基于信標(biāo)導(dǎo)引的目標(biāo)方位估計(jì)方法

李欣然，李小民，史 巖，古書銘

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300401；2.珠海科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 珠海 519041)

0 引言

近些年，高齡老人迷路走失、兒童被拐失蹤、突發(fā)災(zāi)害人員失聯(lián)的案例屢見不鮮，發(fā)生這些情況后，如何對(duì)失聯(lián)人員準(zhǔn)確定位進(jìn)而快速實(shí)施救援，避免發(fā)生意外和盡量減小傷害，是亟待解決的問(wèn)題。以往采用發(fā)煙棒或燈光閃爍示警的方式，由于其作用距離近、持續(xù)時(shí)間短和遮擋地域可見性差等原因，戶外救援效果不佳；而采用“衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)+移動(dòng)通信”的救援手段，當(dāng)被救援對(duì)象跌倒或者在狹窄室內(nèi)環(huán)境時(shí)往往會(huì)因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)被遮蔽而不能可靠定位；此外采用配備mini手機(jī)的救援方法也存在諸多使用限制，一是若被救援對(duì)象由于身體狀況限制不能接聽電話，就不能實(shí)現(xiàn)定位。二是被拐兒童若被發(fā)現(xiàn)撥打電話可能會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的身心傷害。因此，以上這些手段都不能很好地適合在保證被救人員自身安全前提下可靠實(shí)施搜索救援的需要。有鑒于此，非常有必要探索適合迷路老人、被拐兒童、戶外探險(xiǎn)驢友等合作目標(biāo)快速救援需要，適應(yīng)多種戶外、室內(nèi)環(huán)境要求，能夠快速、準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)向定位的方法手段，進(jìn)而保障救援工作的快速、準(zhǔn)確實(shí)施。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

論文研究了一種基于探測(cè)合作目標(biāo)發(fā)出的信標(biāo)信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)頻譜分析來(lái)快速估計(jì)目標(biāo)方位和距離的戶外搜救導(dǎo)引系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合采用模塊化、嵌入式和便攜式思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，力求滿足野外環(huán)境下使用簡(jiǎn)便、操作靈活、指示直觀等基本需求。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由無(wú)線電信標(biāo)、信標(biāo)信號(hào)定向接收機(jī)、磁羅盤、北斗導(dǎo)航接收機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等組成。其中無(wú)線電信標(biāo)配屬于遠(yuǎn)端合作目標(biāo)對(duì)象，它可周期性地發(fā)射無(wú)線脈沖信號(hào)。信標(biāo)接收機(jī)利用自身的定向天線接收信標(biāo)信號(hào)，磁羅盤用于測(cè)量方位，北斗接收機(jī)用來(lái)測(cè)量地理位置，監(jiān)控計(jì)算機(jī)用來(lái)協(xié)調(diào)處理全系統(tǒng)的工作。采用圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)以下5項(xiàng)功能。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 信標(biāo)信號(hào)全向發(fā)射

遠(yuǎn)端信標(biāo)配置有全向天線，具有360°全向發(fā)射無(wú)線脈沖信號(hào)的能力。而且信標(biāo)具有微型結(jié)構(gòu)，可很方便地隱蔽安裝在合作對(duì)象上面(如安裝在老人或兒童身上)。

1.2 信標(biāo)信號(hào)定向接收

信標(biāo)接收機(jī)配置有八木天線，具有定向接收能力。而且信標(biāo)接收機(jī)還可將接收到的信標(biāo)信號(hào)下變頻為聲頻脈沖信號(hào)，以方便在戶外環(huán)境通過(guò)聲音的大小來(lái)判斷所接收信號(hào)的強(qiáng)弱。當(dāng)信標(biāo)接收機(jī)定向天線的指向與信標(biāo)信號(hào)的來(lái)向一致時(shí)，接收到的信號(hào)功率最強(qiáng)、聲音最大，反之則弱。

1.3 信標(biāo)信號(hào)數(shù)字化處理

通過(guò)聲音大小來(lái)判斷信標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)弱，進(jìn)而確定信標(biāo)信號(hào)的來(lái)向只能得到粗略、經(jīng)驗(yàn)性的定性結(jié)果。而要得到準(zhǔn)確、定量的方位信息，還需要對(duì)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字化處理。具體方法是將下變頻后的聲頻脈沖信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)聲卡中的A/D模塊進(jìn)行采集并變換為數(shù)字信號(hào)，其后再通過(guò)FFT變換處理成為聲譜信號(hào)，并以此進(jìn)行頻率、幅度等特征分析，進(jìn)而獲得表征信標(biāo)位置的準(zhǔn)確方位信息和概略距離信息。

1.4 信標(biāo)信號(hào)掃描搜尋

無(wú)線電信標(biāo)接收機(jī)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上(在野外也可手持式工作)，在轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)下可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，用來(lái)掃描搜尋信標(biāo)信號(hào)。當(dāng)信標(biāo)接收機(jī)定向接收天線的指向與無(wú)線信標(biāo)的實(shí)際方向接近時(shí)，聲譜幅值逐漸增大。而當(dāng)聲譜幅值超過(guò)預(yù)先設(shè)置的探測(cè)閾值時(shí)，表明定向接收天線的指向與信標(biāo)實(shí)際方向一致，亦即搜尋到了合作目標(biāo)的方位。

1.5 信標(biāo)方位精確測(cè)量和距離概略估計(jì)

在搜尋到合作目標(biāo)方位的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)電子磁羅盤來(lái)定量測(cè)量定向接收天線的指向方位數(shù)據(jù)，該方位即為信標(biāo)接收機(jī)所在點(diǎn)與待搜尋合作目標(biāo)的指向角度；然后通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊測(cè)量無(wú)線電信標(biāo)接收機(jī)所在點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息，再通過(guò)無(wú)線電波的衰減規(guī)律來(lái)概略估計(jì)合作目標(biāo)距離信標(biāo)接收機(jī)的距離。有了距離和方位兩種信息就可給合作目標(biāo)進(jìn)行定位。

1.6 搜救路線實(shí)時(shí)導(dǎo)引

按照掃描搜索得到的合作目標(biāo)方位信息，引導(dǎo)搜救人員進(jìn)行快速搜救，并在電子地圖上監(jiān)測(cè)搜救路線，適時(shí)給予偏航修正引導(dǎo)；此外在搜救目標(biāo)的過(guò)程中，可在不同地點(diǎn)再通過(guò)信標(biāo)接收機(jī)測(cè)量合作目標(biāo)的方位，以確保搜救方向的正確性。

系統(tǒng)工作時(shí)，微型無(wú)線電信標(biāo)安裝在老人或兒童等合作目標(biāo)的身上(如裝在衣服口袋里)。北斗接收機(jī)和磁羅盤與信標(biāo)接收機(jī)固聯(lián)在一起，而信標(biāo)接收機(jī)又固定在云臺(tái)上(應(yīng)急使用時(shí)，信標(biāo)接收機(jī)也可手持工作)。云臺(tái)在監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制下可以在方位和俯仰兩維平面上旋轉(zhuǎn)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以采集信標(biāo)接收機(jī)傳輸來(lái)的聲波脈沖信號(hào)，并通過(guò)聲譜分析來(lái)探測(cè)信標(biāo)信號(hào)幅度最大值點(diǎn)的定向天線方位指向，而該方位的定量數(shù)據(jù)可由磁羅盤測(cè)量得到，進(jìn)而可為搜救失聯(lián)合作目標(biāo)提供定量、準(zhǔn)確的方位信息指引。

2 目標(biāo)位置估計(jì)方法

目標(biāo)位置估計(jì)方法的基本原理是“四結(jié)合”，亦即全向和定向相結(jié)合、定性測(cè)試和定量測(cè)試相結(jié)合、粗測(cè)和精測(cè)相結(jié)合、方位測(cè)量和距離估計(jì)相結(jié)合。其基本含義是無(wú)線信標(biāo)在遠(yuǎn)端全向發(fā)送脈沖信號(hào)，在搜尋端利用信標(biāo)接收機(jī)通過(guò)其定向接收天線來(lái)搜尋信標(biāo)信號(hào)；搜尋過(guò)程中可通過(guò)聲音大小來(lái)定性判別信標(biāo)信號(hào)的方位和距離，又可通過(guò)數(shù)字化后的聲譜幅值來(lái)定量判別信標(biāo)的方位和距離；在定量檢測(cè)信標(biāo)方位過(guò)程中，通過(guò)快速粗掃描來(lái)概略搜尋信標(biāo)信號(hào)的來(lái)向，接著在一定范圍再通過(guò)低速精確掃描來(lái)鎖定信標(biāo)信號(hào)的方位；信標(biāo)的方位可通過(guò)磁羅盤準(zhǔn)確測(cè)量得到，而信標(biāo)的距離可通過(guò)分析無(wú)線電波的衰減規(guī)律粗略估計(jì)得到。

該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可保證變頻器處在最佳的工作狀態(tài)，不僅提高了變頻器和負(fù)載電動(dòng)機(jī)的工作效率，節(jié)省耗電量，而且方便操作人員實(shí)時(shí)查詢變頻器的工作狀態(tài)，避免人工巡檢工作時(shí)效性差的弊端[1-2]。

在本搜救系統(tǒng)中就是利用了這一目標(biāo)方位位置方法來(lái)定量確定合作目標(biāo)的位置，進(jìn)而引導(dǎo)搜救工作的快速、準(zhǔn)確實(shí)施。在搜救系統(tǒng)中，信標(biāo)信號(hào)的傳輸過(guò)程如圖2所示。定向接收天線通過(guò)SMA接口與信標(biāo)接收機(jī)相連，用來(lái)傳輸高頻信號(hào)。而信標(biāo)接收機(jī)輸出的下變頻聲波信號(hào)通過(guò)MIC音頻接口輸入計(jì)算機(jī)，接著再利用計(jì)算機(jī)內(nèi)置的聲卡來(lái)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行A/D采樣處理。

圖2 系統(tǒng)信號(hào)傳輸流程

在搜救系統(tǒng)中，無(wú)線電信標(biāo)選用的是馬歇爾追蹤器信標(biāo)，該信標(biāo)通過(guò)鋰電池供電，體積小巧可隱蔽安裝在老人或兒童等合作目標(biāo)身上。信標(biāo)通過(guò)全向天線發(fā)射信號(hào)，該信號(hào)是頻率為433 MHz、信號(hào)間隔為40 ms、脈寬為40 ppm的連續(xù)脈沖信號(hào)。發(fā)送天線的增益為4 dBd，在無(wú)遮擋地區(qū)的最遠(yuǎn)傳輸距離約為60 km。無(wú)線電信標(biāo)接收機(jī)選用的是馬歇爾的FM100型超外差追蹤接收機(jī)，它具有5個(gè)波段。為了兼顧在城市和郊外環(huán)境都能穩(wěn)定地接收到信標(biāo)信號(hào)，本系統(tǒng)選擇了432.000～435.999 MHz波段。該接收機(jī)的定向接收天線為折疊式八木天線，當(dāng)天線對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)方向時(shí)，接收信號(hào)幅度最強(qiáng)，反之幅度很弱。而在接收到信標(biāo)信號(hào)后，信標(biāo)接收機(jī)還將該信號(hào)下變頻為音頻信號(hào)，以方便用戶在戶外通過(guò)聲音強(qiáng)度來(lái)判斷信號(hào)的有無(wú)和強(qiáng)弱。

在本系統(tǒng)中，磁羅盤選用的是DCM260B型傾角補(bǔ)償式三維電子羅盤，該羅盤采用5 V電壓供電，方位測(cè)量精度為0.8°，采用RS232協(xié)議通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)通信，且其小巧的體積可方便地與信標(biāo)接收機(jī)的八木天線固聯(lián)在一起。在實(shí)際使用時(shí)僅需提取電子羅盤在水平面內(nèi)的方位角航向數(shù)據(jù)，滾轉(zhuǎn)角和傾斜角數(shù)據(jù)可忽略。北斗接收機(jī)選用的是CodingCopper USB型北斗接收機(jī)模塊，它實(shí)際上是支持BDS、GPS、GLONASS三個(gè)系統(tǒng)的組合式衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)模塊，具有搜星快速和定位可靠等典型特點(diǎn)。而且該模塊的定位更新率默認(rèn)為1Hz，定位精度2.5m，采用標(biāo)準(zhǔn)的MEA-0183格式協(xié)議輸出數(shù)據(jù)并通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)通信，滿足本系統(tǒng)應(yīng)用。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)可采用PC104便攜式工控機(jī)、平板電腦或者筆記本電腦。其中PC104便攜式工控機(jī)由于具有豐富的對(duì)外接口，系統(tǒng)性能可通過(guò)板卡升級(jí)而獲得顯著提升，非常適合戶外搜尋領(lǐng)域；筆記本電腦的對(duì)外接口較多，通用性強(qiáng)，市場(chǎng)可選擇余地大，也可應(yīng)用在戶外搜尋領(lǐng)域；但安裝安卓等操作系統(tǒng)的平板電腦，由于對(duì)外接口少，處理器性能較弱，不太適合戶外搜尋。在本搜救系統(tǒng)中，早期采用了筆記本電腦作為監(jiān)控計(jì)算機(jī)，后期擬更換為專業(yè)性更強(qiáng)的PC104便攜式工控機(jī)。

2.1 目標(biāo)方位精確測(cè)量

為了能夠準(zhǔn)確、定量獲得信標(biāo)的方位信息，本系統(tǒng)又對(duì)音頻脈沖信號(hào)進(jìn)行了后處理。具體過(guò)程是計(jì)算機(jī)對(duì)從MIC接口輸入的音頻脈沖信號(hào)通過(guò)內(nèi)置聲卡進(jìn)行采樣(采樣率為44.1 KHZ，采樣位數(shù)為16 bit)，然后再通過(guò)自編軟件做FFT變換，轉(zhuǎn)變成聲譜信號(hào)并通過(guò)幅值-時(shí)間2維坐標(biāo)顯示。圖3即為進(jìn)行了FFT變換后得到的音頻脈沖信號(hào)頻譜圖。

圖3 音頻脈沖信號(hào)頻譜圖

為了精確測(cè)量無(wú)線信標(biāo)的方位數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過(guò)圓周掃描方式來(lái)控制云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)固連在云臺(tái)上的信標(biāo)接收機(jī)對(duì)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行周期性地掃描探測(cè)。當(dāng)實(shí)時(shí)采集的信號(hào)聲譜強(qiáng)度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，就表明信標(biāo)接收機(jī)的定向天線指向了信標(biāo)所在的方位，接著再利用磁羅盤精確測(cè)量并記錄定向天線當(dāng)前的指向數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)即為信標(biāo)的方位數(shù)據(jù)。

為了能夠在環(huán)境噪聲背景下對(duì)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行可靠地檢測(cè)和準(zhǔn)確判別，本系統(tǒng)采用了多組平均聲譜強(qiáng)度值來(lái)和閾值比較的方法，來(lái)消減隨機(jī)環(huán)境噪聲對(duì)正常信標(biāo)信號(hào)的影響。具體做法是在每個(gè)方位點(diǎn)上采集150個(gè)信號(hào)樣本的聲譜值，然后每50個(gè)信號(hào)樣本為一組再做算術(shù)平均，進(jìn)而得到3組平均的聲譜強(qiáng)度值。在一個(gè)方位點(diǎn)上只有當(dāng)3組平均聲譜強(qiáng)度值均超過(guò)了閾值，才表示真正找到了信標(biāo)的方位，搜尋狀態(tài)就由“目標(biāo)搜尋”轉(zhuǎn)為“目標(biāo)鎖定”。 需要說(shuō)明的是，在實(shí)際使用時(shí)不能將閾值設(shè)置的太低，否則可能在多個(gè)方向上都能鎖定目標(biāo)進(jìn)而失去定向的作用。圖4為搜尋信號(hào)的狀態(tài)界面，其中的瞬時(shí)能量為實(shí)時(shí)采集得到的單次信號(hào)聲譜幅值，而累計(jì)能量即為算術(shù)平均后的平均聲譜幅值。

圖4 搜尋信號(hào)狀態(tài)界面

為了提高目標(biāo)搜索的快速性和精確性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種掃描模式：一種是粗略快掃描，即以較大的步長(zhǎng)，如5°/s或10°/s，在 0～360°范圍內(nèi)進(jìn)行快速掃描搜索信標(biāo)信號(hào)。另一種是精確慢掃描，即當(dāng)以快掃描粗略搜索到信標(biāo)信號(hào)時(shí)，再在該信號(hào)指向附近以較小的步長(zhǎng)，如1°/s或2°/s，在±10°范圍內(nèi)精細(xì)的搜索信標(biāo)信號(hào)，以保證對(duì)信標(biāo)方位的精確定向。此外，在戶外搜救時(shí)，也可采用手持信標(biāo)接收機(jī)模式進(jìn)行360°轉(zhuǎn)圈掃描搜索，通過(guò)聽聲音強(qiáng)弱來(lái)概略估計(jì)信標(biāo)的方位。圖5為云臺(tái)掃描控制界面，圖6為信標(biāo)信號(hào)掃描顯示界面，圖7為信標(biāo)方位掃描搜索流程圖。

圖5 云臺(tái)掃描控制界面

圖7 信標(biāo)方位掃描搜索流程圖

在圖5的云臺(tái)掃描控制界面中，當(dāng)云臺(tái)被安放在地面平坦場(chǎng)地時(shí)，一般僅在水平方向旋轉(zhuǎn)掃描；而當(dāng)云臺(tái)被安放在樓頂、山頭等具有一定高度的地點(diǎn)時(shí)，可下俯一定的角度，如0°～ -10°，然后再在水平方向旋轉(zhuǎn)掃描。若長(zhǎng)時(shí)間接收不到信標(biāo)信號(hào)，俯視角度就需進(jìn)行步進(jìn)式調(diào)整。在圖6的信標(biāo)信號(hào)掃描顯示界面中，不同同心圓的半徑是以表征不同距離的閾值來(lái)設(shè)置的，這樣若能探測(cè)到信標(biāo)信號(hào)，就可很直觀的估計(jì)出其概略距離。

2.2 目標(biāo)距離概略估計(jì)

無(wú)線電信號(hào)在空間傳輸時(shí)，信號(hào)功率隨著傳輸距離的增大而逐漸衰減，其衰減規(guī)律如式(1)所示。利用該衰減規(guī)律，在接收端通過(guò)檢測(cè)接收到的信號(hào)功率，就可概略估計(jì)出合作目標(biāo)與信標(biāo)接收機(jī)之間的距離。

(1)

在本搜救系統(tǒng)中，主要通過(guò)設(shè)置接收信號(hào)的閾值來(lái)估計(jì)接收到的信號(hào)功率，進(jìn)而估算合作目標(biāo)與信標(biāo)接收機(jī)之間的距離。

這里閾值表示兩種含義，一是表示在背景噪聲中識(shí)別出信標(biāo)信號(hào)的最小接收信號(hào)幅度，二是表示信標(biāo)與接收機(jī)之間的概略距離。由于信號(hào)傳播衰減、場(chǎng)地環(huán)境遮擋、環(huán)境干擾等的差異性，信標(biāo)在不同距離點(diǎn)處發(fā)射全向脈沖信號(hào)，遠(yuǎn)端信標(biāo)接收機(jī)通過(guò)定性天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度大都不一樣，因此采用固定的探測(cè)閾值顯然不合適。為此，在搜救系統(tǒng)中采用了與距離關(guān)聯(lián)的試探式多閾值設(shè)置方法，并通過(guò)兩個(gè)階段來(lái)確定閾值。一是事前閾值標(biāo)定。事先在不同的場(chǎng)地環(huán)境(如郊區(qū)原野、市內(nèi)、丘陵山地等等)，在距離接收機(jī)不同距離點(diǎn)處放置信標(biāo)(如1 km、2 km、3 km、5 km、8 km、10 km等)，然后記錄接收機(jī)接收到的信號(hào)幅度值數(shù)據(jù)，接收多組數(shù)據(jù)并采用算術(shù)平均法得到不同距離點(diǎn)的平均幅度值，進(jìn)而將該幅度值設(shè)置為探測(cè)閾值，并用來(lái)作為估算信標(biāo)與接收機(jī)之間距離的概略標(biāo)準(zhǔn)；二是試探式閾值切換。系統(tǒng)工作時(shí)，為保證既能探測(cè)鎖定信標(biāo)信號(hào)又能估算出距離，采用步進(jìn)式試探方式來(lái)切換閾值。即先以較小的閾值來(lái)探測(cè)信標(biāo)信號(hào)，若能檢測(cè)出信標(biāo)信號(hào)并可靠鎖定，就再逐次切換為大一些的閾值，直到基于當(dāng)前閾值信標(biāo)信號(hào)不能可靠鎖定為止。亦即先通過(guò)設(shè)置較小的閾值來(lái)探測(cè)信標(biāo)信號(hào)的有無(wú)，然后在能可靠鎖定信號(hào)的基礎(chǔ)上，試探式地再逐步增大閾值，利用能保持鎖定的最大閾值來(lái)估計(jì)信標(biāo)與接收機(jī)之間的距離。需要說(shuō)明的是，實(shí)際使用時(shí)，由于環(huán)境條件可能發(fā)生較大變化，距離估計(jì)誤差可能較大。

2.3 干擾野值剔除

在系統(tǒng)工作過(guò)程中，接收的信標(biāo)脈沖信號(hào)由于偶然因素(如磁暴、非正常天氣等)以及環(huán)境干擾等會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的幅值極大值點(diǎn)，往往會(huì)由于超過(guò)了閾值而被誤判定為搜尋到了目標(biāo)，此即為野值。野值的出現(xiàn)往往會(huì)造成誤判，導(dǎo)致搜尋的可信度下降，因此必須將其剔除。鑒于野值的出現(xiàn)具有突發(fā)隨機(jī)特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了兩種剔除方法。

2.3.1 基于算數(shù)均值的野值剔除

當(dāng)接收信號(hào)的幅值極大值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，云臺(tái)停留在該點(diǎn)方向，接收機(jī)采集3組數(shù)據(jù)(每組50個(gè)采樣值)并計(jì)算其算數(shù)均值，若均值小于閾值，則判定為野值，云臺(tái)再啟動(dòng)掃描旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)搜尋目標(biāo)；若均值大于閾值，則判定為搜尋到了目標(biāo)，可再轉(zhuǎn)為慢掃描狀態(tài)精確搜尋目標(biāo)。實(shí)際工作時(shí)，為判定野值而采集信標(biāo)信號(hào)的樣本數(shù)可適當(dāng)大一些，因?yàn)橛袝r(shí)野值很大，利用較少的樣本計(jì)算出的均值也可能超過(guò)閾值，從而會(huì)造成誤判。具體采集樣本的數(shù)量，可采用事前到不同的場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)測(cè)來(lái)估算得到，一般情況下采集3組信標(biāo)信號(hào)樣本都能較好地剔除野值。

2.3.2 基于信標(biāo)特征的野值剔除

在本系統(tǒng)中，信標(biāo)發(fā)出的脈沖信號(hào)間隔為40 ms，信標(biāo)接收機(jī)接收到該脈沖信號(hào)后，下變頻成間隔為1 s的聲頻脈沖信號(hào)，它是固定周期信號(hào)。而隨機(jī)的干擾信號(hào)不具有這種固定周期特征。因此，當(dāng)?shù)谝淮谓邮招盘?hào)的幅值極大值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，云臺(tái)停留在該點(diǎn)方向，采集10 s內(nèi)幅值極大值點(diǎn)出現(xiàn)的次數(shù)，若次數(shù)少于10次就判定為野值，否則判定為搜尋到了目標(biāo)。

系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，可先采用基于信標(biāo)特征的野值剔除方法來(lái)處理疑似的野值數(shù)據(jù)，然后再采用基于算數(shù)均值的野值剔除方法加以核實(shí)驗(yàn)證。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)將微型無(wú)線信標(biāo)、信標(biāo)接收機(jī)、電子磁羅盤、衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等硬件進(jìn)行綜合集成，并結(jié)合模塊化軟件設(shè)計(jì)手段開發(fā)了集信標(biāo)信號(hào)全向發(fā)射、信標(biāo)信號(hào)定向接收、數(shù)字化采集處理和聲譜分析、信標(biāo)方位精確測(cè)量和距離概略估計(jì)于一體的合作目標(biāo)搜救導(dǎo)引系統(tǒng)，系統(tǒng)樣機(jī)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)樣機(jī)

系統(tǒng)測(cè)試的基本原理是利用系統(tǒng)樣機(jī)，在遠(yuǎn)郊田野和城市街邊兩種環(huán)境，將信標(biāo)接收機(jī)放置于固定點(diǎn)位，而將無(wú)線信標(biāo)放置于不同距離的測(cè)試點(diǎn)位，然后就信標(biāo)接收機(jī)接收信號(hào)后的鎖定情況、方位角定量測(cè)量情況和距離估計(jì)情況分別進(jìn)行測(cè)試，以此來(lái)評(píng)估系統(tǒng)樣機(jī)的可用性和目標(biāo)位置估計(jì)方法的可行性。

具體的測(cè)試步驟規(guī)劃如下：將信標(biāo)接收機(jī)放置于事先選好、周圍遮擋物較少的固定點(diǎn)，必要時(shí)可放置于樓頂。而將無(wú)線信標(biāo)分別放置于15 km范圍內(nèi)、以0.5 km或1 km為徑向間隔、以45°為角度間隔的不同測(cè)試點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)(間隔距離可通過(guò)衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)來(lái)推算，間隔角度可通過(guò)磁羅盤測(cè)量得到)。測(cè)試地點(diǎn)分布示意圖如圖9所示。圖9的中心點(diǎn)放置信標(biāo)接收機(jī)，每個(gè)黑點(diǎn)即為測(cè)試點(diǎn)，用于放置無(wú)線信標(biāo)。而且最內(nèi)測(cè)圓距離中心點(diǎn)的距離為5 km(郊區(qū)環(huán)境)或2 km(城市環(huán)境)，相鄰圓之間的徑向距離為1 km(郊區(qū)環(huán)境)或0.5 km(城市環(huán)境)。不失一般性，為了簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，測(cè)試點(diǎn)主要在水平方向和垂直方向各自選擇了5個(gè)點(diǎn)位，在45°角方向選擇了2個(gè)點(diǎn)位，在135°角方向選擇了1個(gè)點(diǎn)位。而且水平方向和垂直方向也并不是嚴(yán)格的地理0°和90°。實(shí)際測(cè)試時(shí)，在郊區(qū)環(huán)境，通過(guò)電子羅盤測(cè)試選擇了10°航向角作為水平方向，城市環(huán)境選擇了30°航向角作為水平方向。

圖9 測(cè)試點(diǎn)分布示意圖

測(cè)試時(shí)，不同距離的檢測(cè)閾值根據(jù)閾值標(biāo)定階段環(huán)境測(cè)試的結(jié)果來(lái)設(shè)置，設(shè)置的主要依據(jù)是在環(huán)境噪聲背景下保證能夠在合作目標(biāo)方向上檢測(cè)并鎖定信標(biāo)信號(hào)。

兩種環(huán)境中信號(hào)鎖定情況測(cè)試結(jié)果分別如表1和表2所示，方位和距離測(cè)試結(jié)果分別如表3和表4所示。

表1 郊區(qū)環(huán)境信號(hào)鎖定情況測(cè)試結(jié)果

表2 郊區(qū)環(huán)境方位和距離測(cè)試結(jié)果

表3 市區(qū)環(huán)境信號(hào)鎖定情況測(cè)試結(jié)果

表4 市區(qū)環(huán)境方位和距離測(cè)試結(jié)果

由表1和表2可見，在郊區(qū)環(huán)境由于遮擋物較少，地面比較平坦，無(wú)線信號(hào)直線傳輸比較順暢，閾值設(shè)置的較大；而在城市環(huán)境，鱗次櫛比的高大建筑物對(duì)無(wú)線信號(hào)遮擋嚴(yán)重，因此在相同的距離上閾值設(shè)置的小一點(diǎn)。而且測(cè)試結(jié)果表明，在遠(yuǎn)郊平坦的田野環(huán)境下，10 km以內(nèi)都能穩(wěn)定地接收并鎖定信標(biāo)信號(hào)，進(jìn)而可測(cè)量其方位。超過(guò)10 km后接收信號(hào)的穩(wěn)定性變差，有時(shí)由于信號(hào)太微弱而不能鎖定；在城市環(huán)境由于建筑物的遮擋，在地面5 km以內(nèi)能穩(wěn)定接收并鎖定信標(biāo)信號(hào)，進(jìn)而也可測(cè)定其方位。超過(guò)5 km后接收信號(hào)的品質(zhì)逐漸變差，鎖定信標(biāo)信號(hào)的次數(shù)逐漸降低。而若將信標(biāo)接收機(jī)架設(shè)到高樓的樓頂，信號(hào)的接收情況明顯改善，10 km以內(nèi)都能穩(wěn)定地接收并鎖定信標(biāo)信號(hào)。

由表3和表4可見，在對(duì)信標(biāo)信號(hào)保持穩(wěn)定鎖定的情況下，啟動(dòng)電子羅盤即可測(cè)量定向天線的磁航向角，該角度也就是信標(biāo)接收機(jī)與合作目標(biāo)連線的方位角。本文所選電子羅盤的航向角精度為0.8°，角度分辨率為0.1°，其精度指標(biāo)滿足戶外搜尋的需要；距離估計(jì)值，主要是利用信號(hào)鎖定情況下的最大閾值來(lái)概略估計(jì)，由于無(wú)線信號(hào)傳輸環(huán)境的不確定性，測(cè)試中僅僅對(duì)信標(biāo)接收機(jī)與無(wú)線信標(biāo)之間的距離范圍進(jìn)行了估計(jì)，并不是精確的直線距離。測(cè)試結(jié)果表明距離范圍估計(jì)值與實(shí)際的直線距離比較吻合。滿足戶外搜索救援的基本需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行FFT變換處理，進(jìn)而依據(jù)頻譜幅值與閾值的比對(duì)結(jié)果來(lái)搜尋并鎖定信標(biāo)信號(hào)，保證信標(biāo)接收機(jī)的定向天線穩(wěn)定指向合作目標(biāo)所在的方向。在此基礎(chǔ)上再通過(guò)電子羅盤和北斗接收機(jī)來(lái)定量測(cè)量合作目標(biāo)的方位，并概略估計(jì)其距離。這種方法在郊區(qū)環(huán)境和城市環(huán)境都能較好地適應(yīng)對(duì)合作目標(biāo)快速搜救和探測(cè)導(dǎo)引的需要。

但測(cè)試結(jié)果表明，在郊區(qū)遮擋物較少的環(huán)境，可在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)搜救。而在城市環(huán)境，遮擋物多，環(huán)境噪聲復(fù)雜，能實(shí)施可靠探測(cè)搜救的范圍明顯減小。可以預(yù)測(cè)，若將信標(biāo)接收機(jī)放置于無(wú)人機(jī)上，地面遮蔽物的影響會(huì)顯著減小，搜索到地面信標(biāo)信號(hào)的概率會(huì)明顯增大，能更好地滿足大范圍、快速準(zhǔn)確搜救的需要，使用場(chǎng)景也會(huì)更廣闊。