饒 俊

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)具有對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和數(shù)據(jù)傳輸功能。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由機(jī)上載荷和控制站兩部分組成[1]。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向的不同，測(cè)控信號(hào)可分為上行鏈路和下行鏈路，上行鏈路主要用于在地面控制站與無(wú)人機(jī)之間傳送遙控指令，下行鏈路則主要完成無(wú)人機(jī)至地面終端的遙測(cè)數(shù)據(jù)以及任務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，與此同時(shí)還要利用上下行鏈路實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。無(wú)人機(jī)上下行鏈路的帶寬是不對(duì)稱的，上行是窄帶鏈路，下行是寬帶鏈路。因此，非相干測(cè)距技術(shù)成為當(dāng)前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用最多的技術(shù)體制[2]。非相干測(cè)距需要地面機(jī)上同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，還需要經(jīng)過(guò)下行鏈路將機(jī)上測(cè)量的數(shù)據(jù)傳回到地面，所以下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼和下行數(shù)傳信號(hào)的到達(dá)定時(shí)精度直接影響測(cè)距的精度。傳統(tǒng)的非相干測(cè)距方法沒有考慮多徑衰落的影響，而無(wú)人機(jī)經(jīng)常飛行在低仰角多徑環(huán)境下，多徑衰落信號(hào)對(duì)下行寬帶信號(hào)的傳輸性能造成了影響，單載波頻域均衡(Single-Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)技術(shù)能有效地對(duì)抗頻率選擇性衰落[3]，提高無(wú)人機(jī)在多徑衰落信道下的傳輸性能，從而提高無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的可用性和測(cè)距精度。

本文提出并設(shè)計(jì)了一種抗多徑效應(yīng)的非相干無(wú)人機(jī)測(cè)距方案，通過(guò)仿真驗(yàn)證了方案能有效提高系統(tǒng)測(cè)距精度，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

2 工作原理

2.1 非相干測(cè)距工作原理

非相干測(cè)距原理如圖1所示。非相干測(cè)距時(shí)，機(jī)上獨(dú)立形成下行測(cè)距標(biāo)志，與收到的上行測(cè)量幀頭并不對(duì)齊[4]，這是其與相干測(cè)距的區(qū)別。

圖1 非相干測(cè)距工作示意圖Fig.1 Working diagram of incoherent ranging

地面站在Tcs時(shí)刻發(fā)送定時(shí)標(biāo)簽為N的遙控幀，機(jī)上在Tcr時(shí)刻接收到定時(shí)標(biāo)簽為N的遙控幀。經(jīng)過(guò)td時(shí)間后，機(jī)上在Tms時(shí)刻發(fā)送定時(shí)標(biāo)簽為M的數(shù)傳幀，地面在Tmr時(shí)刻接收到數(shù)傳幀M。地面在遙控發(fā)射時(shí)刻到數(shù)傳接收時(shí)刻的時(shí)延包括機(jī)上收到遙控幀到發(fā)出數(shù)傳幀的時(shí)延以及雙向傳輸時(shí)間，則單向傳輸時(shí)間和距離分別為

ttr=[(Tmr-Tcs)-(Tms-Tcr)]/2,

(1)

R=ttr·C 。

(2)

式中：R為距離，C為光速。

由非相干測(cè)距的原理可知，非相干測(cè)距系統(tǒng)地面和機(jī)上都需要定時(shí)測(cè)量，測(cè)量的關(guān)鍵就是找到遙控、數(shù)傳信號(hào)的發(fā)射和接收參考點(diǎn)。

2.2 SC-FDE工作原理

SC-FDE系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 SC-FDE系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working diagram of SC-FDE system

在普通的頻域均衡系統(tǒng)中頻域均衡與信道譯碼是兩個(gè)獨(dú)立的部分，信息沒有充分交互利用，導(dǎo)致解調(diào)門限偏高。為了解決這一問題，可以采用均衡與譯碼聯(lián)合迭代技術(shù)，將譯碼器輸出的軟信息反饋給均衡器，并通過(guò)多次迭代，在均衡器和譯碼器之間充分交換信息以獲得性能上的提高。迭代均衡的工作原理如圖3所示。

圖3 迭代均衡工作圖Fig.3 Working diagram of iterative equalization

根據(jù)圖3，實(shí)現(xiàn)時(shí)采用4次迭代均衡，在得到頻域數(shù)據(jù)和頻域的信道估計(jì)結(jié)果后，進(jìn)行第一次均衡，由于此時(shí)沒有譯碼完之后的軟信息，因此第一次均衡相當(dāng)于一次MMSE均衡。之后的每次均衡都需要用到軟信息并重新計(jì)算前、后向?yàn)V波器的系數(shù)進(jìn)行均衡。譯碼完成后，對(duì)輸出的硬判決信息進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若CRC校驗(yàn)正確，輸出硬判決比特信息；若CRC校驗(yàn)失敗，輸出軟信息，返回給均衡器進(jìn)行下一次迭代均衡，最多不超過(guò)4次迭代。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 遙控幀發(fā)射參考點(diǎn)的選擇

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的上行鏈路采用具有抗干擾特性的偽碼擴(kuò)頻體制[5]，因無(wú)人機(jī)系統(tǒng)要求快速建立測(cè)控鏈路，而采用的偽碼周期一般都較短，靠偽碼不能解距離模糊，所以需要利用遙控幀解決距離模糊問題。采用位同步環(huán)接收遙控幀，位同步環(huán)的精度與遙控幀的速率有關(guān)。由于遙控幀的速率較低，利用接收到的遙控幀幀頭作為上行測(cè)量幀到達(dá)定時(shí)，精度不能滿足要求，所以可利用遙控幀到達(dá)作為粗同步定時(shí)，同時(shí)利用實(shí)時(shí)擴(kuò)頻碼相位作為精同步定時(shí)。為了提取粗同步和精同步定時(shí)標(biāo)簽，要求遙控幀的時(shí)鐘由碼鐘產(chǎn)生，遙控幀在定時(shí)到達(dá)時(shí)，在最近的偽碼周期脈沖的位置發(fā)出，保證信息鐘相位的連續(xù)性且可利用偽碼的周期脈沖提高位同步環(huán)的精度。偽碼速率、遙控碼速率和偽碼周期須滿足以下關(guān)系：

fp=a·fr，

(3)

2n-1=a·b。

(4)

式中：fp為偽碼速率，fr為遙控碼速率，n為偽碼位數(shù),a、b為任意整數(shù)。

按式(3)和式(4)要求設(shè)計(jì)遙控幀的速率和發(fā)送時(shí)刻。遙控幀的發(fā)送時(shí)刻和偽碼的時(shí)間關(guān)系如圖4所示。

圖4 遙控幀發(fā)送時(shí)刻和偽碼的關(guān)系圖Fig.4 Relation between remote control frame′s end time and pseudo-random code

無(wú)人機(jī)的遙控幀一般為定時(shí)發(fā)送，遙控幀的發(fā)送周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偽碼周期，當(dāng)遙控幀定時(shí)到達(dá)時(shí)，在最近的偽碼周期到達(dá)時(shí)候發(fā)送，每位遙控?cái)?shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間可以發(fā)送a位偽碼。

3.2 遙控幀接收參考點(diǎn)的選擇

根據(jù)圖4中遙控幀發(fā)送時(shí)刻和偽碼的時(shí)間關(guān)系，機(jī)上在收到遙控幀的幀脈沖信息時(shí)，找到最近的偽碼周期脈沖，如圖5所示，當(dāng)解調(diào)的幀脈沖到達(dá)后，查找離幀脈沖最近的偽碼周期脈沖，如圖5中的黑色粗線脈沖，此脈沖則為遙控幀到達(dá)的定時(shí)參考點(diǎn)Tcr，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)測(cè)量，在數(shù)傳發(fā)送時(shí)刻結(jié)束計(jì)時(shí)，測(cè)量出遙控幀到達(dá)至數(shù)傳幀發(fā)出的時(shí)延。

圖5 遙控幀接收參考點(diǎn)的提取示意圖Fig.5 Extraction diagram of remote control frame′s receiving reference point

3.3 數(shù)傳幀的發(fā)送參考點(diǎn)

機(jī)上的數(shù)傳信號(hào)采用定時(shí)發(fā)送，周期較快，在數(shù)傳信號(hào)發(fā)送時(shí)刻Tms完成定時(shí)測(cè)量，記錄下當(dāng)前數(shù)傳幀序號(hào)、遙控幀序號(hào)以及定時(shí)測(cè)量的結(jié)果，將結(jié)果插入到數(shù)傳幀中發(fā)送。

3.4 數(shù)傳幀的接收參考點(diǎn)

數(shù)傳信號(hào)傳輸采用SC-FDE技術(shù)[6]，信息速率一般都在2 Mbit/s以上，數(shù)傳幀幀同步頭的提取需通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行下變頻、匹配濾波、同步、均衡、解交織和譯碼。根據(jù)圖2所示的均衡工作原理可知信號(hào)迭加均衡的次數(shù)不確定，所以時(shí)延不確定，均衡后的數(shù)據(jù)到達(dá)不能作為數(shù)傳信號(hào)的到達(dá)定時(shí)，只能選信號(hào)同步作為到達(dá)定時(shí)。而同步頭和信息幀同時(shí)組幀調(diào)制輸出，所以信號(hào)的空間傳輸時(shí)延和數(shù)傳幀的空間傳輸時(shí)延相同，則以地面完成數(shù)傳信號(hào)同步后的時(shí)間點(diǎn)作為數(shù)傳幀的到達(dá)標(biāo)志。

信號(hào)同步模塊的實(shí)現(xiàn)[7]包括到達(dá)檢測(cè)、頻偏估計(jì)、定時(shí)跟蹤、內(nèi)插器和分隔符檢測(cè),處理流程如圖6所示。

圖6 同步模塊實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.6 Implementation diagram of synchronization module

整個(gè)同步模塊的流程，首先是進(jìn)行到達(dá)檢測(cè)，在到達(dá)檢測(cè)完成后，同時(shí)進(jìn)行頻偏估計(jì)和定時(shí)跟蹤；當(dāng)頻偏估計(jì)完成時(shí)，將頻偏估計(jì)值輸送到頻偏補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償；頻偏補(bǔ)償后進(jìn)行內(nèi)插，最后完成分隔符檢測(cè)。

同步段采用多個(gè)級(jí)聯(lián)的偽碼序列作為訓(xùn)練序列[8]，主要利用偽碼序列良好的自相關(guān)特性完成到達(dá)檢測(cè)、頻偏估計(jì)、定時(shí)跟蹤等一系列操作,當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測(cè)檢測(cè)到有n個(gè)偽碼序列到達(dá)時(shí)，則認(rèn)為到達(dá)檢測(cè)完成，所以到達(dá)檢測(cè)的延時(shí)為固定的n個(gè)偽碼序列。

到達(dá)檢測(cè)處理完后，將捕獲到的頻點(diǎn)前饋至頻偏補(bǔ)償模塊，頻偏補(bǔ)償模塊根據(jù)捕獲到的頻率對(duì)數(shù)據(jù)做頻偏補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)頻偏補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)會(huì)被送入頻偏估計(jì)模塊對(duì)剩余頻偏進(jìn)行頻偏精估計(jì)處理，因此這里也稱頻偏估計(jì)為頻率精估計(jì)。頻偏估計(jì)輸出頻率為精估頻率，捕獲頻率為粗估頻率。

頻偏估計(jì)需要用m個(gè)偽碼序列，因此經(jīng)過(guò)m個(gè)偽碼序列的時(shí)間后，頻率估計(jì)模塊已經(jīng)完成了它的數(shù)據(jù)相關(guān)積分，此時(shí)已保存好了m個(gè)序列，用于后面的定時(shí)估計(jì)。定時(shí)估計(jì)利用m個(gè)序列完成估計(jì)，所以固定延時(shí)m個(gè)序列。定時(shí)估計(jì)完后，會(huì)將估計(jì)出來(lái)的定時(shí)偏差反饋至內(nèi)插器進(jìn)行偏差修正，并開始進(jìn)行分隔符檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到設(shè)定的符號(hào)序列后，則完成了所有同步估計(jì)。

整個(gè)同步過(guò)程的延時(shí)為固定值，所以可從到達(dá)檢測(cè)、定時(shí)跟蹤和分隔符檢測(cè)后提取數(shù)傳信號(hào)到達(dá)時(shí)刻。如果利用到達(dá)檢測(cè)完成標(biāo)志作為定時(shí)標(biāo)志，由于到達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)的步進(jìn)為0.5 chip，所以到達(dá)檢測(cè)都會(huì)存在的時(shí)間誤差為

(5)

定時(shí)跟蹤是利用開環(huán)[9]來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用的是早遲門同步的方法，它內(nèi)部有兩個(gè)積分時(shí)間相同的積分器，兩個(gè)積分器輸出的絕對(duì)值之差作為接收機(jī)符號(hào)定時(shí)誤差的度量。由于定時(shí)跟蹤的處理步進(jìn)是0.25 chip，所以精度比到達(dá)檢測(cè)的精度高。同時(shí)還要進(jìn)行多次的相關(guān)積分，得到多次的鑒相結(jié)果，然后取其平均作最后的鑒相結(jié)果，即

(6)

式中：N取用于頻偏估計(jì)的序列個(gè)數(shù)。

在多次相關(guān)積分后，定時(shí)跟蹤的誤差為

(7)

根據(jù)式(2)中距離與時(shí)間的關(guān)系，定時(shí)誤差越小，距離誤差越小，所以定時(shí)誤差作為數(shù)傳信號(hào)的到達(dá)定時(shí)帶來(lái)的距離誤差更小。

3.5 時(shí)延的測(cè)量

機(jī)上接收到遙控信號(hào)后進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)、幀同步，收到遙控幀幀頭時(shí)為機(jī)上定時(shí)測(cè)量開始的標(biāo)志，再利用數(shù)傳定時(shí)發(fā)送時(shí)刻對(duì)遙控信號(hào)采樣，提取位計(jì)數(shù)nup1、擴(kuò)頻偽碼計(jì)數(shù)mup1、碼相位φup1，插入到數(shù)傳幀中發(fā)送到地面；地面從遙控幀發(fā)出時(shí)啟動(dòng)定時(shí)測(cè)量，在數(shù)傳信號(hào)到達(dá)的參考點(diǎn)記錄遙控信號(hào)的位數(shù)nup2、偽碼個(gè)數(shù)mup2和碼相位φup2。由式(1)可知，機(jī)上和地面的時(shí)延為

(8)

(9)

式中：Tms-Tcr為機(jī)上收到遙控幀到發(fā)出數(shù)傳信號(hào)的延時(shí)，Tmr-Tcs為地面發(fā)出遙控幀到收到數(shù)傳信號(hào)的延時(shí)，fr為遙控碼速率，fp為偽碼速率。

根據(jù)式(3)中遙控碼速率和偽碼速率關(guān)系可得到機(jī)上和地面的時(shí)延為

(10)

(11)

由式(1)和式(2)可得到距離

(12)

4 仿真分析

4.1 定時(shí)跟蹤誤差

在萊斯衰落信道，兩徑時(shí)延為[0,2.5]μs，能量為[0,-6]dB條件下，定時(shí)跟蹤的誤差仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 定時(shí)跟蹤誤差曲線圖Fig.7 Timing tracking error curve

從圖7可看出，當(dāng)信噪比高于4 dB時(shí)，定時(shí)誤差在0.05 chip內(nèi)的概率在97%以上；在AWGN條件下，信噪比大于4 dB時(shí)，定時(shí)誤差在0.05 chip內(nèi)的概率在98%以上，所以利用定時(shí)跟蹤結(jié)束作為測(cè)距定時(shí)標(biāo)志可提高下行信息幀同步的精度。根據(jù)式(2)可知，由下行數(shù)傳接收參考點(diǎn)引起的最大誤差為

(13)

所以在信息速率為2 Mbit/s情況下，由下行數(shù)傳接收參考點(diǎn)引起的最大誤差小于7.5 m。當(dāng)信息速率越高時(shí)，測(cè)距誤差越小，滿足無(wú)人機(jī)系統(tǒng)要求的精度。

4.2 誤碼分析

由于本測(cè)距方法需要地面和機(jī)上同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù),還需要經(jīng)過(guò)下行鏈路將機(jī)上測(cè)量的數(shù)據(jù)傳回到地面,所以下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼直接影響測(cè)距的精度及錯(cuò)誤概率。利用SC-FDE技術(shù)可以增加在多徑條件下傳輸機(jī)上測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。

在同4.1節(jié)的仿真條件下，下行SC-FDE解調(diào)技術(shù)和傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)下誤碼率曲線如圖8和圖9所示。

圖8 單載波頻域均衡技術(shù)誤碼曲線Fig.8 Error curve of SC-FDE demodulation

圖9 傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)誤碼曲線Fig.9 Error curve of traditional demodulation

從圖8和圖9可看出,利用SC-FDE技術(shù)后，在信噪比大于7 dB時(shí)，誤碼率小于10-5，基本不影響測(cè)距信息的傳輸，而傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)受多徑影響，誤碼率在信噪比大于14 dB條件下不能有效地降到小于10-5。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)一般在信噪比大于7 dB下需滿足測(cè)距精度，在傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)下，誤碼率太高，測(cè)距錯(cuò)誤率太大，不能滿足測(cè)距要求。

5 結(jié) 論

利用SC-FDE和非相干測(cè)距技術(shù)的無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)可減小數(shù)傳信號(hào)和機(jī)上測(cè)距數(shù)據(jù)在多徑衰落信道下產(chǎn)生的誤碼，同時(shí)選取適當(dāng)?shù)南滦袔蓸狱c(diǎn)可以提高測(cè)距精度[10]。本文研究了同步誤差受多徑影響的解決方案，但沒有給出機(jī)上接收通道對(duì)抗多徑效應(yīng)的處理方法。今后應(yīng)增加對(duì)擴(kuò)頻抗多徑效應(yīng)的處理方法研究，以進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的測(cè)距精度。