便携式无线电测向系统的软件设计与实现

彭玉玲 刘元安 刘凯明

北京邮电大学 100876

便携式无线电测向系统的软件设计与实现

彭玉玲 刘元安 刘凯明

北京邮电大学 100876

引言

无线频谱是非可再生资源，对无线频谱资源的合理利用和有效监管一直是各国无线电管理部门的首要工作。调频广播承载着各省交通信息和气象预报等多种公众服务信息的广播业务，在人民的日常生活和工作中具有不可替代的作用。但是部分组织或个人出于各种目的，在未经允许的情况下，私自发射调频信号，严重扰乱了调频广播的正常运行。

1、用户需求分析

设计一个界面友好、操作方便的便携式测向系统软件，配合相应的硬件设备，能实现以下功能：

系统分为向导式和普通操作模式，方便用户进行操作；

向导式将对用户的操作步骤进行详细的指导；

普通式则是熟练使用的用户的另外一种使用方式，更加灵活；

系统能实时在地图上面显示本系统的位置；

接收用户输入，执行扫描测向的操作，并向用户显示处理结果；

测向结果将会绘制到地图上，信号强度将会以可视的形式进行实时显示。

系统支持联机测向，即系统可以把自己的测向结果发送给其他的系统。

2、开发环境及测向方案选择

要设计简单友好的界面系统，可以在Visual Studio系列里面进行开发工作，本系统由于要使用GIS地图信息管理库里面的接口，采用了Visual Studio 2005开发环境。由于本系统不仅要界面设计，底层也要通过串口和硬件系统进行交互，因此选用的C++语言，并基于MFC类库来编写程序。

对于测向算法的选择，根据用户需求及对现有几种典型算法的分析[1]，可以发现，虽然干涉仪式测向的实现难度较大，但是它同时具有很高的测向灵敏度和准确度，对设备的要求也不高，可以考虑作为首选算法。

与其他测向方法相比，幅度比较式测向对系统要求最低，但也具有最低的性能，可作为备用算法。

干涉仪测向的结果是一条指向电台的方向线，由于存在测向精度的问题，多点测向后，不会总是交到一个点上，但是可以根据这些测向线，得出电台的初步搜索范围，其原理如图1所示：

图 1 测向原理图

然后在这个搜索区域，利用幅度比较式算法，最终定位电台的位置。

3、软件设计及实现

3.1 总体设计

整个测向机系统分为三大部分：上位机（即软件系统）、下位机（即硬件系统）和天线部分。图2是系统的总体设计。本文主要关注上位机，即软件的设计与实现。软件系统主要由用户图形界面、综合控制模块、工程管理模块、GPS定位管理模块、扫描测向模块、联机测向模块和地图信息管理模块六大部分组成。

图 2 系统整体架构

3.2 详细设计

3.2.1 用户图形界面

界面上面是标题栏和菜单栏，左边区域初始空白，幅度比较式测向时用来显示信号强度，右侧为地图操作和显示区域。

根据测向系统的需求，对于向导式测向的界面设计应该是系统启动时自动弹出向导界面，提示用户新建一个工程测向或者继续上次测向。然后是扫描界面，提示用户进行自动扫描或手动扫描。最后是给出扫描结果，针对非法电台进行测向操作。

3.2.2 综合控制模块

这个模块具有神经中枢的作用，它将上层的界面显示与底层的功能实现联系起来，并协调各模块的工作，使整个系统能很好地完成测向任务。在系统初始化的时候，这个模块负责初始化各模块。在系统运行过程中，接收从用户图形界面传过来的操作指令，解析并调用相关的底层模块来执行命令，对于底层模块的处理结果，也及时的读取并反馈给用户图形界面显示出来。

3.2.3 工程管理模块

工程管理模块的核心作用是实现数据的存储，当用户建立一个新的测向工程，用户继续上次的测向操作，用户测向得到结果时，这个模块负责从工程文件里面读出相应的测向数据，并及时更新这些数据。它能使用户后期对所测的各种数据进行查询分析，有利于数据的统计工作。

3.2.4 GPS定位管理模块

由于本系统同时需要利用移动通信网络收发短信进行联机测向的功能，通过分析及比较，在芯片选择上选定了上海SIMCOM公司生产的SIM508模块[2]。该模块同时集成了GSM和GPS两种模块，且具有非常小的体积和重量，性价比较高，非常适合应用于本系统。

定位管理模块在程序运行期间，一直在后台执行并更新位置信息。模块通过计算机的串口与GPS模块进行交互来读取位置信息。

3.2.5 扫描测向模块

1）扫描

在具体的扫描线程的执行中，如果是自动扫描，则将起止频率和步长转换为十六进制数，加上命令开始识别符和结束符，一起写入相应的串口，最终被硬件设备接收到，然后反馈这个范围的以步长为间隔的频点的信号强度。程序收集完这些强度信息后，开始分析可能存在电台的频点。

从扫描结果分析，电台所在频点位置会出现一个凹形的突起，而突起的第一个峰所在的频率就是电台的频点。扫描模块针对这个特点就可以设计相应的算法，找到凹形突起后，就可以确定电台频点。

2）干涉仪算法测向[3]

本设计采用的是四单元、双通道的测向方法，测向原理图如图3所示，其中d为阵元之间的距离，θ为信号到达的方向，λ是载波波长。由于相位干涉仪测向的角度只能在±180°范围内，由式(1)可知，当d<λ/2时，对于信号入射角θ在±90内取值时，其对应相位差在±180以内，相位值与入射角度值一一对应；当d>λ/2时，对于信号入射角θ在±90内取值时，其实际相位差可能超过±180的范围，此时同一个相位值可能对应多个入射角度值，这就是“相位模糊”。所以d必须小于λ/2，否则不能保证实际的方向角与测量的方向角一一对应，即一个测定的φ可以计算出两个或两个以上的θ，这当然是不允许的。为了克服相位模糊问题，本系统采用的天线基线之间间距为λ/4。

图 3 干涉仪算法原理

若有一平面波从与天线视轴夹角为θ的方向到达间距为d的两个测向天线，则在知道信号频率f的情况下（波长λ＝c/f，c为光速），两个天线1、2接收到的相位差为

因此，只要测量出ψ12就能算出信号到达方向角θ。

如果两个信道的响应完全一致，接收机输出的相位差仍为φ，则由接收机采样接收到的信号

干涉测向线程函数负责从串口读入两个天线阵1、2采样数据，然后求其希尔伯特变换，得到正弦相关的表达式，就可以利用三角函数公式来求得相位差。

由公式(6)

(4)

可以求得两个天线阵元之间信号的相位差的正弦值及相位

(7)

然后根据公式(1)可以得出方向角。为了克服镜像模糊问题，系统还同时收集了3、4天线阵元的信号进行分析，使计算出的来的角度更加准确。

3）幅度比较式算法

幅度比较式测向[4]比较简单，就是从硬件设备不断读取某特定频点的信号强度值，并实时刷新，这样在上层界面会根据这个强度值来显示当前天线所在方向的接收到的信号质量。

3.2.6 联机测向模块

这个模块处理本测向机和其他联合测向的机器之间通信的模块。系统采用的是发送短消息的模式。

如果是要进行联机测向，应该是一个小组三个人，每人持一台测向机去到不同的地方。三台机器扫描可能会确定出不同的非法频点，然后对各自扫描出的这个频点进行干涉式测向，这样就会造成无法协作完成一个测向的任务。因此，系统设计为，最快测完一次干涉式测向，并把结果发给其他两台机器的测向机自动成为主测向机，另外两台从测向机在收到主测向机的测向请求和测向结果后，马上停止自己的测向任务，转而保存主测向机的测试结果，并根据接收到的频点信息，开始自己的测向。从测向机测出结果后，立即把结果发给其他两台测向机，这样三台测向机同时拥有了三次干涉式测向结果，如果条件满足，一个圆形的搜索范围将会自动绘制在地图上。

3.2.7 地图信息管理模块

这个模块主要是管理界面上面对地图部分的操作，包括显示测向系统所在地地图，显示测向机的具体位置、显示干涉式测向的结果、提供地图的缩放、拖动等简单操作。

4、实地测试

以单机测试为例，三次干涉仪测试结果如下图4右侧地图区域所示所示。

其中的红色圆点为当前测向机所在位置，红色圆圈为三次测向结果出来后自动绘制出来的搜索区域。进入搜索区域后，使用幅度比较式算法，可以实时观察信号强度，如图4左侧柱形图区域所示。

图 4 幅度比较式测向界面

5、总结

本文给出了一种综合多功能的测向系统的软件设计方案及实现方法。单机测向可以采取多点测试的方法，而多机可以联合测试。在综合运用相关干涉仪算法和幅度比较式算法的基础上，使用户能很方便地使用并找到要寻找的电台发射地。

[1]李鹏.双通道相关干涉仪测向系统研究[学位论文].西安:西安电子科技大学.2009

[2]SIM508_HD_V2.08 [Datasheet], SIM TECHNOLOGY, http://www.sim.com.

[3]梁双港.基于相位干涉仪测向算法的定位技术研究[D]. 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士).2006,(08) .

[4]刘利军.浅论无线电测向技术及其应用.中国高新技术企业.2009.7：7～8

国家自然科学基金资助项目 60802033以及60873190

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.041

彭玉玲，籍贯湖南，北京邮电大学在读硕士，研究方向：无线通信。

调频广播承载着各省交通信息和气象预报等多种公众服务信息的广播业务，在人民的日常生活和工作中具有不可替代的作用。但是部分组织或个人出于各种目的，在未经允许的情况下，私自发射调频信号，严重扰乱了调频广播的正常运行。本文介绍了一种适用于调频频段的便携式无线电监测设备的软件设计与实现，主要介绍了无线测向的基本原理，采用相关干涉式算法与幅度比较式算法相配合的方式进行测向，以及单机测向和联机测向的方法，并详细分析了测向程序的基本流程和具体实现。关键词

测向；相关干涉仪；幅度比较式；软件设计