一种便携式远距离无线电测距系统设计_赵榉云
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
I /O 口模拟串口通信模块工作流程图如图 4 所示。 2. 4 无线传输模块
为提高测量系统的传输距离，并有效降低 系统功耗，本系统采用扩频无线传输方式实现
图 4 IO 口模拟串口通信模块流程图
测量数据的远距离传输，系统设计电路图如图
5 所示。 该无线传输模块主要使用 MaxStream 公司
的 9XTend，其主要特点是： 与传统无线调制方 式相比，在相同发射功率的情况下采用扩频通 信方式可以传输更远的距离，是 MaxStream 目 前距离最长（ 可视直线距离达 40 英里） 的低功 耗 OEM RF 模块。9XTend 在 5 V 电压下，电流 消耗 只 有 780 mA，输 出 功 率 可 达 1 W （ 30 dBm） 。该收发器的接收灵敏度达 － 110 dBm， 可使用户在 1． 5 英里、15 英里可视直线距离和 40 英里（ 通过高增益天线） 接收 900 MHz 信号， 数据吞吐量为 230 kbps，数据率可达 115． 2 kbps。通过对该模块的使用，有效地实现了远距 离通信。
1 系统结构及工作原理
基于双 GPS 的便携式远距离无线电测距 系统的结构框图如图 1 所示。
图 1 远距离无线电测距系统结构框图
无线电测距系统硬件部分主要分为发射机 模块和接收机模块两部分，发射机完成 GPS 信 号采集、系统控制和无线传输等功能； 接收机完 成本地 GPS 信号读取、系统控制、数据存储、数 据接收和数据处理等功能［4］。
测得距离 /m 36． 13 103． 21 203． 47 303． 33 403． 17 504． 21 1003． 98 1204． 53 1503． 67 2004． 73
相对误差 3%
3． 21% 1． 74% 1． 11% 0． 79% 0． 84% 0． 40% 0． 38% 0． 24% 0． 23%
图 9 测距偏差随时间变化关系图
从测距偏差随时间变化关系图可以得出在 相当长的一段时间内，某两地之间测得的距离 值一直保持不变，可见该测距系统具有很好的 稳定性。
814
表 1 不同地点间的距离信息及相对误差
实际距离 /m 35 100 200 300 400 500 1000 1200 1500 2000
图 5 无线传输模块的系统设计原理图
2. 5 数据存储模块 数据存储模块用 Flash 芯片来存储测距系
统采集的 GPS 位置信息，以便于进行后期的数 据处理。
3 系统软件设计
无线电测距系统软件设计流程图如图 6 所 示。
主机上电工作后完成系统初始操作（ 包括 初始化 GPS、读取 flash 存储状态等） ，完成初始 化操作后，等待接收主机 GPS 信号。当接收完 主机和从机 GPS 信号后，接收的定位数据被存 储到 flash 中，并通过串口传输到上位机中完成 测距功能［8］。
收稿日期： 2011 － 03 － 10 基金 项 目： 国 防 重 点 实 验 室 基 金 资 助 项 目 （ 9140c1204051010，9140c1204040908） ； 省自然基金 资助项目（ 2007012003） 。 作者简介： 赵榉云（ 1986 － ） ，女，山西忻州人，现就读 于中北大学信息与通信工程学院，信号与信息处理 专业，硕士研究生，主要从事信号与信息处理方面的 研究。炯琦，吴翊． 编队飞行的小卫星精确定轨方法的
研究［J］． 中国空间科学技术，2005，25（ 03） ： 8 － 13． ［6］韦庆洲，路平，汪连栋． 动态差分 GPS 测量进行标
校塔变 形 监 测［J］． 测 绘 科 学 技 术 学 报，2010，27 （ 02） ： 86 － 87．
摘要： 针对传统超声、雷达、图像等测距方法存在的传输距离近、可靠性差、价格昂贵等问题，设计 了基于双 GPS 的便携式远距离无线电测距系统，该系统集控制、存储、通信等模块于一体，实现了远距离 无线电测距，且便于携带和探测。实验表明，当两地距离为 35 m 时，测量结果在 34． 3 ～ 36． 1 m 之间，误 差范围为 3． 2% ； 当距离为 2 km 时，误差范围仅为 0． 23% 。总之，该系统测距范围大、工作稳定，解决了 远距离条件下测距的难题，在探测领域中具有较高的应用价值。
关键词： 无线电测距； 全球定位系统； 无线通信； 便携式 中图分类号： TN 925 文献标识码： A 文章编号： 0258-0934（ 2011） 07-0811-05
随着探测理论的发展，测距领域中对测距 精度提出 了 更 高 的 要 求，而 传 统 超 声、雷 达 测 距、图像 等 测 距 方 法 存 在 传 输 距 离 近，可 靠 性 差，价格 昂 贵，不 易 携 带 等 缺 点［1］。 本 文 设 计 了一种基于双 GPS 的便携式远距离无线电测 距系统，即在确定两个目标的空间位置后，通过 数据解算完成距离的测量［2］。本 系 统 采 用 的 双 GPS 测距方法是将接收端和发送端的 GPS 测距误差相互抵消，有效地去除了单 GPS 测距 时存在的难以消除的系统误差，通过解算后，测 距结果更加接近真实值，提高了该系统的测距 精度［3］。此外，该系统可以在全球范围内全天 候地为地面目标提供信息，在工程探测领域具 有较高的应用价值。
无线电测距硬件系统工作过程为： 利用发 射机与接收机模块中的 GPS 分别获取其所在
811
位置的经纬度信息［5］，并利用高速远距离扩频 通信设备完成从发射机到接收机的数据传输， 接收机将两测试点处的数据通过 USB 接口传 输到电脑中，通过上位机软件完成对数据的转 化和距 离 的 测 量。此 外，发 射 机 上 带 有 片 上 Flash，也可完 成 对 接 收 数 据 的 存 储 功 能，以 便 进行离线处理。
［7］张勤，田增山． INS / GPS / 电子罗盘组合导航系统 研究［J］． 计算机测量与控制，2010，16（ 05） ： 1225 － 1227．
［8］王春友，连光耀，王振生，等． 便携式电路板自动 测试系统的设计与实现［J］． 计算机测量与控制 ， 2009，17（ 12） ： 2407 － 2409．
参考文献：
［1］王爱强，袁平，张河． 基于 RF 技术的引信定高系 统探索［J］． 弹箭与制导学报，2007，27（ 04） ： 166 － 168．
［2］李可心，夏宏森． 基于双 GPS 接收机的自主定位 定向 系 统 的 设 计 与 实 现［J］． 测 绘 科 学，2010， （ 03） ： 180 － 182．
电源模块是发射机和接收机工作的重要组 成部分，其设计如图 2 所示。
图 2 电源模块设计图
在无线电测距系统中，主要耗电的部分为 扩频无线通信模块，该模块工作在 1 W 发射功 率时工作电流可达到 700 mA，因此需要采用大 电流的电 平 转 化 芯 片，以 保 证 系 统 供 电 需 求。 LM2576 最大供电电流可达到 3 A，完全满足系 统大功率发射时的要求。此外，系统中其他模 块工作电压为 3． 3 V，采用 REG1117 芯片为系 统提供工作所需电压。 2. 2 GPS 模块
无线电测距系统中，主要采用梅特希尔公 司的新一代 AVR 芯片 ATmega16A 作为系统的 控制器，控制器主要完成： 控制 GPS 模块、控制 扩频无线传输模块、控制 USB 传输模块、处理 接收的 GPS 信号、从 flash 芯片中存取数据等功 能。
由于 GPS 模块、扩频 无 线 传 输 模 块、USB 模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个 串口功能，因此采用通用 I / O 口模拟串口通信 方式完成对 GPS 和扩频传输模块的控制。同 时设计了两个带接收中断功能的串口模块，以 完成系统控制功能。本通信模块中对接收到的 GPS 信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高 度及时间信息，提高了数据存储和数据传输的 有效信息量［7］。
A Design of the Portable Long － distance Radio Ranging System
ZHAO Ju － yun，SU Xin － yan ，YAO Jin － jie，ZHOU Jian － hui
（ Key Laboratory of Instrumentation Science ＆ Dynamic Measurement（ North University of China） ， Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）
从机完成初始化操作后，等待从机 GPS 信 号，当接收到 从 机 GPS 信 号 后，延 时 等 待 100 ms（ 防止和主机处理时间冲突） 后将接收到的 数据通过无线模块传输到主机。
图 6 主机和从机程序设计流程图
4 实验结果及分析
无线电测距系统硬件实物图和软件显示界 面如图 7、图 8 所示。
GPS 模块是影响系统测量精度的关键，其 原理图如图 3 所示。
图 3 GPS 模块的设计原理图
GPS 采用 SDT11 模 块 进 行 设 计。该 模 块 具有 － 158 dBm 的接收灵敏度，定位精度可达
812
2． 5 m。高接收灵敏度和定位精度可以有效保 证系统的适用范围和测量精度［6］。 2. 3 控制模块
由表 1 可得，当两地的实际距离是 35 m， 而所测得的平均距离是 34． 3 ～ 36． 1 m 之间，系 统精度达到 3． 2% 。而且距离越远，测距精度 越高，当实际距离是 2 km 的时候，相对误差只 有 0． 23% ，测距精度完全满足远距离高精度测 距要求。
5 结束语
本文设计了一个基于双 GPS 的远距离无 线电测 距 系 统，该 系 统 在 测 距 过 程 中 利 用 双 GPS 误差抵消原理，极大的提高了远距离测距 的精度，当 两 地 距 离 为 35 m 时，测 距 误 差 为 3． 2% ，2 km 时，达 0． 23% ，距离越远，测距精度 越高。另外，该测距系统以 LabWindows 为开发 平台结合 Matlab 编程技术设计了系统控制软 件，能够实时绘制出测距偏差随时间变化的关 系图。经实验测试得出，该无线电测距系统具 有稳定性好、定位精度高、不受地形、大气能见 度及气候的影响，可靠性强、结构简单、便于携 带，可全天候测量等特点，可广泛应用于测绘、 航天、通讯和其它工程探测领域。
第 31 卷 第 7 期 2011 年 7 月
核电子学与探测技术 Nuclear Electronics ＆ Detection Technology
Vol． 31 No． 7 July． 2011
一种便携式远距离无线电测距系统设计
赵榉云，苏新彦，姚金杰，周建会
（ 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）
［3］李天文． GPS 原理及应用［M］． 北京： 科学出版社， 2003．
［4］Yang Lu，Junming Guan，Zhen Wei，et al． Joint channel assignment and cross － layer routing protocol for multi － radio multi － channel Ad networks ［J］． Journal of Systems Engineering and Electronics，2010，21
813
图 7 测距系统实物图
图 8 无线电测距软件系统显示界面
通过在显示界面上标注经纬度信息，可以 直观看出发射机与接收机的位置关系。
为检验无线电测距系统的系统性能，选择 一个空旷地域组织了若干次实验，实验内容包 括固定距离长时间测距和动态距离测距，以检 测其工作的稳定性以及不同距离下的测距精 度。所获得的实验数据如图 9 和表 1 所示。
无线电测距软件系统包括串口读写、位置 测量和文件管理三个模块。其中串口读写模块 主要完成串口参数配置、读串口和写串口三部 分功能。位置测量主要完成距离解算和距离显
示两部分功能。文件管理主要完成文件打开和 文件显示两部分功能。
2 系统硬件设计
在无线电测距硬件系统设计中，主要由电 源模块、GPS 模块、控制模块、无线传输模块、数 据存储模块等部分组成。 2. 1 电源模块
为提高测量系统的传输距离，并有效降低 系统功耗，本系统采用扩频无线传输方式实现
图 4 IO 口模拟串口通信模块流程图
测量数据的远距离传输，系统设计电路图如图
5 所示。 该无线传输模块主要使用 MaxStream 公司
的 9XTend，其主要特点是： 与传统无线调制方 式相比，在相同发射功率的情况下采用扩频通 信方式可以传输更远的距离，是 MaxStream 目 前距离最长（ 可视直线距离达 40 英里） 的低功 耗 OEM RF 模块。9XTend 在 5 V 电压下，电流 消耗 只 有 780 mA，输 出 功 率 可 达 1 W （ 30 dBm） 。该收发器的接收灵敏度达 － 110 dBm， 可使用户在 1． 5 英里、15 英里可视直线距离和 40 英里（ 通过高增益天线） 接收 900 MHz 信号， 数据吞吐量为 230 kbps，数据率可达 115． 2 kbps。通过对该模块的使用，有效地实现了远距 离通信。
1 系统结构及工作原理
基于双 GPS 的便携式远距离无线电测距 系统的结构框图如图 1 所示。
图 1 远距离无线电测距系统结构框图
无线电测距系统硬件部分主要分为发射机 模块和接收机模块两部分，发射机完成 GPS 信 号采集、系统控制和无线传输等功能； 接收机完 成本地 GPS 信号读取、系统控制、数据存储、数 据接收和数据处理等功能［4］。
测得距离 /m 36． 13 103． 21 203． 47 303． 33 403． 17 504． 21 1003． 98 1204． 53 1503． 67 2004． 73
相对误差 3%
3． 21% 1． 74% 1． 11% 0． 79% 0． 84% 0． 40% 0． 38% 0． 24% 0． 23%
图 9 测距偏差随时间变化关系图
从测距偏差随时间变化关系图可以得出在 相当长的一段时间内，某两地之间测得的距离 值一直保持不变，可见该测距系统具有很好的 稳定性。
814
表 1 不同地点间的距离信息及相对误差
实际距离 /m 35 100 200 300 400 500 1000 1200 1500 2000
图 5 无线传输模块的系统设计原理图
2. 5 数据存储模块 数据存储模块用 Flash 芯片来存储测距系
统采集的 GPS 位置信息，以便于进行后期的数 据处理。
3 系统软件设计
无线电测距系统软件设计流程图如图 6 所 示。
主机上电工作后完成系统初始操作（ 包括 初始化 GPS、读取 flash 存储状态等） ，完成初始 化操作后，等待接收主机 GPS 信号。当接收完 主机和从机 GPS 信号后，接收的定位数据被存 储到 flash 中，并通过串口传输到上位机中完成 测距功能［8］。
收稿日期： 2011 － 03 － 10 基金 项 目： 国 防 重 点 实 验 室 基 金 资 助 项 目 （ 9140c1204051010，9140c1204040908） ； 省自然基金 资助项目（ 2007012003） 。 作者简介： 赵榉云（ 1986 － ） ，女，山西忻州人，现就读 于中北大学信息与通信工程学院，信号与信息处理 专业，硕士研究生，主要从事信号与信息处理方面的 研究。炯琦，吴翊． 编队飞行的小卫星精确定轨方法的
研究［J］． 中国空间科学技术，2005，25（ 03） ： 8 － 13． ［6］韦庆洲，路平，汪连栋． 动态差分 GPS 测量进行标
校塔变 形 监 测［J］． 测 绘 科 学 技 术 学 报，2010，27 （ 02） ： 86 － 87．
摘要： 针对传统超声、雷达、图像等测距方法存在的传输距离近、可靠性差、价格昂贵等问题，设计 了基于双 GPS 的便携式远距离无线电测距系统，该系统集控制、存储、通信等模块于一体，实现了远距离 无线电测距，且便于携带和探测。实验表明，当两地距离为 35 m 时，测量结果在 34． 3 ～ 36． 1 m 之间，误 差范围为 3． 2% ； 当距离为 2 km 时，误差范围仅为 0． 23% 。总之，该系统测距范围大、工作稳定，解决了 远距离条件下测距的难题，在探测领域中具有较高的应用价值。
关键词： 无线电测距； 全球定位系统； 无线通信； 便携式 中图分类号： TN 925 文献标识码： A 文章编号： 0258-0934（ 2011） 07-0811-05
随着探测理论的发展，测距领域中对测距 精度提出 了 更 高 的 要 求，而 传 统 超 声、雷 达 测 距、图像 等 测 距 方 法 存 在 传 输 距 离 近，可 靠 性 差，价格 昂 贵，不 易 携 带 等 缺 点［1］。 本 文 设 计 了一种基于双 GPS 的便携式远距离无线电测 距系统，即在确定两个目标的空间位置后，通过 数据解算完成距离的测量［2］。本 系 统 采 用 的 双 GPS 测距方法是将接收端和发送端的 GPS 测距误差相互抵消，有效地去除了单 GPS 测距 时存在的难以消除的系统误差，通过解算后，测 距结果更加接近真实值，提高了该系统的测距 精度［3］。此外，该系统可以在全球范围内全天 候地为地面目标提供信息，在工程探测领域具 有较高的应用价值。
无线电测距硬件系统工作过程为： 利用发 射机与接收机模块中的 GPS 分别获取其所在
811
位置的经纬度信息［5］，并利用高速远距离扩频 通信设备完成从发射机到接收机的数据传输， 接收机将两测试点处的数据通过 USB 接口传 输到电脑中，通过上位机软件完成对数据的转 化和距 离 的 测 量。此 外，发 射 机 上 带 有 片 上 Flash，也可完 成 对 接 收 数 据 的 存 储 功 能，以 便 进行离线处理。
［7］张勤，田增山． INS / GPS / 电子罗盘组合导航系统 研究［J］． 计算机测量与控制，2010，16（ 05） ： 1225 － 1227．
［8］王春友，连光耀，王振生，等． 便携式电路板自动 测试系统的设计与实现［J］． 计算机测量与控制 ， 2009，17（ 12） ： 2407 － 2409．
参考文献：
［1］王爱强，袁平，张河． 基于 RF 技术的引信定高系 统探索［J］． 弹箭与制导学报，2007，27（ 04） ： 166 － 168．
［2］李可心，夏宏森． 基于双 GPS 接收机的自主定位 定向 系 统 的 设 计 与 实 现［J］． 测 绘 科 学，2010， （ 03） ： 180 － 182．
电源模块是发射机和接收机工作的重要组 成部分，其设计如图 2 所示。
图 2 电源模块设计图
在无线电测距系统中，主要耗电的部分为 扩频无线通信模块，该模块工作在 1 W 发射功 率时工作电流可达到 700 mA，因此需要采用大 电流的电 平 转 化 芯 片，以 保 证 系 统 供 电 需 求。 LM2576 最大供电电流可达到 3 A，完全满足系 统大功率发射时的要求。此外，系统中其他模 块工作电压为 3． 3 V，采用 REG1117 芯片为系 统提供工作所需电压。 2. 2 GPS 模块
无线电测距系统中，主要采用梅特希尔公 司的新一代 AVR 芯片 ATmega16A 作为系统的 控制器，控制器主要完成： 控制 GPS 模块、控制 扩频无线传输模块、控制 USB 传输模块、处理 接收的 GPS 信号、从 flash 芯片中存取数据等功 能。
由于 GPS 模块、扩频 无 线 传 输 模 块、USB 模块均采用串行接口，控制器内部只带有一个 串口功能，因此采用通用 I / O 口模拟串口通信 方式完成对 GPS 和扩频传输模块的控制。同 时设计了两个带接收中断功能的串口模块，以 完成系统控制功能。本通信模块中对接收到的 GPS 信号进行了简化处理，提取出了经纬度、高 度及时间信息，提高了数据存储和数据传输的 有效信息量［7］。
A Design of the Portable Long － distance Radio Ranging System
ZHAO Ju － yun，SU Xin － yan ，YAO Jin － jie，ZHOU Jian － hui
（ Key Laboratory of Instrumentation Science ＆ Dynamic Measurement（ North University of China） ， Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）
从机完成初始化操作后，等待从机 GPS 信 号，当接收到 从 机 GPS 信 号 后，延 时 等 待 100 ms（ 防止和主机处理时间冲突） 后将接收到的 数据通过无线模块传输到主机。
图 6 主机和从机程序设计流程图
4 实验结果及分析
无线电测距系统硬件实物图和软件显示界 面如图 7、图 8 所示。
GPS 模块是影响系统测量精度的关键，其 原理图如图 3 所示。
图 3 GPS 模块的设计原理图
GPS 采用 SDT11 模 块 进 行 设 计。该 模 块 具有 － 158 dBm 的接收灵敏度，定位精度可达
812
2． 5 m。高接收灵敏度和定位精度可以有效保 证系统的适用范围和测量精度［6］。 2. 3 控制模块
由表 1 可得，当两地的实际距离是 35 m， 而所测得的平均距离是 34． 3 ～ 36． 1 m 之间，系 统精度达到 3． 2% 。而且距离越远，测距精度 越高，当实际距离是 2 km 的时候，相对误差只 有 0． 23% ，测距精度完全满足远距离高精度测 距要求。
5 结束语
本文设计了一个基于双 GPS 的远距离无 线电测 距 系 统，该 系 统 在 测 距 过 程 中 利 用 双 GPS 误差抵消原理，极大的提高了远距离测距 的精度，当 两 地 距 离 为 35 m 时，测 距 误 差 为 3． 2% ，2 km 时，达 0． 23% ，距离越远，测距精度 越高。另外，该测距系统以 LabWindows 为开发 平台结合 Matlab 编程技术设计了系统控制软 件，能够实时绘制出测距偏差随时间变化的关 系图。经实验测试得出，该无线电测距系统具 有稳定性好、定位精度高、不受地形、大气能见 度及气候的影响，可靠性强、结构简单、便于携 带，可全天候测量等特点，可广泛应用于测绘、 航天、通讯和其它工程探测领域。
第 31 卷 第 7 期 2011 年 7 月
核电子学与探测技术 Nuclear Electronics ＆ Detection Technology
Vol． 31 No． 7 July． 2011
一种便携式远距离无线电测距系统设计
赵榉云，苏新彦，姚金杰，周建会
（ 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）
［3］李天文． GPS 原理及应用［M］． 北京： 科学出版社， 2003．
［4］Yang Lu，Junming Guan，Zhen Wei，et al． Joint channel assignment and cross － layer routing protocol for multi － radio multi － channel Ad networks ［J］． Journal of Systems Engineering and Electronics，2010，21
813
图 7 测距系统实物图
图 8 无线电测距软件系统显示界面
通过在显示界面上标注经纬度信息，可以 直观看出发射机与接收机的位置关系。
为检验无线电测距系统的系统性能，选择 一个空旷地域组织了若干次实验，实验内容包 括固定距离长时间测距和动态距离测距，以检 测其工作的稳定性以及不同距离下的测距精 度。所获得的实验数据如图 9 和表 1 所示。
无线电测距软件系统包括串口读写、位置 测量和文件管理三个模块。其中串口读写模块 主要完成串口参数配置、读串口和写串口三部 分功能。位置测量主要完成距离解算和距离显
示两部分功能。文件管理主要完成文件打开和 文件显示两部分功能。
2 系统硬件设计
在无线电测距硬件系统设计中，主要由电 源模块、GPS 模块、控制模块、无线传输模块、数 据存储模块等部分组成。 2. 1 电源模块