孫 晶，戰(zhàn)興華，陳俊喆

（1 中國人民解放軍91001 部隊，北京 100036；2 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

增強型羅蘭（Enhanced Loran，eLoran）系統(tǒng)是滿足國內外制定規(guī)范的定位、導航與授時服務系統(tǒng)，其主要在羅蘭C基礎之上，結合全固態(tài)發(fā)射機技術、數(shù)據(jù)鏈通信技術、數(shù)字化信號處理技術和差分增強技術等先進技術，利用長波信號地波傳播相位穩(wěn)定、傳播時延可以精確預測的特點實現(xiàn)高精度的導航以及授時。我國的羅蘭C 系統(tǒng)和BPL 長波授時系統(tǒng)經過現(xiàn)代化技術升級改造后，已經具備增強型羅蘭初始業(yè)務能力[1]。

增強型羅蘭接收機主要基于測量得到的到達時間（Time of Arrival，TOA）值實現(xiàn)經緯度以及鐘差的解算，最終實現(xiàn)高精度的定位導航和定時，其中TOA 是通過跟蹤脈沖組信號周期的時間基準而獲得，而增強型羅蘭信號載波頻率是100 kHz（周期10 μs）[2]，脈沖信號識別錯誤起碼會導致10 μs的測量誤差，進而導致較大的定位和定時誤差。隨著科學技術以及基礎實驗設施的不斷完善與發(fā)展，數(shù)字化的增強型羅蘭接收機以其高可靠性、高精確性、高抗干擾性等優(yōu)勢逐漸成為國際主流，相關的脈沖信號周期檢測方法主要包括峰值檢測法[3]、函數(shù)法[3]、匹配相關法[4]和半周期峰值比較法[5]等。本文主要以提高信噪比為前提，通過信號的先驗特征和統(tǒng)計特性進行周期檢測，通過仿真驗證和硬件實現(xiàn)充分驗證了該方法的可靠性和有效性。

1 信號格式

增強型羅蘭單脈沖波形為指數(shù)不對稱形，標準波形前沿定義為[6]：

式中，A為峰值天線電流幅度的歸一化常數(shù)；t為時間（μs）；τ為包周差（μs）；f 0為載波頻率100 kHz；Pc(m)為相位編碼，為0 或π，單脈沖信號如圖1所示。

圖1 單脈沖信號

增強型羅蘭系統(tǒng)各臺鏈通過脈沖組重復周期進行區(qū)分，每個臺鏈分主臺和副臺，主臺每個GRI九個脈沖，副臺每個GRI 八個脈沖，主臺和副臺前八個脈沖間隔為1000 μs，主臺第九脈沖與第八個脈沖相隔2000 μs。相位編碼是對每個GRI 組前八個脈沖依次遵循兩相兩周期互補碼進行，其中兩相是指載波初相Pc(m)取值為“0”或“π”；兩周期互補指的是一個編碼周期分偶數(shù)周期和奇數(shù)周期，兩者相互交替為補碼及原碼[6]，相位編碼如表1所示。

表1 脈沖相位編碼

增強型羅蘭脈沖信號周期檢測目的是使接收機能夠精確測量主臺脈沖和副臺脈沖相同周期過零點的時間差值（雙曲線導航定位解算）和測量主臺或者副臺某過零點的到達時間（定時控制）。理想情況下，通過測量地波信號包絡峰值即可實現(xiàn)信號周期推算檢測，然而由于電離層的反射而產生了延時的天波信號，致使地波信號很容易受到天波干擾而無法得到峰值的準確位置。根據(jù)美國海岸警衛(wèi)隊（USCG）公布的接收機規(guī)范，天波信號延遲變化范圍為37.5～1500 μs[7-8]，所以選擇檢測的周期需要避開天波的干擾并保證足夠的信號電平，因此通常選取第三周正向過零點作為標準過零點。

2 周期檢測方法

2.1 檢測原理

增強型羅蘭接收機前端處理信號后，完成搜索、捕獲與跟蹤，實現(xiàn)脈沖信號概位的識別，為避免相位編碼對周期檢測的誤判，將GRI 脈沖組中的第一個基準脈沖和位置標識作為周期檢測的輸入，使用聯(lián)合檢測方法進行周期檢測判決，基本原理如圖2所示。

圖2 周期聯(lián)合檢測方法原理

2.2 線性平均

增強型羅蘭信號在傳播和接收過程中很容易受到噪聲的影響，造成包絡失真和信噪比降低。因此對于信噪比較低的脈沖信號，可以采用線性數(shù)字平均技術來提高信噪比。假設接收到的信號向量形式為：

式中，H i是疊加噪聲后信號的向量形式，r(j)是量化值。輸入信噪比為：

式中，Ai是信號幅度，σi為噪聲標準差，于是M次累加結果的線性數(shù)字平均可表示為：

式中，M為累加次數(shù)，線性數(shù)字平均后噪聲標準差為σo=σi/M，因此輸出信噪比為：

根據(jù)式（5）可知，線性平均后信噪比與累加次數(shù)M有關，增加信噪比為 10 log10(M)，由于在實際應用中接收機晶振的準確度會導致累加失真，即信噪比增量與累加點數(shù)M之間關系如圖3所示。根據(jù)仿真結果可選取累加次數(shù)M=150 點，可使信噪比增加20 dB。

圖3 累加次數(shù)和信噪比增量關系

2.3 峰峰比檢測判決

標準脈沖信號每個周期過零點時刻t的后一周正峰值（t+2.5 μs）與前一周峰值（t-7.5 μs）的峰值比是唯一確定值，通過計算峰峰值的斜率可識別標準的第三周過零點，標準脈沖中時刻t的峰峰值比：

根據(jù)表2可知，第三次比值和前后兩個比值間隔較大，因此可以用于脈沖信號周期檢測，定義當其比值落入檢測到范圍[1.55，1.51]時，認為檢測到脈沖第三周過零點。由于信號在傳播過程中會受到天波的疊加和噪聲的干擾，信號各峰值比標準信號峰值會發(fā)生改變，導致檢測結果錯周。因此采用極性判決的方法對峰峰值檢測結果進行判定和跳周調整，基本原理是：當峰峰值法找到了某一時刻t為正向過零點，但不能完全判定是不是第三周過零點，取此零點前的t-32.5 μs、t-22.5 μs 和t-12.5 μs處的累加值，符號和門限判決如圖4所示。

表2 峰峰值比

圖4 極性判決法示意圖

根據(jù)圖4的極性判決法可得出以下結論：

（1）檢測零點為第三周過零點時，t-32.5 μs 處為均值等于零的噪聲，t-22.5 μs 和t-12.5 μs 處分別為脈沖第一和第二周期的負峰值；當經過M次累積后，t-32.5 μs 處未出現(xiàn)明顯累加峰值，而t-22.5 μs 和t-12.5 μs 處分別出現(xiàn)明顯累加峰值，且符號判決為[0 -1 -1]，則判定成功檢測第三周過零點。

（2）檢測零點超前一周時，在t-32.5 μs 處和t-22.5 μs 處不會出現(xiàn)明顯峰值，t-22.5 μs 為第一周負峰值，此時須進行后向跳周處理判決。

（3）檢測零點滯后一周時，在t-32.5 μs 處、t-22.5 μs 處和t-12.5 μs 處均有明顯峰值，此時須進行前向跳周處理判決。

3 仿真驗證

周期聯(lián)合檢測方法采用Matlab 進行仿真驗證，首先產生信噪比為8 dB、采樣率為1.6 MHz 的信號，其次經過150 次的線性平均處理，然后進行峰峰比計算確定脈沖信號周期，接著進行峰值累加處理和極性判決，最后通過前向/后向跳周處理實現(xiàn)周期的識別。周期聯(lián)合檢測方法仿真算法流程如圖5所示，仿真效果如圖6和圖7所示。

圖5 周期聯(lián)合檢測方法仿真流程

圖6 不同累加次數(shù)下的峰峰比

圖7 不同累加次數(shù)下極性判決點累加值

根據(jù)仿真結果可知，當累加次數(shù)M=150 時，脈沖信號的峰峰值比趨近于理論比值，極性判決的三個采樣點數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，三點累加值分別為：0.225、-605.731 和-1786.125，滿足判決要求，實現(xiàn)第三周過零點的準確檢測。

一般數(shù)字接收機經數(shù)字濾波后信噪比可以達到22 dB 以上，而增強型羅蘭接收機能夠達到30 dB以上[9-10]。為了驗證本文方法的抗噪性能，取累加次數(shù)為150，信噪比范圍為-10～40 dB 的信號進行仿真分析，結果如圖8～圖11所示。

圖8 不同信噪比的峰峰比均值

圖9 不同信噪比t-32.5 μs 點處累加值

圖10 不同信噪比下t-22.5 μs 點處累加值

圖11 不同信噪比下t-12.5 μs 點處累加值

仿真結果表明，當增強型羅蘭脈沖信號的信噪比達到15 dB 以上時，該方法能夠有效的檢測到第三周過零點，準確檢測脈沖信號周期，并且抗噪性能比當前較為主流的周期識別檢測法更為良好，其中周期累加值算法的信噪比為25 dB[11]，周期和值算法信噪比為24 dB[5]，波形匹配法的信噪比為23 dB[4]等，因此該脈沖信號周期聯(lián)合檢測方法具有更強的適用性。

4 結論

本文針對增強型羅蘭數(shù)字接收機中最為關鍵的信號周期檢測問題，提出一種以采用數(shù)字線性平均技術提高信噪比為前提，利用峰峰比檢測法和極性判決法進行脈沖信號的聯(lián)合檢測方法。通過仿真驗證了該聯(lián)合檢測方法的有效性，分析了聯(lián)合檢測方法的抗噪聲性能，結果表明該方法準確可靠，其抗噪聲性能與傳統(tǒng)的周期識別方法相比至少提高8 dB 以上，能夠滿足現(xiàn)代數(shù)字化增強型羅蘭接收機的設計要求。