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?？萍紝W(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)+移動通信”的救援手段，當(dāng)被救援對象跌倒或者在狹窄室內(nèi)環(huán)境時往往會因?yàn)樾l(wèi)星信號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合作目標(biāo)發(fā)出的信標(biāo)信號，進(jìn)而通過頻譜分析來快速估計(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)主要由無線電信標(biāo)、信標(biāo)信號定向接收機(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。其中無線電信標(biāo)配屬于遠(yuǎn)端合作目標(biāo)對象，它可周期性地發(fā)射無線脈沖信號。信標(biāo)接收機(jī)利用自身的定向天線接收信標(biāo)信號，磁羅盤用于測量方位，北斗接收機(jī)用來測量地理位置，監(jiān)控計(jì)算機(jī)用來協(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)射無線脈沖信號的能力。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象上面(如安裝在老人或兒童身上)。

1.2 信標(biāo)信號定向接收

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)信號下變頻為聲頻脈沖信號，以方便在戶外環(huán)境通過聲音的大小來判斷所接收信號的強(qiáng)弱。當(dāng)信標(biāo)接收機(jī)定向天線的指向與信標(biāo)信號的來向一致時，接收到的信號功率最強(qiáng)、聲音最大，反之則弱。

1.3 信標(biāo)信號數(shù)字化處理

通過聲音大小來判斷信標(biāo)信號的強(qiáng)弱，進(jìn)而確定信標(biāo)信號的來向只能得到粗略、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，還需要對信標(biāo)信號進(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輸入到計(jì)算機(jī)，然后通過計(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，其后再通過FFT變換處理成為聲譜信號，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)信號掃描搜尋

無線電信標(biāo)接收機(jī)安裝在轉(zhuǎn)臺上(在野外也可手持式工作)，在轉(zhuǎn)臺帶動下可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，用來掃描搜尋信標(biāo)信號。當(dāng)信標(biāo)接收機(jī)定向接收天線的指向與無線信標(biāo)的實(shí)際方向接近時，聲譜幅值逐漸增大。而當(dāng)聲譜幅值超過預(yù)先設(shè)置的探測閾值時，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，啟動電子磁羅盤來定量測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；然后通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收模塊測量無線電信標(biāo)接收機(jī)所在點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息，再通過無線電波的衰減規(guī)律來概略估計(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)測搜救路線，適時給予偏航修正引導(dǎo)；此外在搜救目標(biāo)的過程中，可在不同地點(diǎn)再通過信標(biāo)接收機(jī)測量合作目標(biāo)的方位，以確保搜救方向的正確性。

系統(tǒng)工作時，微型無線電信標(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)又固定在云臺上(應(yīng)急使用時，信標(biāo)接收機(jī)也可手持工作)。云臺在監(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)傳輸來的聲波脈沖信號，并通過聲譜分析來探測信標(biāo)信號幅度最大值點(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、定性測試和定量測試相結(jié)合、粗測和精測相結(jié)合、方位測量和距離估計(jì)相結(jié)合。其基本含義是無線信標(biāo)在遠(yuǎn)端全向發(fā)送脈沖信號，在搜尋端利用信標(biāo)接收機(jī)通過其定向接收天線來搜尋信標(biāo)信號；搜尋過程中可通過聲音大小來定性判別信標(biāo)信號的方位和距離，又可通過數(shù)字化后的聲譜幅值來定量判別信標(biāo)的方位和距離；在定量檢測信標(biāo)方位過程中，通過快速粗掃描來概略搜尋信標(biāo)信號的來向，接著在一定范圍再通過低速精確掃描來鎖定信標(biāo)信號的方位；信標(biāo)的方位可通過磁羅盤準(zhǔn)確測量得到，而信標(biāo)的距離可通過分析無線電波的衰減規(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)載電動機(jī)的工作效率，節(jié)省耗電量，而且方便操作人員實(shí)時查詢變頻器的工作狀態(tài)，避免人工巡檢工作時效性差的弊端[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)信號的傳輸過程如圖2所示。定向接收天線通過SMA接口與信標(biāo)接收機(jī)相連，用來傳輸高頻信號。而信標(biāo)接收機(jī)輸出的下變頻聲波信號通過MIC音頻接口輸入計(jì)算機(jī)，接著再利用計(jì)算機(jī)內(nèi)置的聲卡來對該信號進(jìn)行A/D采樣處理。

圖2 系統(tǒng)信號傳輸流程

在搜救系統(tǒng)中，無線電信標(biāo)選用的是馬歇爾追蹤器信標(biāo)，該信標(biāo)通過鋰電池供電，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)通過全向天線發(fā)射信號，該信號是頻率為433 MHz、信號間隔為40 ms、脈寬為40 ppm的連續(xù)脈沖信號。發(fā)送天線的增益為4 dBd，在無遮擋地區(qū)的最遠(yuǎn)傳輸距離約為60 km。無線電信標(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，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)天線對準(zhǔn)信標(biāo)方向時，接收信號幅度最強(qiáng)，反之幅度很弱。而在接收到信標(biāo)信號后，信標(biāo)接收機(jī)還將該信號下變頻為音頻信號，以方便用戶在戶外通過聲音強(qiáng)度來判斷信號的有無和強(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，方位測量精度為0.8°，采用RS232協(xié)議通過串口與計(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)由于具有豐富的對外接口，系統(tǒng)性能可通過板卡升級而獲得顯著提升，非常適合戶外搜尋領(lǐng)域；筆記本電腦的對外接口較多，通用性強(qiáng)，市場可選擇余地大，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)又對音頻脈沖信號進(jìn)行了后處理。具體過程是計(jì)算機(jī)對從MIC接口輸入的音頻脈沖信號通過內(nèi)置聲卡進(jìn)行采樣(采樣率為44.1 KHZ，采樣位數(shù)為16 bit)，然后再通過自編軟件做FFT變換，轉(zhuǎn)變成聲譜信號并通過幅值-時間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頻譜圖。

圖3 音頻脈沖信號頻譜圖

為了精確測量無線信標(biāo)的方位數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)通過圓周掃描方式來控制云臺的旋轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)固連在云臺上的信標(biāo)接收機(jī)對信標(biāo)信號進(jìn)行周期性地掃描探測。當(dāng)實(shí)時采集的信號聲譜強(qiáng)度超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，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)境噪聲背景下對信標(biāo)信號進(jìn)行可靠地檢測和準(zhǔn)確判別，本系統(tǒng)采用了多組平均聲譜強(qiáng)度值來和閾值比較的方法，來消減隨機(jī)環(huán)境噪聲對正常信標(biāo)信號的影響。具體做法是在每個方位點(diǎn)上采集150個信號樣本的聲譜值，然后每50個信號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。在一個方位點(diǎn)上只有當(dāng)3組平均聲譜強(qiáng)度值均超過了閾值，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”。 需要說明的是，在實(shí)際使用時不能將閾值設(shè)置的太低，否則可能在多個方向上都能鎖定目標(biāo)進(jìn)而失去定向的作用。圖4為搜尋信號的狀態(tài)界面，其中的瞬時能量為實(shí)時采集得到的單次信號聲譜幅值，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，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。另一種是精確慢掃描，即當(dāng)以快掃描粗略搜索到信標(biāo)信號時，再在該信號指向附近以較小的步長，如1°/s或2°/s，在±10°范圍內(nèi)精細(xì)的搜索信標(biāo)信號，以保證對信標(biāo)方位的精確定向。此外，在戶外搜救時，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，通過聽聲音強(qiáng)弱來概略估計(jì)信標(biāo)的方位。圖5為云臺掃描控制界面，圖6為信標(biāo)信號掃描顯示界面，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的云臺掃描控制界面中，當(dāng)云臺被安放在地面平坦場地時，一般僅在水平方向旋轉(zhuǎn)掃描；而當(dāng)云臺被安放在樓頂、山頭等具有一定高度的地點(diǎn)時，可下俯一定的角度，如0°～ -10°，然后再在水平方向旋轉(zhuǎn)掃描。若長時間接收不到信標(biāo)信號，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設(shè)置的，這樣若能探測到信標(biāo)信號，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)

無線電信號在空間傳輸時，信號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，在接收端通過檢測接收到的信號功率，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，主要通過設(shè)置接收信號的閾值來估計(jì)接收到的信號功率，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別出信標(biāo)信號的最小接收信號幅度，二是表示信標(biāo)與接收機(jī)之間的概略距離。由于信號傳播衰減、場地環(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，遠(yuǎn)端信標(biāo)接收機(jī)通過定性天線接收到的信號強(qiáng)度大都不一樣，因此采用固定的探測閾值顯然不合適。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，并通過兩個階段來確定閾值。一是事前閾值標(biāo)定。事先在不同的場地環(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)置為探測閾值，并用來作為估算信標(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，為保證既能探測鎖定信標(biāo)信號又能估算出距離，采用步進(jìn)式試探方式來切換閾值。即先以較小的閾值來探測信標(biāo)信號，若能檢測出信標(biāo)信號并可靠鎖定，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)信號不能可靠鎖定為止。亦即先通過設(shè)置較小的閾值來探測信標(biāo)信號的有無，然后在能可靠鎖定信號的基礎(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估計(jì)信標(biāo)與接收機(jī)之間的距離。需要說明的是，實(shí)際使用時，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)工作過程中，接收的信標(biāo)脈沖信號由于偶然因素(如磁暴、非正常天氣等)以及環(huán)境干擾等會產(chǎn)生隨機(jī)的幅值極大值點(diǎn)，往往會由于超過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)接收信號的幅值極大值點(diǎn)出現(xiàn)時，云臺停留在該點(diǎn)方向，接收機(jī)采集3組數(shù)據(jù)(每組50個采樣值)并計(jì)算其算數(shù)均值，若均值小于閾值，則判定為野值，云臺再啟動掃描旋轉(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，為判定野值而采集信標(biāo)信號的樣本數(shù)可適當(dāng)大一些，因?yàn)橛袝r野值很大，利用較少的樣本計(jì)算出的均值也可能超過閾值，從而會造成誤判。具體采集樣本的數(shù)量，可采用事前到不同的場地進(jìn)行實(shí)測來估算得到，一般情況下采集3組信標(biāo)信號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)出的脈沖信號間隔為40 ms，信標(biāo)接收機(jī)接收到該脈沖信號后，下變頻成間隔為1 s的聲頻脈沖信號，它是固定周期信號。而隨機(jī)的干擾信號不具有這種固定周期特征。因此，當(dāng)?shù)谝淮谓邮招盘柕姆禈O大值點(diǎn)出現(xiàn)時，云臺停留在該點(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，可先采用基于信標(biāo)特征的野值剔除方法來處理疑似的野值數(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)測試

通過將微型無線信標(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)信號全向發(fā)射、信標(biāo)信號定向接收、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，而將無線信標(biāo)放置于不同距離的測試點(diǎn)位，然后就信標(biāo)接收機(jī)接收信號后的鎖定情況、方位角定量測量情況和距離估計(jì)情況分別進(jìn)行測試，以此來評估系統(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)，必要時可放置于樓頂。而將無線信標(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試點(diǎn)來進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)(間隔距離可通過衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)來推算，間隔角度可通過磁羅盤測量得到)。測試地點(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)，每個黑點(diǎn)即為測試點(diǎn)，用于放置無線信標(biāo)。而且最內(nèi)測圓距離中心點(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，為了簡化測試步驟，測試點(diǎn)主要在水平方向和垂直方向各自選擇了5個點(diǎn)位，在45°角方向選擇了2個點(diǎn)位，在135°角方向選擇了1個點(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)際測試時，在郊區(qū)環(huán)境，通過電子羅盤測試選擇了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 測試點(diǎn)分布示意圖

測試時，不同距離的檢測閾值根據(jù)閾值標(biāo)定階段環(huán)境測試的結(jié)果來設(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)方向上檢測并鎖定信標(biāo)信號。

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

表1 郊區(qū)環(huán)境信號鎖定情況測試結(jié)果

表2 郊區(qū)環(huán)境方位和距離測試結(jié)果

表3 市區(qū)環(huán)境信號鎖定情況測試結(jié)果

表4 市區(qū)環(huán)境方位和距離測試結(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，無線信號直線傳輸比較順暢，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無線信號遮擋嚴(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，進(jìn)而可測量其方位。超過10 km后接收信號的穩(wěn)定性變差，有時由于信號太微弱而不能鎖定；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，進(jìn)而也可測定其方位。超過5 km后接收信號的品質(zhì)逐漸變差，鎖定信標(biāo)信號的次數(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。

由表3和表4可見，在對信標(biāo)信號保持穩(wěn)定鎖定的情況下，啟動電子羅盤即可測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，主要是利用信號鎖定情況下的最大閾值來概略估計(jì)，由于無線信號傳輸環(huán)境的不確定性，測試中僅僅對信標(biāo)接收機(jī)與無線信標(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

通過對信標(biāo)信號進(jìn)行FFT變換處理，進(jìn)而依據(jù)頻譜幅值與閾值的比對結(jié)果來搜尋并鎖定信標(biāo)信號，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)上再通過電子羅盤和北斗接收機(jī)來定量測量合作目標(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)對合作目標(biāo)快速搜救和探測導(dǎo)引的需要。

但測試結(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)施可靠探測搜救的范圍明顯減小?？梢灶A(yù)測，若將信標(biāo)接收機(jī)放置于無人機(jī)上，地面遮蔽物的影響會顯著減小，搜索到地面信標(biāo)信號的概率會明顯增大，能更好地滿足大范圍、快速準(zhǔn)確搜救的需要，使用場景也會更廣闊。