六部分。無線電收發模塊用于接收和發射無線電信號；主控模塊對信號有無及強弱進行分析處理，控制顯示；電源模塊為接收機系統供電。接收機系統工作后，搜尋目標點系統發射的無線電信號，當搜尋到信號后，通過突出顯示，并將信號進行處理，得到目標方向角并在顯示屏上顯示出來，當信號強度到達某一限值，接收機系統發射啟動蜂鳴器指令，系統組成如圖2所示。

圖2 無線電測向系統組成Fig.2 Wireless direction-finding system composition

主控模塊基于單片機Atmega128，Atmega128是Atmel公司生產的高性能低功耗的8位AVR高檔微處理器，采用先進的RISC結構，且大多數指令執行時間為單個時鐘周期。1 MIPS/MHz的高速處理能力大大減緩了功耗與處理速度之間的矛盾。

2.1 XW-EC1720特性

系統選用XW-EC1720平面電子羅盤，體積很小，內置雙軸磁阻傳感器和雙軸傾角補償測量載體的航向角以及場強強度。電子羅盤將測得的目標點系統的方位信息通過RS232和單片機進行高效通信[4]，格式為“9 600，n，8，1”，每幀輸出20字節16進制數，協議如表1所示。

表1 羅盤數據格式Tab.1 The compass data format

主機可通過發送16進制數據的命令字來配置查詢羅盤的輸出參數和狀態，在對羅盤進行標定時，發送命令字0xd0，在俯仰改變很小的情況下緩慢轉動羅盤，轉動一周后發送命令字0xd1保存校準記錄。從圖3可以看出，標定前羅盤的靜態誤差為0.5°，標定后羅盤的靜態誤差減少到0.25°，小于羅盤的允許誤差0.5°。

圖3 標定前后羅盤靜態誤差Fig.3 Compass static error before and after calibration

2.2 KYL-1020L模塊無線通信

無線收發模塊型號選用KYL-1020L，體積小、功耗低、穩定性強，傳輸距離可達到2～3 km。載波頻率433MHz，發射功率小于500mW，接收靈敏度可達到-123 dBm（1 200 bps）。

將兩塊KYL-1020L分別與兩臺電腦通過RS232進行通信測試，分別設置兩塊KYL-1020L的信道號、串口速率、校驗使之一致，一個通過KYL-1020L發送數據，另一個接收數據，若能夠接收到發送的數據，則說明通信良好。圖4為KYL-1020L與電腦接口的連接圖。KYL-1020L的3和4引腳與6和7引腳都可以進行數據收發，兩者是有區別的。3和4引腳是TTL電平，可以與單片機本身的串口通信引腳相連。6和7引腳是RS232串行通信接口，單片機通過MAX232芯片轉換后可以與其通信。

圖4 KYL-1020L連接示意圖Fig.4 The KYL-1020L interface diagram

當接收機工作時，KYL-1020L與單片機進行數據傳遞，然后通過天線發送出來。通信的數據格式如下。數據的發送是先從起始位開始，停止位在后。

表2 一個字節數據格式Tab.2 A byte data format

無線信號在傳播過程中會出現損耗，分為自由空間傳輸損耗和反射損耗兩種。“陰影效應”使波的能量隨著距離的增加逐漸減少[5]。若以地波傳播為主，則反射比較強烈，此時傳導性越好，場強就會越小。實驗場地幾乎無遮擋，存在視距路徑，因此無線信號波的傳播方式為LOS傳播。發送機和接收機天線均保持不變，以直射波為主，因此大地反射比較弱，用Egli模型能夠判斷場強強度。經驗公式[6]如（1）所示。

又 1mil=1 609m，得到公式（2）：Lm（dBm）為波傳播損耗，f為信號頻率。

hr、hs分別為接收機和發送機的有效高度，hmin為天線的最低有效高度，一般為20 ft，1 ft=30.48 cm，d為傳播距離。

以上公式是在無遮擋的理想條件下場強和傳播距離的關系，實際搜尋時會有一些誤差。

3 實驗與數據分析

為了驗證接收機搜尋信號方位的準確性，實驗場地選擇在重點實驗室外面空曠的大路，接收機離地約1.5m，天線與地面保持水平。每隔一段測一組數據，以羅盤為基準，每隔30°讀取一次場強值。實驗時波特率為9 600 bps，在每一個測試點將天線原地旋轉一周，為了更好的了解每次測量時場強的最大值，用Matlab處理后得出每個測試點不同方位的場強值，如圖5所示，波形的起伏能明顯觀察出場強的變化情況。

圖5 各個角度的信號強度關系圖Fig.5 Every angle of signal strength diagram

從圖5可以清楚的看出0-360°方位場強值分布的整體趨勢，除了第4、9組的場強最大值出現在其他方位外，場強最大值所在的方位角均在30°至60°之間。場強最小值也基本分布在與最大值相反的180°方向左右。因為選擇的試驗場地是徑直的，所以場強最大的方位角在某個范圍之內是非常合理的。而且當接收機的距離比較近且大于失效距離時，接收機天線正對發送機的方向場強值最大，隨著天線的轉動場強值逐漸減小，天線背對發送機時場強值最小。因此在接收機的距離比較近且大于失效距離時，接收機對各個方位的場強分辨率最大，定位效果最好。

個別場強值存在跳變以及影響場強大小的原因有以下幾點：

1）實驗場地雖然沒有樹木的遮擋，但是周圍存在很多鐵柱，會對磁場產生很大的干擾。實際應用時場地無此類干擾。

2）測向時操作人員的人為誤差，天線不能保持水平、不能離地面足夠的高度等。為了方便搜尋人員勻速轉動天線，可以采用電機來控制天線的轉速，這樣工作人員只需水平拿著天線，讓電機帶動天線的勻速轉動。這樣對減少人為誤差大大有利。

3）八木天線本身的設計存在誤差，接收不同方向的非正常極化波會有很大誤差。多次測量取平均值可有效減小極化誤差，還有選擇抗極化誤差的無線電測向體制也能較好的減少極化誤差[7]。

4 結 論

設計的無線電測向系統能夠很好的對目標進行定位，接收機可以精確的顯示各個方向的場強值和方位角。對無線收發模塊可以再進一步挖掘潛力，有效提高定位距離和降低功耗。天線進一步優化后，會大大提高發送和接收增益。改變這些性能后，會使接收機適用于環境更加惡劣的場地。

[1]李麗.靶場彈落點無線定位系統的研究[D].太原：中北大學，2009.

[2]盧佳林.無線電測向技術及應用[J].濰坊學院學報，2005（4）:65-67.LU Jia-lin.Wireless direction-finding technology and application[J].Journal ofWeifang University，2005（4）:65-67.

[3]徐子久，韓俊英.無線電測向體制概述[J].中國無線電管理，2002（3）:29-35.XU Zi-jiu，HAN Jun-ying.Overview of wireless directionfinding[J].China Radio Management，2002（3）:29-35.

[4]陳文斌，楊林才，閆耀耀.基于電子羅盤的便攜式定位裝置[J].電子設計工程， 2011（1）:99-101，108.CHEN Wen-bin，YANG Lin-cai，RAN Yao-yao.Portable positioning device based on electronic compass[J].Electronic Design Engineering， 2011（1）:99-101，108.

[5]張建偉，盧泳兵.無線接入信道損耗特性分析[J].信號與信息處理，2010（2）:22-24.ZHANG Jian-wei，LU Yong-bing.Research on characteristics of wireless access channels[J].Signal and Information Management，2010（2）:22-24.

[6]楊國榮，史富強.微波通信天線選擇與優化方法研究[J].電子設計工程，2009（10）:15-17.YANG Guo-rong，SHI Fu-qiang.Research of microwave communication antenna selection and optimizationmethod[J].Electronic Design Engineering，2009（10）:15-17.

[7]劉萬洪，宋正來，侯小江，等.無線電通信測向中的極化誤差分析[J].現代電子技術，2007（13）:43-45.LIUWan-hong，SONG Zheng-lai，HOUXiao-jiang，etal.Analysis on polarization error in radio-communication direcitonfinding[J].Modern Electronics Technique，2007（13）:43-45.