崔 科 李嘉穎 路 輝

(1.中國人民解放軍91395部隊，北京 102443；2.中國人民解放軍軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100141；3.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

1 引 言

羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)是美國在20世紀(jì)50年代末期為滿足軍事需要而研制的陸基遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)前全球最主要的遠(yuǎn)程高精度導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有抗干擾能力強、重復(fù)定位精度高、可靠性高、建造維護成本低等優(yōu)點，在航海、航空導(dǎo)航定位及長波授時等方面有著廣泛的應(yīng)用。同時，羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)通信能力，具有很大的應(yīng)用潛力。

羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)接收機或監(jiān)測設(shè)備的研制、維修、測試等工作需要穩(wěn)定可靠、參數(shù)可調(diào)的羅蘭C信號源產(chǎn)生信號，以檢測接收機或監(jiān)測設(shè)備的捕獲和跟蹤性能。羅蘭C系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)和功能拓展也需要可定制化的信號源。固定場所的羅蘭C信號環(huán)境基本穩(wěn)定不變，無法滿足實際工作需要。工程中，通常采用信號模擬器來解決信號源問題。現(xiàn)有羅蘭C導(dǎo)航信號模擬器的信號質(zhì)量和系統(tǒng)功能存在一些不足，如信號包周差不穩(wěn)定、不能準(zhǔn)確模擬運動目標(biāo)的定位信號等。針對這些問題，本文設(shè)計了一種基于通用計算機平臺，采用軟硬件融合的上位機、下位機架構(gòu)的羅蘭C信號模擬器，實現(xiàn)了多類型、高質(zhì)量的信號模擬。

2 羅蘭C系統(tǒng)信號簡介

羅蘭C系統(tǒng)各地面臺發(fā)射的信號都遵守規(guī)定的格式，即各臺發(fā)射的脈沖組中單個脈沖的標(biāo)準(zhǔn)特性、脈沖個數(shù)、脈沖時間間隔、脈沖載頻的相位編碼、脈沖組重復(fù)周期及臺鏈中各副臺發(fā)射信號的編碼延時等都有固定格式。

2.1 單脈沖信號

羅蘭C系統(tǒng)單個脈沖信號是由一個鐘形脈沖對100kHz的正弦信號進行調(diào)制形成，脈沖寬度為200μs左右，脈沖峰值點大約在65μs。單個脈沖信號的波形如圖1所示。

圖1 羅蘭C單脈沖信號波形圖Fig.1 Loran-C monopulse signal waveform

羅蘭C系統(tǒng)信號脈沖波形以發(fā)射天線底部的電流波形定義，天線底部電流脈沖波形的時域數(shù)學(xué)表達式為

(1)

式中：

A

——電流峰值幅度的歸一化值，單位A；

t

——工作時間，單位μs；

τ

——信號的包周差，單位μs；

P

——脈沖相位編碼參數(shù)，單位弧度，正相位編碼時取值為0，負(fù)相位編碼時取值為π。

2.2 脈沖組信號

羅蘭C系統(tǒng)以脈沖組的形式發(fā)射信號，主臺每個脈沖組有9個脈沖，前8個脈沖相互間隔1 000μs，第9個脈沖與第8個間隔為2 000μs；副臺每個脈沖組有8個脈沖，各脈沖間隔均為1 000μs。脈沖組與脈沖組的時間間隔稱為脈沖組重復(fù)周期(Group Repetition Interval，GRI)，羅蘭C系統(tǒng)通過不同GRI來標(biāo)識臺鏈，同一臺鏈內(nèi)所有發(fā)射臺的GRI相同。羅蘭C系統(tǒng)允許的GRI范圍是(40 000～99 990)μs，以10μs的整數(shù)倍做臺鏈間隔，最多可建6 000個臺鏈。通常GRI用其數(shù)值相對10μs的整數(shù)倍來表示。1個主臺和若干個副臺(至少2個)共同組成1個臺鏈。臺鏈內(nèi)各發(fā)射臺按規(guī)定順序發(fā)射信號，順序如圖2所示：主臺信號最先發(fā)射，經(jīng)時差1延遲后，第一副臺X開始發(fā)射信號，經(jīng)時差2延遲后，第二副臺Y開始發(fā)射信號，其他副臺發(fā)射信號順序以此類推。羅蘭C系統(tǒng)利用接收設(shè)備測得的主、副臺信號到達時間差(等效為距離差)根據(jù)雙曲線定位原理實現(xiàn)定位。

圖2 脈沖組重復(fù)周期及臺鏈工作時差圖Fig.2 Schematic diagram of pulse group repetition period and time difference of station chain operation

脈沖組內(nèi)各脈沖用載頻相位編碼進行排序，兩個GRI形成一個相位編碼重復(fù)周期(Pulse Code Interval，PCI)，這兩個GRI分別稱為AGRI和BGRI。羅蘭C信號相位編碼見表1。

表1 羅蘭C信號相位編碼Tab.2 Phase coding of Loran-C signal脈沖組主臺副臺AGRI++--+-+-++++++--+BGRI+--+++++-+-+-++--

3 模擬器系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 設(shè)計要求

作為檢測和測試用的信號源，羅蘭C系統(tǒng)信號模擬器需滿足如下要求。

1)能模擬產(chǎn)生波形連續(xù)、幅度可調(diào)的羅蘭C系統(tǒng)任意臺鏈導(dǎo)航信號；

2)能產(chǎn)生相互獨立、可任意組合的天波、單頻及噪聲干擾信號；

3)臺鏈GRI和臺鏈內(nèi)主、副臺時差在規(guī)定范圍內(nèi)可調(diào)，天波延時量可調(diào)；

4)模擬真實臺鏈內(nèi)運動目標(biāo)定位信號時，能提供實時參考坐標(biāo)。

根據(jù)設(shè)計需求，設(shè)定模擬器參數(shù)指標(biāo)如下。

1)系統(tǒng)輸出信號中心頻率100kHz，幅度可調(diào)；

2)設(shè)計時差工作模式。該模式下，模擬器能模擬產(chǎn)生1個主臺、2個副臺組成的臺鏈信號，臺鏈GRI值可在4 000～9 999之間任意設(shè)定，主、副臺信號時差可在(11～70)ms范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

3)設(shè)計定位工作模式。該模式下，模擬器能模擬我國“長河二號”系統(tǒng)各臺鏈覆蓋范圍內(nèi)簡單運動目標(biāo)的定位信號，并給出實時參考坐標(biāo)；

4)定位工作模式下，設(shè)計目標(biāo)的運動速度在(0～340)m/s范圍內(nèi)，速度分辨率為1m/s；

5)定位工作模式下，模擬器信號能模擬各地面臺信號功率因傳輸距離形成的差異；

6)天波干擾信號幅度、延時量可調(diào)，最小延時38μs，且天、地波信號可分離。

3.2 功能設(shè)計及實現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計需求和參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計的羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of the simulator system

3.2.1

各模塊的功能

1)參數(shù)設(shè)置模塊是模擬器的用戶交互界面，負(fù)責(zé)模擬器工作模式選擇、參數(shù)設(shè)置及輸出顯示；

2)臺鏈時差模塊負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)置的GRI和主副臺信號時差計算產(chǎn)生下位機信號控制參數(shù)；

3)導(dǎo)航定位模塊負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)初始狀態(tài)、運動模式及所選臺鏈計算下位機的信號控制參數(shù)，并在用戶交互界面上顯示目標(biāo)的實時坐標(biāo)；

4)信號環(huán)境模塊負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)置的天波、單頻干擾和噪聲信號參數(shù)計算產(chǎn)生下位機信號的控制參數(shù)；

5)數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將上位機計算的各信號控制參數(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，同時接收下位機中斷信號；

6)數(shù)據(jù)解算模塊負(fù)責(zé)將上位機下發(fā)的數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進行解析，并傳輸給下位機各功能模塊；

7)時鐘和同步復(fù)位管理模塊負(fù)責(zé)下位機FPGA和D/A板卡的時鐘同步、定時響應(yīng)及信號復(fù)位；

8)發(fā)射臺信號處理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)上位機下發(fā)的GRI、主副臺時差等參數(shù)，在系統(tǒng)時鐘控制下，依次周期產(chǎn)生主臺、副臺1、副臺2的脈沖組信號，并進行相位編碼；

9)環(huán)境信號處理模塊負(fù)責(zé)根據(jù)控制參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的天波、單頻或噪聲干擾信號；

10)定位數(shù)據(jù)反饋模塊負(fù)責(zé)定時向上位機反饋中斷信號，實現(xiàn)控制參數(shù)更新；

11)信號合成輸出模塊負(fù)責(zé)將下位機各模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行合路，并完成D/A轉(zhuǎn)換和信號輸出。

3.2.2

實現(xiàn)方法

1)上位機信號控制參數(shù)的計算

時差模式下，臺鏈、主副臺時差及環(huán)境參數(shù)由用戶自主設(shè)置，按照下位機系統(tǒng)時鐘進行相應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)換。

導(dǎo)航模式下，信號控制參數(shù)計算主要涉及目標(biāo)與臺鏈內(nèi)各發(fā)射臺距離的計算、坐標(biāo)更新計算和目標(biāo)運動狀態(tài)下信號控制參數(shù)的計算，即需要解決地球表面任意兩點的最短距離問題、運動目標(biāo)坐標(biāo)更新問題和信號頻率生成問題。

本設(shè)計采用了導(dǎo)航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的Andoyer-Lambert公式解決地球表面任意兩點的最短距離問題。Andoyer-Lambert公式計算速度快，精度高，能夠滿足羅蘭C系統(tǒng)導(dǎo)航定位的要求。

本設(shè)計通過建立站心坐標(biāo)系，在下位機中斷信號周期控制下，根據(jù)目標(biāo)運動速度、運動方向、目標(biāo)位置對應(yīng)的子午線弧曲率半徑、平行圈半徑等參數(shù)進行目標(biāo)坐標(biāo)位置的更新計算。

本設(shè)計采用直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)技術(shù)解決信號頻率生成問題。DDS技術(shù)工作原理如圖4所示。在參考時鐘控制下，通過相位累加器累加頻率控制字

K

得到信號相位值，然后利用信號波形查找表得到信號波形幅度的數(shù)字量信號，通過D/A轉(zhuǎn)換、濾波后產(chǎn)生要求的波形信號。DDS技術(shù)的輸出信號公式為

f

=

K

×

f

/

2

(2)

式中：

f

——輸出信號頻率；

K

——頻率控制字；2——查找表中信號波形相位值的個數(shù)(與速度分辨率指標(biāo)有關(guān))；

f

——參考時鐘頻率。

圖4 DDS技術(shù)工作原理框圖Fig.4 Working principle diagram of DDS Technology

在輸出信號頻率和目標(biāo)運動速度已知的情況下，根據(jù)多普勒頻移公式和DDS輸出信號公式，上位機計算得到目標(biāo)運動時接收信號對應(yīng)的頻率控制字，進而由下位機產(chǎn)生相應(yīng)信號；

2)產(chǎn)生羅蘭C系統(tǒng)信號波形。根據(jù)羅蘭C單個脈沖波形數(shù)學(xué)表達式，利用Matlab工具軟件，分別生成1/4正弦波和單脈沖包絡(luò)的采樣數(shù)據(jù)，存入FPGA內(nèi)部的ROM中，通過FPGA編程產(chǎn)生各發(fā)射臺的羅蘭C導(dǎo)航信號；

3)產(chǎn)生環(huán)境信號波形，利用Matlab工具軟件產(chǎn)生數(shù)字白噪聲采樣數(shù)據(jù)，存入FPGA內(nèi)部的ROM中，可產(chǎn)生噪聲信號；天波干擾信號由各地面臺信號延時產(chǎn)生；單頻干擾信號由存入FPGA內(nèi)部的ROM中的1/4正弦波采樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

3.3 硬件平臺

羅蘭C系統(tǒng)模擬器硬件平臺采用上位機、下位機的系統(tǒng)架構(gòu)，以一臺通用計算機為上位機，以一塊FPGA板卡和一塊D/A板卡為下位機，上、下位機通過PCIE總線進行數(shù)據(jù)通信，由濾波放大器對輸出信號進行整體濾波放大處理。系統(tǒng)的硬件框圖如圖5所示。

圖5 羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)模擬器硬件框圖Fig.5 Hardware diagram of Loran-C navigation system simulator

通用計算機在Windows操作系統(tǒng)下工作，人機交互方便、軟件開發(fā)靈活，且計算機系統(tǒng)外設(shè)及接口豐富，能夠滿足不同數(shù)據(jù)傳輸方式的需求。FPGA作為可編程的硬件開發(fā)平臺，具有開發(fā)周期短、算法更新快的特點。采用通用計算機和FPGA板卡這種上、下位機系統(tǒng)架構(gòu)的模擬器具有功能豐富、信號實時、開發(fā)靈活、升級方便等優(yōu)點，且其研發(fā)成本也相對較低。

4 模擬信號驗證

模擬器上位機在通用計算機上采用VS2008平臺開發(fā)，下位機FPGA芯片采用Xilinx XC7K410T，基于ISE14.7平臺設(shè)計。模擬器系統(tǒng)用戶界面如圖6所示。

圖6 模擬器用戶交互界面圖Fig.6 User interface of the simulator

將模擬器輸出的模擬信號接入Tektronix TDS5054B示波器，捕捉的單脈沖信號波形如圖7所示，脈沖寬度200μs。模擬器設(shè)計時設(shè)定用戶運動速度不超過340m/s，相對系統(tǒng)100kHz的載頻和特殊的脈沖信號格式，用戶運動產(chǎn)生的多普勒頻移極小(不超過0.1Hz)，在示波器上看不出明顯差異。

圖7 單脈沖信號波形圖Fig.7 Monopulse signal waveform

時差模式下，設(shè)置GRI為6000，主、副臺信號時差分別為15ms和35ms，模擬器輸出信號波形如圖8所示。

圖8 時差模式脈沖組波形圖Fig.8 The pulse group waveform of time difference mode

定位模式下，接收設(shè)備在北緯10°、東經(jīng)110°處接收南海鏈信號，信號波形如圖9所示。左側(cè)脈沖組依次為賀縣、饒平、崇左三個信號臺發(fā)射的信號，由于接收設(shè)備距三個地面臺的距離不同，各脈沖組信號幅度有相應(yīng)差異。

圖9 定位模式脈沖組信號波形圖Fig.9 The pulse group waveform of positioning mode

疊加天波信號的羅蘭C單脈沖信號在波形和持續(xù)時長上會發(fā)生變化，圖10、圖11分別是模擬疊加了39μs和45μs天波信號延時的單脈沖信號波形。

在示波器上，羅蘭C信號受環(huán)境噪聲(白噪聲)影響和受單頻干擾影響的信號波形基本相同，波形如圖12所示。

將經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的羅蘭C模擬器信號接入頻譜分析儀，設(shè)置頻譜分析儀中心頻率為100kHz，頻寬為40kHz時的信號頻譜如圖13所示，疊加單頻98kHz干擾時的信號頻譜如圖14所示。

圖10 天波延時39μs的單脈沖信號波形圖Fig.10 Monopulse signal waveform with skywave delay 39μs

圖11 天波延時45μs的單脈沖信號波形圖Fig.11 Monopulse signal waveform with skywave delay 45μs

圖12 疊加噪聲干擾的脈沖組信號波形圖Fig.12 Pulse group signal waveform with noise interference

圖13 羅蘭C脈沖組信號頻譜圖Fig.13 Spectrum of Loran-C pulse group signal

圖14 疊加98kHz單頻干擾的信號頻譜圖Fig.14 Spectrum of Loran-C pulse group signal with 98kHz interference

5 定位效果驗證

為檢測模擬器信號定位效果，實驗?zāi)M產(chǎn)生了我國“長河二號”系統(tǒng)15個坐標(biāo)點的定位信號，利用北京航空航天大學(xué)自研接收設(shè)備進行信號的接收和處理，定位結(jié)果見表2。實驗表明，模擬信號坐標(biāo)與接收機定位坐標(biāo)距離偏差平均為69.82m，標(biāo)準(zhǔn)差為70.25m，模擬信號符合羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度的要求。

表2 模擬器信號定位實驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of localization序號臺鏈模擬位置坐標(biāo)接收設(shè)備定位坐標(biāo)距離偏差(m)13345北海鏈38°N,138°E37.999 992 25°N,137.999 271 47°E63.9144°N,115°E43.999 508 68°N,115.000 741 86°E80.7537°N,110°E36.999 963 72°N,110.001 164 72°E103.6330°N,132°E29.999 735 13°N,132.000 308 98°E41.9136°N,127°E36.000 051 54°N,126.999 967 99°E6.426789101112131415東海鏈南海鏈31°N,134°E30.999 725 04°N,134.000 426 20°E50.9023°N,130°E23.000 349 93°N,129.999 562 50°E59.3928°N,108°E28.000 003 67°N,108.000 487 37°E47.9037°N,109°E37.000 063 37°N,109.000 096 23°E11.0931°N,123°E30.999 987 23°N,122.999 938 25°E6.0633°N,102°E33.001 563 33°N,101.999 600 06°E177.9928°N,125°E28.000 467 44°N,125.002 666 03°E267.1611°N,121°E11.000 357 76°N,120.999 804 52°E45.1913°N,103°E13.000 645 19°N,103.000 086 29°E72.4320°N,112°E20.000 112 25°N,112.000 010 90°E12.55

6 結(jié)束語

本文根據(jù)羅蘭C系統(tǒng)信號的特點，利用軟件無線電思想，設(shè)計實現(xiàn)了一種羅蘭C導(dǎo)航信號模擬器。該模擬器具有定位和時差工作模式，能夠較好模擬我國“長河二號”系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的動目標(biāo)定位信號、任意臺鏈信號及干擾環(huán)境信號。模擬器具有較強的通用性、可靠性和升級擴展能力。實驗表明模擬器產(chǎn)生的信號能夠被接收機識別并實現(xiàn)定位，各功能參數(shù)達到設(shè)計要求，滿足實際應(yīng)用需要。