陳俊喆

基于梳狀濾波器的羅蘭C交叉干擾抑制技術(shù)研究

陳俊喆

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

羅蘭C信號(hào)在多臺(tái)鏈信號(hào)覆蓋區(qū)域受到的交叉干擾直接影響其導(dǎo)航定位與定時(shí)精度。針對(duì)當(dāng)前周期積累等方法的不足，采用梳狀濾波器對(duì)數(shù)字采樣后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字前端預(yù)處理，通過仿真驗(yàn)證了該方法的有效性和抗干擾能力。基于該方法開展了實(shí)際信號(hào)接收，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性。

羅蘭C；交叉干擾；梳狀濾波器

0 引言

近年來，隨著羅蘭C授時(shí)技術(shù)的發(fā)展，跨臺(tái)鏈多臺(tái)信號(hào)授時(shí)技術(shù)為羅蘭C導(dǎo)航定位精度提升提供了新的思路。多臺(tái)鏈導(dǎo)航授時(shí)的精度更高，覆蓋范圍更廣，消除了定位不連續(xù)性，使得羅蘭C接收技術(shù)應(yīng)用變得更加可靠[1]。然而臺(tái)鏈之間信號(hào)的交叉干擾一直是羅蘭C信號(hào)接收中存在的老問題，多臺(tái)鏈信號(hào)的交叉干擾互相之間影響對(duì)方臺(tái)鏈的導(dǎo)航授時(shí)精度，采用周期積累法[2]應(yīng)對(duì)多臺(tái)鏈接收越來越不能滿足實(shí)際使用需求[3]。國(guó)外提出采用新的相位編碼方式[4]，但當(dāng)前條件下很難進(jìn)行發(fā)射信號(hào)格式的改變。為了應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，有必要對(duì)交叉干擾進(jìn)行進(jìn)一步分析研究，以便提供一種新的解決方式，滿足實(shí)際需要。

1 交叉干擾成因

1.1 羅蘭C信號(hào)體制

羅蘭C信號(hào)是由羅蘭C脈沖信號(hào)所組成。羅蘭C脈沖信號(hào)是載波頻率100 kHz、長(zhǎng)度約為250 μs的水滴狀波形。如圖1所示。

羅蘭C信號(hào)分為主臺(tái)信號(hào)和副臺(tái)信號(hào)，主臺(tái)信號(hào)由8個(gè)間隔1 ms和1個(gè)間隔2 ms的羅蘭C脈沖信號(hào)所組成；副臺(tái)信號(hào)僅由8個(gè)間隔1 ms的羅蘭C脈沖信號(hào)所組成[5]。如圖2所示。

圖1 歸一化羅蘭C脈沖波形

對(duì)于一個(gè)羅蘭C發(fā)射臺(tái)鏈，存在一個(gè)主臺(tái)和多個(gè)副臺(tái)。每一個(gè)臺(tái)鏈都有一個(gè)獨(dú)一無二的發(fā)播周期，同一臺(tái)鏈內(nèi)的發(fā)射臺(tái)均以該周期發(fā)播信號(hào)，該周期稱為脈沖組重復(fù)周期（Group Repetition Interval，GRI）。主副臺(tái)信號(hào)的播發(fā)根據(jù)固定的時(shí)間間隔統(tǒng)一發(fā)送，先主臺(tái)，后副臺(tái)。

1.2 交叉干擾覆蓋范圍

出于三方面原因：一是不同臺(tái)鏈脈沖組發(fā)射間隔周期不同；二是發(fā)射臺(tái)鏈建設(shè)初期選址的限制；三是近年來羅蘭C接收機(jī)接收性能的逐步提升，導(dǎo)致不同臺(tái)鏈發(fā)射信號(hào)的覆蓋范圍存在重疊。這時(shí)就表現(xiàn)為羅蘭C信號(hào)接收時(shí)出現(xiàn)的信號(hào)重疊或覆蓋，即交叉干擾現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 北海臺(tái)鏈交叉干擾覆蓋區(qū)

如圖3～圖5所示，分別為北海臺(tái)鏈、東海臺(tái)鏈和南海臺(tái)鏈在最低30 dBμV/m信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)條件下，信干比在-12 dB以下的交叉干擾信號(hào)覆蓋區(qū)域，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)和信干比的不同，交叉覆蓋范圍能達(dá)數(shù)百萬(wàn)平方公里。因此其影響是非常顯著的。

1.3 交叉干擾信號(hào)規(guī)律

根據(jù)羅蘭C信號(hào)的特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)交叉干擾現(xiàn)象存在以下四條規(guī)律：

1）對(duì)于同一個(gè)發(fā)射臺(tái)鏈的羅蘭C信號(hào)，在正常發(fā)播條件下，主副臺(tái)互相之間不會(huì)出現(xiàn)交叉干擾現(xiàn)象；

2）對(duì)于不同的臺(tái)鏈，總會(huì)存在一個(gè)不同臺(tái)鏈的最小公倍數(shù)周期；

3）存在最小公倍數(shù)周期為

熒光光譜法是一種可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)以及熒光成分不同的植物油的方法，這種方法不必制備大量的樣品，有較高的靈敏度和選擇性。方慧敏[18]辨別芝麻油、花生油和菜籽油主要通過同步熒光圖和三維熒光等高線譜圖結(jié)合的方法，但能夠發(fā)熒光的物質(zhì)較少，易受溫度等其他條件影響。

在固定點(diǎn)接收某一個(gè)臺(tái)鏈的信號(hào)，其他臺(tái)鏈信號(hào)在該臺(tái)鏈信號(hào)接收時(shí)刻存在固定周期性干擾；

4）在不同位置接收點(diǎn)接收同一個(gè)的信號(hào)，受到同一干擾帶來的周期性相同，但干擾的效果不同，取決于干擾信號(hào)的幅度和相位超前或滯后程度。

2 交叉干擾處理方法

2.1 周期積累法

基于點(diǎn)規(guī)律，傳統(tǒng)接收機(jī)在處理交叉干擾時(shí)，通過周期積累法增強(qiáng)同周期信號(hào)功率，可以在一定程度上提升信干比，提高信號(hào)搜索識(shí)別的概率。然而基于點(diǎn)規(guī)律，從較長(zhǎng)時(shí)間周期來看，總的信干比是一定的。

為了增加接收信號(hào)中目標(biāo)信號(hào)的出現(xiàn)概率，減少交叉干擾信號(hào)出現(xiàn)的概率，可以采用周期積累法。以目標(biāo)信號(hào)的作為取樣周期，每個(gè)周期的數(shù)據(jù)組與前一組經(jīng)過對(duì)位求和的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)位求和，得到新一組求和數(shù)據(jù)。這樣的周期疊加增強(qiáng)了對(duì)位信號(hào)的電平，將不同周期的交叉干擾信號(hào)能量分散到取樣周期的全部范圍，降低了交叉干擾的影響，提高了信干比。

該方法是當(dāng)前最常使用的方法，具有邏輯簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)。但最大的問題是需要較長(zhǎng)的積累時(shí)間，同時(shí)數(shù)據(jù)不能有效利用，占據(jù)較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

2.2 干擾剔除法

基于點(diǎn)規(guī)律，有部分的羅蘭接收機(jī)采用基于干擾剔除的原理進(jìn)行交叉干擾抑制。通過對(duì)接收信號(hào)的長(zhǎng)期觀察及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)接收信號(hào)的判定分為兩種[6]：

1）在交叉干擾信號(hào)周期性出現(xiàn)的時(shí)段剔除其波形；

2）產(chǎn)生精確對(duì)位的反相波形疊加到干擾信號(hào)上。

兩種方法的使用中都需結(jié)合脈沖波形包絡(luò)特性、幅頻特性等進(jìn)行初步識(shí)別，再根據(jù)一定的判別門限進(jìn)行選擇。

但使用上述方法的前提條件是用戶為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的固定站點(diǎn)?；邳c(diǎn)規(guī)律，運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)會(huì)導(dǎo)致未知的相位超前或滯后，即使對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，交叉干擾的相位也會(huì)發(fā)生不確定性的變化，其短期的數(shù)據(jù)積累并不具備有效的統(tǒng)計(jì)特性。

2.3 梳狀濾波器法

以四條規(guī)律作為約束條件，研究新的濾波方式抑制干擾的周期信號(hào)，可以起到有用的效果。使用梳狀濾波器作為交叉干擾抑制處理的方法可以在靜態(tài)或低速狀態(tài)下做到這種效果。

梳狀濾波器的傳遞函數(shù)如下：

信號(hào)流圖如圖6所示。

圖6 梳狀濾波器的信號(hào)流圖

其頻率響應(yīng)如式（3）所示：

其差分方程如式（4）所示：

其幅度響應(yīng)示意圖如圖7所示。

圖7 梳狀濾波器的幅頻特性示意圖

3 仿真分析

圖8 梳狀濾波收斂示意圖

4 實(shí)測(cè)分析

在西安使用梳狀濾波器接收南海臺(tái)鏈的信號(hào)，來克服東海臺(tái)鏈、北海臺(tái)鏈及陜西蒲城BPL信號(hào)臺(tái)交叉干擾信號(hào)的問題。蒲城臺(tái)距離西安不超過 100 km，其作為最主要的干擾信號(hào)帶來至少40 dB的干擾，直接導(dǎo)致接收機(jī)無法準(zhǔn)確識(shí)別南海臺(tái)鏈信號(hào)。傳統(tǒng)的方法是使用剔除法和周期積累法，不僅搜索時(shí)間長(zhǎng)，而且靈敏度不夠，很難及時(shí)對(duì)瞬時(shí)變化的信號(hào)作出反應(yīng)。采用梳狀濾波器后對(duì)比如圖9所示。藍(lán)色為實(shí)際采樣信號(hào)，南海臺(tái)鏈信號(hào)幾乎完全淹沒在干擾之中，傳統(tǒng)方法無法準(zhǔn)確識(shí)別；黃色為梳狀濾波后的波形，可以明顯看見臺(tái)鏈三個(gè)臺(tái)近似圖的波形。信干比提升20～40 dB，極大地改善了信號(hào)識(shí)別能力。

采用傳統(tǒng)周期積累法和梳狀濾波器方法分別對(duì)南海臺(tái)鏈的主—副1臺(tái)時(shí)差TDX和主—副2臺(tái)時(shí)差TDY進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于白天采用周期積累法監(jiān)測(cè)信號(hào)困難，因此在晚上干擾較小、信號(hào)較強(qiáng)的時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)和兩種方法的對(duì)比。對(duì)兩組時(shí)差的測(cè)量約2個(gè)小時(shí)，兩組值均減去了各自的測(cè)量均值。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)南海臺(tái)鏈時(shí)差監(jiān)測(cè)的統(tǒng)計(jì)（單位：μs）

圖11 南海臺(tái)鏈時(shí)差TDY測(cè)量?jī)尚r(shí)波動(dòng)量

通過使用梳狀濾波器，大大改善了信號(hào)的搜索能力，搜索速度更快，在交叉干擾較嚴(yán)重的條件下，將傳統(tǒng)周期積累法需要5～10 min的搜索時(shí)間壓縮到30 s。時(shí)差測(cè)量穩(wěn)定度進(jìn)一步提升，采用周期積累法，通過每100組GRI進(jìn)行一次周期積累進(jìn)而獲得時(shí)差值，如圖10和圖11單點(diǎn)所示。同時(shí)使用梳狀濾波器進(jìn)行測(cè)量獲得時(shí)差值，如圖10和圖11折線所示?？梢悦黠@看出采用梳狀濾波器方法時(shí)，時(shí)差測(cè)量更加穩(wěn)定，更適合固定點(diǎn)的信號(hào)監(jiān)測(cè)使用。

5 結(jié)論

本文針對(duì)羅蘭C信號(hào)交叉干擾問題進(jìn)行了分析，提出一種以梳狀濾波器抑制交叉干擾的方法，通過仿真分析了其幅度響應(yīng)和幅度收斂特性。通過接收實(shí)際監(jiān)測(cè)信號(hào)作對(duì)比分析，在相同時(shí)間內(nèi)，將交叉干擾抑制的能力提升了20 dB，使接收機(jī)具備信號(hào)快速響應(yīng)能力和更高的搜索識(shí)別精度，逐步擺脫對(duì)周期積累方式的依賴，能滿足新一代羅蘭接收機(jī)的設(shè)計(jì)需要。

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Cross-Rate Interference Suppression Technology in Loran-C Based on Comb Filter

CHEN Junzhe

The cross-rate interference of Loran-C signal in the area covered by multiple chain signals directly affects its navigation positioning and timing accuracy. Aiming at the deficiency of the current periodic accumulation method, the comb filter is used to preprocess the digital signal after digital sampling, and effectiveness and anti-interference ability of the method are verified by simulation. The practical signal receiving is carried out based on this method, and the practicability of this method is verified.

Loran-C; Cross-Rate Interference; Comb Filter

TN919.2

A

1674-7976-(2022)-01-041-05

2021-12-16。

陳俊喆（1990.07—），陜西西安人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殛懟L(zhǎng)波導(dǎo)航。