羅蘭-C脈沖信號(hào)周期的聯(lián)合識(shí)別方法

李實(shí)鋒，高媛媛，華 宇

(1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，陜西西安710600;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100039;3.中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710600)

羅蘭-C系統(tǒng)(包括BPL長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)和“長(zhǎng)河二號(hào)”導(dǎo)航系統(tǒng))是一種遠(yuǎn)程高精度大型陸基無(wú)線電導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)，具有作用距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、通信抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］.

當(dāng)前 GNSS(global navigation satellite system，GNSS)系統(tǒng)以其使用便捷、覆蓋范圍廣、定位精度高等突出優(yōu)點(diǎn)受到普遍重視，但羅蘭-C系統(tǒng)在很多領(lǐng)域仍然是重要的高精度授時(shí)手段.羅蘭-C接收機(jī)通過(guò)精確測(cè)量羅蘭-C信號(hào)的到達(dá)時(shí)間TOA(time of arrival，TOA)來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或定位，其中到達(dá)時(shí)間是指被跟蹤的羅蘭-C脈沖組信號(hào)內(nèi)的特殊過(guò)零點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間［2］.然而由于羅蘭-C信號(hào)的載頻為100 kHz，周期為10 μs，羅蘭-C接收機(jī)鎖定跟蹤發(fā)生錯(cuò)周至少帶來(lái)10 μs的TOA測(cè)量誤差，從而致使整個(gè)系統(tǒng)的定時(shí)或定位精度無(wú)法達(dá)到預(yù)期指標(biāo)［3］.因此，準(zhǔn)確尋找并確定羅蘭-C信號(hào)的相位跟蹤點(diǎn)是羅蘭-C接收機(jī)基帶信號(hào)處理中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.

目前常用的羅蘭-C脈沖信號(hào)周期識(shí)別方法中，峰值算法［3-4］、幅度比值法［5］和函數(shù)法［3，6］等僅是利用了羅蘭-C信號(hào)跟蹤點(diǎn)附近幾個(gè)或若干個(gè)點(diǎn)的信息來(lái)進(jìn)行周期識(shí)別，波形匹配法［2］、匹配相關(guān)法［6］等僅利用了羅蘭-C信號(hào)的包絡(luò)信息進(jìn)行周期識(shí)別，相關(guān)研究則認(rèn)為使用更多可能得到的信息可以得到更好的性能.因此，文中提出一種利用載波跟蹤信息與羅蘭-C脈沖信號(hào)包絡(luò)峰值檢測(cè)相結(jié)合的周期識(shí)別新方法，通過(guò)仿真以及硬件實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了該方法的有效性，為解決現(xiàn)代羅蘭-C數(shù)字化接收機(jī)的周期識(shí)別問(wèn)題提供了一種新的思路.

1 羅蘭-C信號(hào)特征

羅蘭-C脈沖信號(hào)發(fā)射天線底部的標(biāo)準(zhǔn)電流波形定義為［7-8］

其中:A是與峰值電流有關(guān)的常數(shù);t為時(shí)間，μs;τ為包周差，μs;65 μs為脈沖包絡(luò)的上升時(shí)間;ω0=0.2π rad·μs-1;pc為相位編碼，等于0或 π.

羅蘭-C脈沖信號(hào)相位跟蹤點(diǎn)的選擇主要考慮如下因素:①所選擇的相位跟蹤點(diǎn)必須避開(kāi)天波的干擾;②必須保證所選擇的相位跟蹤點(diǎn)所在的周期有足夠的信號(hào)電平.

其中，消除天波對(duì)相位跟蹤點(diǎn)識(shí)別的影響主要采用選取天波到達(dá)之前的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)作為相位跟蹤點(diǎn).根據(jù)美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)發(fā)布的羅蘭-C接收機(jī)最低性能標(biāo)準(zhǔn)，天波的延遲時(shí)間的變化范圍為37.5 ～1 500 μs［9］，所以通常選擇脈沖信號(hào)起始點(diǎn)30 μs正向過(guò)零點(diǎn)作為羅蘭-C接收機(jī)的相位跟蹤點(diǎn)［10］，即標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)，如圖1所示.

圖1 羅蘭-C信號(hào)特征

2 聯(lián)合識(shí)別方法

2.1 基于峰值檢測(cè)的周期識(shí)別

羅蘭-C接收機(jī)完成了信號(hào)的搜索、捕獲以及載波跟蹤以后，將得到的羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)用于峰值檢測(cè).根據(jù)式(1)，標(biāo)準(zhǔn)的羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)可表示為

對(duì)式(2)求導(dǎo)得

令E'(t)=0，得t=τ或t=65+τ，即表明羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)峰值出現(xiàn)在t=65+τ時(shí).令包周差τ=0，則羅蘭 -C包絡(luò)峰值在t=65 μs處，因此在理想情況下，根據(jù)羅蘭-C包絡(luò)峰值位置即可推算出標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的位置，完成相位跟蹤點(diǎn)的識(shí)別.

2.2 DLL峰值檢測(cè)原理

DLL(delay-locked loop，DLL)峰值檢測(cè)是指基于延遲鎖定環(huán)原理，產(chǎn)生羅蘭-C超前包絡(luò)(早碼)和滯后包絡(luò)(遲碼)分別與羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)累積，利用相關(guān)運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲得所需要的誤差鑒相信號(hào)，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆答伃h(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)本地羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)相位的自動(dòng)調(diào)整，DLL峰值檢測(cè)原理如圖2所示.

圖2 DLL峰值檢測(cè)原理框圖

圖2中:T為積分時(shí)間;Re(τ)為早碼相關(guān)值;Rl(τ)為遲碼相關(guān)值;e(τ)為誤差鑒相信號(hào)，則

2.3 周期聯(lián)合判決

DLL峰值檢測(cè)完成以后，根據(jù)包絡(luò)峰值的位置可以推算得到第3周過(guò)零點(diǎn)的理論位置，但是由于噪聲、干擾等影響，理論位置與實(shí)際位置之間可能存在一定的偏差，此時(shí)根據(jù)載波跟蹤信息輔助進(jìn)行進(jìn)一步的周期判決，見(jiàn)圖3.

圖3 周期聯(lián)合判決原理

根據(jù)圖3可知，當(dāng)理論位置與實(shí)際位置偏差小于2.5 μs時(shí)，與之最近的載波零點(diǎn)即為羅蘭-C信號(hào)的第3周過(guò)零點(diǎn)，據(jù)此可實(shí)現(xiàn)正確的周期判決，此時(shí)周期識(shí)別精度取決于載波跟蹤精度;當(dāng)理論位置與實(shí)際位置偏差大于2.5 μs時(shí)，根據(jù)載波跟蹤信息進(jìn)行周期判決后發(fā)生錯(cuò)周.

3 聯(lián)合識(shí)別方法性能分析

3.1 DLL峰值檢測(cè)算法仿真

DLL峰值檢測(cè)算法仿真驗(yàn)證步驟:首先產(chǎn)生間隔為20 μs的羅蘭-C超前包絡(luò)和滯后包絡(luò);然后分別與羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)累積運(yùn)算得到Re(τ)和Rl(τ);最后以誤差鑒相信號(hào)e(τ)作為峰值判決的依據(jù)，并以峰值判決結(jié)果控制羅蘭-C信號(hào)包絡(luò)相位調(diào)整直至e(τ)趨于零，其仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 DLL峰值檢測(cè)算法驗(yàn)證

仿真結(jié)果表明:基于DLL方法得到的誤差曲線e(τ)具有較好的鑒相特性，以此可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到羅蘭-C包絡(luò)峰值的位置，進(jìn)而可以推算得到標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的理論位置.

3.2 聯(lián)合識(shí)別方法的有效性驗(yàn)證

針對(duì)仿真產(chǎn)生的羅蘭-C信號(hào)連續(xù)進(jìn)行10 000次的聯(lián)合周期識(shí)別試驗(yàn)，信噪比設(shè)為SNR=15 dB，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 聯(lián)合識(shí)別方法的有效性驗(yàn)證

仿真結(jié)果表明聯(lián)合識(shí)別方法在SNR=15 dB時(shí)的周期識(shí)別正確率達(dá)98.65%，從而驗(yàn)證了該方法的有效性.

3.3 抗包周差性能分析

羅蘭-C信號(hào)脈沖包絡(luò)在發(fā)射、傳播、接收等過(guò)程中，由于設(shè)備、噪聲等影響會(huì)發(fā)生一定的畸變.包周差(envelope-to-cycle difference，ECD)定義為羅蘭-C信號(hào)由于畸變導(dǎo)致脈沖包絡(luò)位置相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)采樣點(diǎn)位置的超前或滯后量，其意義在于影響接收機(jī)周期識(shí)別的可靠性.USCG發(fā)布的羅蘭-C接收機(jī)最低性能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng) -2.4 μs≤τ≤2.4 μs時(shí)周期識(shí)別應(yīng)具有95%的可靠性.

為了驗(yàn)證聯(lián)合周期識(shí)別方法的抗包周差性能，針對(duì)仿真產(chǎn)生的不同包周差的羅蘭-C信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合周期識(shí)別仿真試驗(yàn)，識(shí)別結(jié)果與包周差的關(guān)系如圖6所示.

圖6 聯(lián)合識(shí)別結(jié)果與包周差的關(guān)系

仿真結(jié)果表明:當(dāng)|τ|≤3 μs時(shí)，聯(lián)合識(shí)別方法能準(zhǔn)確的識(shí)別第三周過(guò)零點(diǎn);當(dāng)|τ|＞3 μs時(shí)，聯(lián)合識(shí)別結(jié)果發(fā)生錯(cuò)周，周期識(shí)別失敗.

3.4 抗噪性能分析

相關(guān)資料表明［2］:現(xiàn)代羅蘭-C接收機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后信噪比可達(dá)30 dB以上，一般能達(dá)到22 dB.為了驗(yàn)證聯(lián)合識(shí)別方法的抗噪性能，下面對(duì)SNR=10～22 dB的羅蘭-C信號(hào)分別連續(xù)進(jìn)行10 000次仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示.

圖7 聯(lián)合識(shí)別正確率與信噪比的關(guān)系

仿真結(jié)果表明:當(dāng)SNR≥20 dB時(shí)，聯(lián)合識(shí)別方法能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn);聯(lián)合識(shí)別方法的周期識(shí)別抗噪性能優(yōu)于目前常用的周期識(shí)別方法，其中波形匹配法為23 dB［2］，周期和值算法為24 dB［5］，周期累加值算法為 25 dB［11］等，因此聯(lián)合識(shí)別方法具有較強(qiáng)的適用性.

4 聯(lián)合識(shí)別方法在接收機(jī)中的應(yīng)用

4.1 接收機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證羅蘭-C信號(hào)周期的聯(lián)合識(shí)別方法的實(shí)際應(yīng)用，基于現(xiàn)有的PO21長(zhǎng)波定時(shí)校頻接收機(jī)的射頻通道，搭建了基于AD+FPGA+DSP的羅蘭-C接收機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 聯(lián)合識(shí)別方法試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)

FPGA主要完成載波跟蹤、本地羅蘭-C信號(hào)超前、滯后包絡(luò)的產(chǎn)生，并且與接收到的信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行相關(guān)累積，然后將早、遲碼的相關(guān)累積值送給DSP進(jìn)行處理、判決;DSP主要是完成對(duì)早、遲碼相關(guān)累積值進(jìn)行鑒相處理，然后根據(jù)鑒相結(jié)果進(jìn)行峰值檢測(cè)判決，并轉(zhuǎn)換成計(jì)數(shù)器初值送給FPGA以控制羅蘭-C包絡(luò)發(fā)生器調(diào)整本地羅蘭-C脈沖包絡(luò)相位，直至鑒相誤差信號(hào)趨于零，即完成峰值檢測(cè).

4.2 周期識(shí)別性能測(cè)試

利用設(shè)計(jì)的羅蘭-C接收機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，基于聯(lián)合識(shí)別方法對(duì)接收到的BPL長(zhǎng)波授時(shí)信號(hào)進(jìn)行周期的聯(lián)合識(shí)別，然后將得到的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)識(shí)別跟蹤信號(hào)進(jìn)行分頻得到秒信號(hào)，最后將其與標(biāo)準(zhǔn)秒信號(hào)進(jìn)行比對(duì)得到該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的跟蹤特性，測(cè)試結(jié)果如圖9所示.

圖9 聯(lián)合識(shí)別方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的跟蹤特性

試驗(yàn)結(jié)果表明:聯(lián)合識(shí)別方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)識(shí)別的準(zhǔn)確度約±150 ns，其與載波跟蹤穩(wěn)定度相吻合［12］，且誤差偏離達(dá)到設(shè)定門限時(shí)，該算法控制羅蘭-C信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)同步信號(hào)的移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)零點(diǎn)的跟蹤.

5 結(jié)論

羅蘭-C接收機(jī)的時(shí)差測(cè)量精度在很大程度上取決于其正確識(shí)別周期的能力，然而準(zhǔn)確的周期識(shí)別是羅蘭-C接收機(jī)首先遇到最困難、最棘手的問(wèn)題.文中基于以上的目的，針對(duì)目前羅蘭-C接收機(jī)周期識(shí)別基本方法不足的現(xiàn)狀，提出了一種羅蘭-C脈沖信號(hào)周期聯(lián)合識(shí)別新技術(shù)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法優(yōu)于目前常用的周期識(shí)別方法，并且通過(guò)將該方法運(yùn)用于羅蘭-C接收機(jī)設(shè)計(jì)，更加充分地驗(yàn)證了該方法的有效性和較強(qiáng)的實(shí)用性.

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