謝春思,隋先輝,李軍玲

(1 海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連 116018;2 大連大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧大連 116100)

中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈基于OFDM的導(dǎo)航電文研究*

謝春思1,隋先輝1,李軍玲2

(1 海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連 116018;2 大連大學(xué)信息工程學(xué)院,遼寧大連 116100)

文中從導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)的角度改進(jìn)了現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)。通過分析北斗衛(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)方法,提出基于正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)技術(shù)的導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)。新的電文設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星并行傳輸每顆衛(wèi)星的星歷,可以極大提高中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體的定位速度與精度,更有效的利用了有限的導(dǎo)航電文資源,增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力,具有超越現(xiàn)有方法的優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?對(duì)提高艦載中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈的飛行精度具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

反艦導(dǎo)彈;全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);正交頻分復(fù)用調(diào)制;導(dǎo)航電文;北斗

0 引言

目前,在中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈的飛行控制中普遍采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)來提高彈道飛行精度[1]。導(dǎo)航的精度對(duì)導(dǎo)彈飛行控制具有重要的影響。然而在極端情況下,現(xiàn)有GNSS系統(tǒng)并不能提供定位服務(wù)足夠的魯棒性,因此系統(tǒng)需要從多角度提高系統(tǒng)的協(xié)同作用,保證系統(tǒng)在受影響情況下的定位精度。

目前GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)中,使用測距碼(偽碼)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行捕獲跟蹤以及時(shí)延測量,在衛(wèi)星鎖定后通過解除偽碼的效果后獲得導(dǎo)航電文信息。由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)極弱,導(dǎo)航電文可采用的調(diào)制方式基本是基于BPSK調(diào)制的各種演化,如BOC調(diào)制等,信息速率有限。因此導(dǎo)航精度與電文資源分配形成了相互制約的因素。以北斗為例,導(dǎo)航電文中則包含該顆衛(wèi)星的詳細(xì)位置時(shí)間信息(星歷),其他衛(wèi)星的粗略信息(歷書)以及與其他系統(tǒng)同步(D2導(dǎo)航電文)等內(nèi)容。在這個(gè)過程中,可以看到,歷書信息被不同的衛(wèi)星大量發(fā)送。其中,D1導(dǎo)航電文的一個(gè)30 s主幀的子幀4、5和D2電文中的子幀5均發(fā)送的是歷書信息[2-3]。目前,對(duì)于提高衛(wèi)星定位精度的主要研究都集中于發(fā)射接收信號(hào)處理算法的研究,而對(duì)導(dǎo)航電文本身的優(yōu)化側(cè)重極少。因此文中想提供一個(gè)新的思路,在導(dǎo)航電文的設(shè)計(jì)上進(jìn)行改變,從而對(duì)系統(tǒng)效率進(jìn)行提升。

如果在不占用其他資源的情況下,每一顆衛(wèi)星都可以獲得其他衛(wèi)星的星歷(詳細(xì)參數(shù)),那么每一顆衛(wèi)星都可以精確推導(dǎo)出其他衛(wèi)星的精確位置,系統(tǒng)的協(xié)同定位精度將會(huì)大幅提高。注意到D1導(dǎo)航電文中的一個(gè)細(xì)節(jié)是,為了提高載體的快速定位,北斗系統(tǒng)的D1導(dǎo)航電文進(jìn)行了二次編碼,增強(qiáng)了各個(gè)衛(wèi)星的正交性的同時(shí)將導(dǎo)航電文的符號(hào)速率提高到了1 ms。而二次編碼在擴(kuò)頻的同時(shí)并沒有帶來編碼效率上的增益。因此,以此為突破口,使用正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)將電文速率提升到現(xiàn)有速率的同時(shí)可以獲得更大的好處。如果使用OFDM對(duì)電文進(jìn)行調(diào)制,就可以保證所有的衛(wèi)星直接傳遞其他最多15顆衛(wèi)星的位置信息,同時(shí)節(jié)省下來了子幀中歷書部分消耗。

1 OFDM調(diào)制原理

OFDM是頻分復(fù)用調(diào)制的一種特殊形式。為了保證各個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)互相沒有干擾,傳統(tǒng)的頻分復(fù)用調(diào)制(FDM)各個(gè)子頻帶不但不能有交疊,而且子載波之間還需要保留一定的空余間隔[4-7]。在頻帶資源十分緊張的當(dāng)下,傳統(tǒng)FDM無疑對(duì)頻譜資源造成了浪費(fèi)。而OFDM設(shè)計(jì)采用了若干相互正交的子載波,這樣可以通過子載波之間的正交性保證相干解調(diào)。另一方面,子載波之間互相重疊,極大程度提高了頻譜效率[8-10],圖1所示為OFDM與傳統(tǒng)FDM調(diào)制頻譜占用比較。

圖1 OFDM與傳統(tǒng)FDM調(diào)制頻譜占用比較

從調(diào)制過程的角度講,OFDM調(diào)制過程如下:

設(shè)輸入數(shù)據(jù)為x(t),根據(jù)離散時(shí)間傅里葉變換(DTFT),以T/N采樣,x(t)可表示為離散序列:

即N個(gè)并行符號(hào)點(diǎn)經(jīng)過逆傅里葉變換(IFT)后,得到一組OFDM符號(hào)x(n),n=0,1,…,N-1。

如果選用合適的IFT點(diǎn)數(shù),則可以使用快速傅里葉變換(FFT),降低傅里葉變換的復(fù)雜度,實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。在接收端,則采用類似的方法。假設(shè)下變頻后的接收信號(hào)為y(t),則:

y(t)=[x(t)·h(t)]+w(t)

式中:h(t)為信道的沖擊響應(yīng);w(t)為噪聲。

將y(t)進(jìn)行離散采樣、FFT后可以得到:

因此在忽略噪聲的情況下,頻域解調(diào)得到的即為發(fā)射端發(fā)送的頻域符號(hào)X(k)。

整體OFDM發(fā)射接受系統(tǒng)流程模型如圖2所示。

隨著無人機(jī)飛控系統(tǒng)的完善，雖然可有效保證其作業(yè)效率，但是操作不當(dāng)和故障失控等問題的滋生，使無人機(jī)面臨毀機(jī)和摔機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，遼寧省共有4起植保無人機(jī)碰觸高壓線事件，3輛無人機(jī)處于報(bào)廢狀態(tài)。而在此過程中，摔機(jī)引起的零部件損壞問題，導(dǎo)致其維修成本相對(duì)較高，幾千至上萬不等，二者也會(huì)增加購機(jī)戶的成本投入［6］。

圖2 OFDM發(fā)射接收系統(tǒng)流程框圖

2 OFDM電文導(dǎo)航機(jī)理

如前所述,OFDM技術(shù)可以將一串高速傳輸?shù)拇写a流信息映射到頻域,然后通過FFT的方式變換到時(shí)域進(jìn)行并行傳輸。結(jié)合北斗目前的衛(wèi)星數(shù)量,以16顆衛(wèi)星的D1電文進(jìn)行16點(diǎn)的FFT變換是最有效的。系統(tǒng)模型如圖3所示的OFDM導(dǎo)航電文編排方式。首先,每顆衛(wèi)星都通過地面觀測站初始化自己的導(dǎo)航電文。然后假設(shè)電文可以在衛(wèi)星間共享,則可以將同一比特對(duì)應(yīng)的電文進(jìn)行FFT變換為OFDM的一個(gè)符號(hào)。最后所有衛(wèi)星都將同時(shí)發(fā)射相同的OFDM符號(hào)。

圖3 OFDM導(dǎo)航電文編排方式

在使用OFDM之后,選用16點(diǎn)FFT作為一個(gè)OFDM符號(hào)。即每個(gè)OFDM符號(hào)傳輸16 bit的信息。在一個(gè)OFDM符號(hào)中,每個(gè)比特對(duì)應(yīng)一顆衛(wèi)星一個(gè)比特的星歷信息。然后將符號(hào)進(jìn)行IFFT變換,得到時(shí)域OFDM符號(hào)。所占時(shí)長為16 ms,再添加上4 ms的循環(huán)前綴,因此一個(gè)OFDM符號(hào)時(shí)長為20 ms。因此系統(tǒng)的碼率為800 bit/s,因此可以在30 s的主幀長度內(nèi)發(fā)送16顆衛(wèi)星的全部星歷信息。

2.1 OFDM導(dǎo)航電文優(yōu)勢

第一,定位精度提高。由于D1電文的前3個(gè)子幀原先只包含了一顆衛(wèi)星的位置信息,在使用OFDM系統(tǒng)之后,可以直接從中解調(diào)出來16顆衛(wèi)星的詳細(xì)參數(shù),同時(shí)這些參數(shù)可以在30 s內(nèi)變化一次,極大的豐富了定位系統(tǒng)可以掌握的位置資源,為定位精度的提高提供了潛力。

第二,導(dǎo)航電文資源更好利用。僅僅是刪去歷書部分的導(dǎo)航電文,就可以為導(dǎo)航電文幀長度獲得減少近40%的好處。導(dǎo)航電文的節(jié)省,將會(huì)使得收到完整電文幀的時(shí)間縮小,從而減少中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體第一次定位所用時(shí)間。

第三,抗干擾能力提高。OFDM系統(tǒng)自身的強(qiáng)抗干擾性也可以使得導(dǎo)航系統(tǒng)在人為的強(qiáng)干擾環(huán)境下比普通調(diào)制具有更可靠的表現(xiàn)。同時(shí),將信息存儲(chǔ)在頻域可以抵抗信道惡化帶來的誤碼率提升。值得注意的是,同樣的OFDM符號(hào)被多顆不同空間位置的衛(wèi)星同時(shí)播發(fā),本身將會(huì)帶來空分復(fù)用的分集增益(spatial diversity),這都是傳統(tǒng)的電文調(diào)制方式無法提供的。例如,由于每顆衛(wèi)星都帶有了其他衛(wèi)星的精確位置,只要保證視野中有1到2顆處于良好接受環(huán)境的衛(wèi)星,就可以把所有衛(wèi)星的精確位置全部計(jì)算出。這樣即使一些衛(wèi)星收到的信息受干擾很強(qiáng),也有機(jī)會(huì)使中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體獲得同樣精確的定位。這將極大保證中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體在制導(dǎo)時(shí)能夠更好的對(duì)抗敵方的電子干擾。

第四,未來發(fā)展?jié)摿薮?。?jié)省下來的電文資源使得添加一些額外信息來提升中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體的其他性能,比如快速定位、編碼的方式降低誤碼率、抗干擾等等變?yōu)榱丝赡堋?.2 OFDM導(dǎo)航的局限

首先最大的問題是在采用了OFDM調(diào)制之后,導(dǎo)航電文將會(huì)繼承峰均比變化的問題。原先的編碼方式,仍然可以保證導(dǎo)航電文僅僅是01序列。然而如果使用OFDM調(diào)制,導(dǎo)航電文的時(shí)域波形將會(huì)發(fā)生很大的變化。將會(huì)對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計(jì)及解調(diào)算法帶來新的挑戰(zhàn)。

其次,中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體如果采用了OFDM調(diào)制,將會(huì)使得系統(tǒng)對(duì)頻偏更為敏感,與原先直接使用碼相關(guān)進(jìn)行幀同步相比會(huì)復(fù)雜很多。但鑒于OFDM調(diào)制已經(jīng)有了相對(duì)完整而成熟的系統(tǒng)設(shè)計(jì),同時(shí)僅僅對(duì)導(dǎo)航電文這樣低碼速率、低FFT數(shù)量的信息進(jìn)行同步解調(diào),難度還是可以接受的。而且利用OFDM進(jìn)行的載波同步,可以進(jìn)一步為偽碼的跟蹤服務(wù),提高中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度。

另外,此種設(shè)計(jì)方法可能會(huì)帶來與之前系統(tǒng)不兼容的問題。但由于其潛在的高速和高精度的特點(diǎn),可以在中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈飛行精度要求很高的載體上進(jìn)行應(yīng)用,提高導(dǎo)彈飛行彈道的精度,同時(shí)使用該技術(shù)發(fā)射的衛(wèi)星可以承載其他衛(wèi)星的位置信息,按先增強(qiáng)再替換的思路進(jìn)行更新。

3 OFDM系統(tǒng)仿真

通過仿真從而說明中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體基于OFDM的新一代GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航電文的性能。仿真選用具有代表性的QPSK映射方式[11],分別模擬了單徑和多徑條件下采用OFDM和普通調(diào)制的誤碼率性能。從而對(duì)比闡述采用OFDM的導(dǎo)航系統(tǒng)在對(duì)抗由環(huán)境或者其他人為因素帶來的多徑干擾比普通調(diào)制具有的更好效果。

由于采用白噪聲仿真,OFDM長度變化并不會(huì)影響系統(tǒng)性能。因此為了更好的仿真多徑帶來的干擾,仿真參數(shù)設(shè)定為:2 048點(diǎn)FFT,多徑干擾為:超前17 bit、20 dB、延時(shí)17 bit、10 dB、延時(shí)53 bit、14 dB,延時(shí)165 bit、18 dB。采用的均衡方式均為理想的頻域均衡。

通過如圖4所示的不同條件下調(diào)制比較可以看出,OFDM系統(tǒng)對(duì)抗多徑干擾具有很好的效果。在單徑環(huán)境下,OFDM并沒有比普通調(diào)制有任何劣勢。在多徑干擾的情況下,OFDM性能比傳統(tǒng)方式有了很大優(yōu)勢。OFDM性能與單徑環(huán)境下只有了5 dB的衰減,而傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)在處理多徑干擾的時(shí)候,則不可避免地出現(xiàn)“平臺(tái)現(xiàn)象”,使其解碼誤碼率無法通過提高信噪比來解決,達(dá)到解碼瓶頸。因此可以看出采用這種方法進(jìn)行導(dǎo)航電文調(diào)制對(duì)提高中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈的飛行彈道精度具有極其現(xiàn)實(shí)的意義。

圖4 不同條件下調(diào)制時(shí)對(duì)抗多徑干擾效果比較

4 結(jié)論

借助OFDM調(diào)制進(jìn)行的導(dǎo)航電文進(jìn)行二次調(diào)制,替代原有的NH二次編碼,可以有效利用串并轉(zhuǎn)化帶來的數(shù)據(jù)碼率增益,在同一個(gè)子幀時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星精確位置的接收,能夠大幅度減少導(dǎo)航電文的幀長度,從而提高中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體定位精度與速度的潛在優(yōu)勢。該調(diào)制方式帶來的導(dǎo)航電文的富余也為下一步導(dǎo)航系統(tǒng)功能與性能的提升提供了更大的發(fā)揮空間,可以作為中遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈載體新一代導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)參考。

新的導(dǎo)航電文設(shè)計(jì)方法在定位精度、資源節(jié)省和抗干擾性擁有巨大的潛在優(yōu)勢的同時(shí),也可以看到系統(tǒng)在峰均比、系統(tǒng)同步以及硬件兼容等問題有待進(jìn)一步的研究討論。而這些研究的根本則是OFDM電文設(shè)計(jì)引起的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)整,包括發(fā)射接收機(jī)的改動(dòng),地面觀測系統(tǒng)同步與協(xié)同,編解碼算法的改進(jìn)等等,從而解決OFDM系統(tǒng)引入的復(fù)雜性。但由于OFDM系統(tǒng)在通信領(lǐng)域已經(jīng)有比較成熟的應(yīng)用,進(jìn)行一定的借鑒可以獲得很好的啟發(fā)。

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Research on Navigation Message of the Medium-long Range Anti-ship Missile Based on OFDM

XIE Chunsi1,SUI Xianhui1,LI Junling2

(1 Dalian Naval Academy, Liaoning Dalian 116018, China; 2 Information and Engineering College, Dalian University, Liaoning Dalian 116622, China)

This paper improved the existing navigtion system from the perspective of navigation message design. Through the anglysis of the navigation message design of Beidou Navigation system, the paper proposed a new design of navigation message based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The new design enabled a parallel transmission of the ephemeris of all satellites by every satellites, which significantly improved the positioning speed and precision of the medium-long range anti-ship missile. It also used the limited resources of the navigation message more effectively and enhanced the anti-jamming capability of the system, which possessed both advantages and potentials beyond the existing methods. And it had a good significance to improve the flying accuracy of the medium-long range anti-ship missile.

anti-ship missile; global satellite navigation system; orthogonal frequency division multiplexing modulation; navigation message; Beidou

2015-11-12

謝春思(1966-),男,湖南漣源人,高級(jí)工程師,碩士生導(dǎo)師,博士,研究方向:艦載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。

TJ765.2

A