专利名称：水上无线通信监测测向系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种水上专用窄带(30MHZ-500MHZ)无线通信监测测向系统，属 于无线电监测技术领域。
背景技术：
随着我国航运事业的发展及水上贸易的快速增长，无线电设备的应用越来越多， 我国江海岸电台使用的合法通信频率被干扰的情况越来越严重。目前国内外无线电监测测 向系统基本上都是基于建立于城市中的陆基平台，对陆地无线通信信号或广播电视信号进 行监测测向，现有的国内外无线电监测测向设备特点是一、频率覆盖范围宽、系统复杂、价 格昂贵；二、基于陆基平台或车载，而船载设备有其特殊的平台，三维运动对监测测向设备 提高了技术要求和难度；三、目前的监测测向设备没有与电子海图紧密结合的综合一体化 水上监测测向系统；四、现有的设备采用有线/无线中的多种手段联网，而水上监测设备在 远陆域只能使用数传电台通信和数据传输，监测设备组网的可靠性、安全性、抗干扰和纠错 能力等要求更高。因此现有的无线电监测测向设备不能全面的满足相关部门水上无线电监 测任务的实际需要。因此需要一个基于船载的水上无线电监测测向系统来实现水上无线通 讯信号的监测测向。

发明内容
本发明提出的是一种专注于水上无线电通信信号监测测向的无线电监测测向系 统。其旨在全面的满足相关部门水上无线电监测任务的实际需要，可用于无线电信号的接 收、测量、分析、识另U、监听、测向定位、数据处理与传输，具体功能包括无线电监测、无线电 测向、监测测向数据的处理和保存、实时信号分析、近陆域指挥控制功能、近陆域移动控制 中心功能。本发明的技术解决方案其特征是垂直极化监测测向天线阵的第一信号输出端、 第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端与五通道信号切换模 块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入 端对应相接；五通道信号切换模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、 第四信号输出端、第五信号输出端与放大器模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三 信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；放大器模块的第一信号输出端、 第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端与五通道接收机的第 一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应 相接；五通道接收机的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出 端、第五信号输出端与DSP处理模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入 端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；监测测向控制器的第一信号输出端与五 通道信号切换模块的控制端相接；监测测向控制器的第二输出端与放大器模块的控制端相 接；五通道接收机的自校信号输出端与五通道信号切换模块的自校信号输入端相接；监测测向控制器的信号输入端与计算机的第一输出端相接；DSP处理模块的信号输出端与计算 机的第一信号输入端相接，计算机的第二信号输出端与交换机的信号输入端相接，GPS天线 的信号输出端与GPS模块的信号输入端相接，GPS模块的信号输出端与计算机的第二信号 输入端相接，电子罗盘的输出端与计算机的第三信号输入端相接，交换机的第一信号输出/ 输入端与3G路由器的信号输入/输出端相接，交换机的第二信号输出/输入端与数传电台 的信号输入/输出端相接，3G路由器的信号输出端与3G天线的信号输入端相接，数传电台 的信号输入端与电台天线的信号输出端相接，GPS天线的信号输出/输入端与计算机的信 号输入/输出端对应相接。本发明的优点本系统的工作频率范围为30MHz-500MHz，可以更好的查处干扰信 号；采用空间谱估计测向体制，该体制可以实现对几个相干波同时测向；可以实现对同一 频率、多个不同方向发射信号的同时测向；实现数字超高分辨测向；对数字跳频、扩频、猝 发信号测向；测量时，五个通道因各有自身本振而可同时测量不同频域、时域和调制域的监 测测量，相当于五部监测接收机，大大增强了频谱管理和监测的能力。另外，本系统采用补 偿算法，很好的解决了船载设备在水上由于多自由度运动条件下的监测测向难题。因此本 系统可以更准确的查找干扰源，为相关的无线电管理部门提供更健全的无线电监测测向系 统设备，排除水上无线电通信频率的干扰，净化电磁环境、维护水上通信导航秩序。该系统 硬件组成部分采用综合一体化设计、中频信号DSP技术和模块化组合，配置简洁实用；内置 嵌入式计算机系统，结构紧凑轻便；采用轻型可搬移式无源相关干涉仪测向天线阵，很好地 解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间耦合和相位模糊；采用了具有放大、直 通、衰减三种功能的放大器，扩大了接收信号的动态应用范围。


附图1是本发明实施例电原理框图。附图2垂直极化监测测向天线示意图。附图3五通道信号切换模块电原理图。附图4放大器电原理框图。附图5监测测向控制器电原理框图。附图6是DSP处理模块电原理框图。图中的1是垂直极化监测测向天线阵、2是五通道信号切换模块、3是放大器模块、 4是五通道接收机、5是DSP处理模块、6是计算机、7是监测测向控制器、8是3G天线、9是 电台天线、10是3G路由器、11是数传电台、12是交换机、13是电源模块、14是电子罗盘、15 是GPS模块、16是GPS天线。
具体实施例方式对照附图1，其结构是垂直极化监测测向天线阵1的第一信号输出端、第二信号输 出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端与五通道信号切换模块2的第一 信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相 接；五通道信号切换模块2的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信 号输出端、第五信号输出端与放大器模块3的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；放大器模块3的第一信号输出端、第 二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端与五通道接收机4的第 一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应 相接；五通道接收机4的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输 出端、第五信号输出端与DSP处理模块5的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输 入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；监测测向控制器7的第一信号输出端与 五通道信号切换模块2的控制端相接；监测测向控制器的第二输出端与放大器模块3的控 制端相接；五通道接收机4的自校信号输出端与五通道信号切换模块2的自校信号输入端 相接；监测测向控制器7的信号输入端与计算机6的第一输出端相接；DSP处理模块5的信 号输出端与计算机6的第一信号输入端相接，计算机6的第二信号输出端与交换机12的信 号输入端相接，GPS天线16的信号输出端与GPS模块15的信号输入端相接，GPS模块15的 信号输出端与计算机6的第二信号输入端相接，电子罗盘14的输出端与计算机6的第三信 号输入端相接，交换机12的第一信号输出/输入端与3G路由器10的信号输入/输出端相 接，交换机12的第二信号输出/输入端与数传电台11的信号输入/输出端相接，3G路由器 10的信号输出端与3G天线8的信号输入端相接，数传电台11的信号输入端与电台天线9 的信号输出端相接，GPS天线16的信号输出/输入端与计算机6的信号输入/输出端对应 相接。对照附图2，其结构是垂直极化监测测向天线阵，由五付可收放的无源垂直极化偶 极子(直径16mm)组成，工作频段为30MHz 500MHz，工作时展开，阵列直径约1500mm，单 元偶极子长度约800mm，上端安装有避雷针，天线阵总高度为1600mm，阻抗为50 Ω，接口为N
型插座。对照附图3，五通道信号切换模块2，工作频率为30MHz 500MHz，有5个输入端、 5个输出端、1个自校信号输入端、1个控制端。其工作原理是当监测测向控制器控制Vl加 +12V电的时候，二极管Dl D3导通，自校信号输入这一路通路，自校信号可以从信号输出 端输出；当监测测向控制器控制V2加+12V电时，二极管D4 D6导通，天线信号输入这一 路通路，天线信号可从信号输出端输出。对照附图4，放大器模块包括五个宽频带低噪声三功能放大器，工作频率为 30MHz 500MHz，具有放大、直通、衰减三种功能，在使用中根据实际需要由软件设定。分别 对来自相位处理器模块5路信号进行处理。它们各有1个控制/供电端、1个输入端、1个 输出端。放大器由A高频继电器、B高频继电器、放大电路、衰减电路和电源组成，高频继电 器(型号RF303-12)、放大器中的放大管(型号ERA-51SM)。+12V电源受软件控制分别加到 A高频继电器和B高频继电器上。当A高频继电器加电，而B高频继电器不加电时，输入信 号经放大电路后得到线性放大，再经B高频继电器的直通部分输出。即为“放大”。当A高 频继电器不加电，而B高频继电器加电时，输入信号经A高频继电器的直通部分后到达B高 频继电器的衰减电路，经衰减后输出。即为“衰减”。当A高频继电器和B高频继电器都不 加电时，输入信号经A高频继电器和B高频继电器的直通部分输出。即为“直通”。故该放 大器具有“直通、放大、衰减”三功能。五通道接收机4，对测向天线阵所接收到的空中无线电信号进行变频输出数字中 频信号，再送到DSP模块5处理。本实施例中选用江西省九江市713厂的J067数字式五信道监测测向接收机，进行五信道的监测和空间谱估计超分辨率测向。其由五个板卡式接 收机组成，采用PCI总线结构和模块化设计，一块板卡就是一个接收信道，板卡插在PCI插 槽的19”标准机箱内，用压条固定。当系统在测向时，五信道接收机同时工作，共用同一本 振源，相位一致性好，保证了空间谱估计超分辨率测向系统的高精度。而当系统不测向时， 又可通过软件自动切换到监测测量，用作对来自监测测向天线阵的信号进行多信道分别处 理，适应不同频域、调制域、时域的监测测量，真正做到一机两用，充分利用资源。对照附图5，监测测向控制器有2个输出端，1个控制端。第一输出端有1个输出 接口，接放大器的控制端；第二输出端有5个输出接口，接相位处理器的控制端。1个控制 端接计算机6，用来接收计算机的控制指令。其工作原理是5个输出端输出-12V、+12V、0V 电压来控制放大器在“衰减、放大、直通”三种状态之间切换；通过控制+12V电源的通断来 控制相位处理器是否进行相位处理。监测测向控制器主要是由单片机、继电器组成，单片机 接收上位机软件的指令后对应的管脚输出高低电平来控制继电器的工作状态，从而实现输 出端-12V、+12V、0V的电压输出。对照附图6，DSP处理模块对来自五通道接收机4的数字中频信号进行处理，包括 采样、解调、解码以及A/D变换等，输出包括信号频率、幅度、频偏、调制度、带宽、电平等信 息至计算机6进行处理。其主要是由通道数字化处理部分、同步采样时钟信号发生单板、背 板组成。其中通道数字化处理部分包括5个通道处理单板及一个同步采样时钟发生板，主 要功能是提供5通道的同步采样时钟、数据预处理及数据的存储发送；背板是通信数字化 处理部分各单板的母板，负责对各个通道数据进行帧处理、与计算机进行数据交换。计算机6，为工业控制计算机(ADVANTECH IPC-610)，它具有运行速度快、容量大、 稳定可靠、可扩展、抗震性能好等特点。其作为应用软件的载体，除了执行程序(包括存储、 打印)外，还对大量的数据、音频、视频等进行处理，它通过对从天线阵元接收到的大量数 据信息进行处理，采用先进的统计算法——多重信号分类(MUSIC)算法，从而得出信号的方 位。在空间谱估计超分辨率测向中，测量所有可能天线阵元接收到的信号电压，生产测量协 方差矩阵R，该矩阵用于分辨接收信号中的同信道分量。MUSIC算法的过程为先计算协方差 矩阵R，对R进行特征分解求出其特征值和特征向量。根据特征值可以确定信号源的数量， 利用由特征向量组成的信号子空间和噪声子空间的正交关系，对两个子空间进行适当的处 理，确定无线电信号的来波方向。超分辨率测向使用内插方位值来计算多个方位角，该值根 据与测量协方差矩阵R生产的信号子空间最匹配的方位校准矢量生成。
权利要求
1.水上无线通信监测测向系统，其特征是垂直极化监测测向天线阵的第一信号输出 端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端与五通道信号切 换模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号 输入端对应相接；五通道信号切换模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出 端、第四信号输出端、第五信号输出端与放大器模块的第一信号输入端、第二信号输入端、 第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；放大器模块的第一信号输出 端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端、第五信号输出端与五通道接收机 的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端、第五信号输入端 对应相接；五通道接收机的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号 输出端、第五信号输出端与DSP处理模块的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输 入端、第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；监测测向控制器的第一信号输出端与五 通道信号切换模块的控制端相接；监测测向控制器的第二输出端与放大器模块的控制端相 接；五通道接收机的自校信号输出端与五通道信号切换模块的自校信号输入端相接；监测 测向控制器的信号输入端与计算机的第一输出端相接；DSP处理模块的信号输出端与计算 机的第一信号输入端相接，计算机的第二信号输出端与交换机的信号输入端相接，GPS天线 的信号输出端与GPS模块的信号输入端相接，GPS模块的信号输出端与计算机的第二信号 输入端相接，电子罗盘的输出端与计算机的第三信号输入端相接，交换机的第一信号输出/ 输入端与3G路由器的信号输入/输出端相接，交换机的第二信号输出/输入端与数传电台 的信号输入/输出端相接，3G路由器的信号输出端与3G天线的信号输入端相接，数传电台 的信号输入端与电台天线的信号输出端相接，GPS天线的信号输出/输入端与计算机的信 号输入/输出端对应相接。
2.根据权利要求1所述的水上无线电监测测向系统，其特征是垂直极化监测测向天线 阵，由五付可收放的无源垂直极化偶极子，直径16mm组成，工作频段为30MHz 500MHz，工 作时展开，阵列直径约1500mm，单元偶极子长度约800mm，上端安装有避雷针，天线阵总高 度为1600mm，阻抗为50 Ω，接口为N型插座。
3.根据权利要求1所述的水上无线电监测测向系统，其特征是五通道信号切换模块2， 工作频率为30MHz 500MHz，内部包括一个SPL-1/5功率分配器、5个合路器组成，有5个 输入端、5个输出端、1个自校信号输入端、1个控制端。
4.根据权利要求1所述的水上无线电监测测向系统，其特征是监测测向控制器有2个 输出端，1个控制端，第一输出端有1个输出接口，接放大器的控制端；第二输出端有5个输 出接口，接相位处理器的控制端，1个控制端接计算机6，用来接收计算机的控制指令。
5.根据权利要求1所述的水上无线电监测测向系统，其特征是DSP处理模块由通道数 字化处理部分、同步采样时钟信号发生单板、背板组成，其中通道数字化处理部分包括5个 通道处理单板及一个同步采样时钟发生板，提供5通道的同步采样时钟、数据预处理及数 据的存储发送；背板是通信数字化处理部分各单板的母板，负责对各个通道数据进行帧处 理、与计算机进行数据交换。
全文摘要
本发明是水上无线通信监测测向系统，其特征是包括垂直极化监测测向天线阵、五通道信号切换模块、放大器模块、五通道接收机、DSP处理模块、计算机、监测测向控制器、3G天线、电台天线、3G路由器、数传电台、交换机、电子罗盘、GPS模块、GPS天线。优点工作频率范围为30MHz-500MHz，可更好的查处干扰信号；实现对几个相干波同时测向；实现对同一频率、多个不同方向发射信号的同时测向及数字超高分辨测向；对数字跳频、扩频、猝发信号测向；测量时，五个通道因各有自身本振而可同时测量不同频域、时域和调制域的监测测量，解决了各天线阵元间的互耦问题，排除了单元天线间耦合和相位模糊；扩大了接收信号的动态应用范围。
文档编号G01S3/14GK102147456SQ20101060856
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者俞惟铨 申请人:南京新兴电子系统有限公司