崔 科 李嘉穎 路 輝

(1.中國(guó)人民解放軍91395部隊(duì)，北京 102443；2.中國(guó)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(guó)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(wú)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(qiáng)、重復(fù)定位精度高、可靠性高、建造維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航海、航空導(dǎo)航定位及長(zhǎng)波授時(shí)等方面有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，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(jī)或監(jiān)測(cè)設(shè)備的研制、維修、測(cè)試等工作需要穩(wěn)定可靠、參數(shù)可調(diào)的羅蘭C信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)，以檢測(cè)接收機(jī)或監(jiān)測(cè)設(shè)備的捕獲和跟蹤性能。羅蘭C系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和功能拓展也需要可定制化的信號(hào)源。固定場(chǎng)所的羅蘭C信號(hào)環(huán)境基本穩(wěn)定不變，無(wú)法滿足實(shí)際工作需要。工程中，通常采用信號(hào)模擬器來(lái)解決信號(hào)源問(wèn)題。現(xiàn)有羅蘭C導(dǎo)航信號(hào)模擬器的信號(hào)質(zhì)量和系統(tǒng)功能存在一些不足，如信號(hào)包周差不穩(wěn)定、不能準(zhǔn)確模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位信號(hào)等。針對(duì)這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，采用軟硬件融合的上位機(jī)、下位機(jī)架構(gòu)的羅蘭C信號(hào)模擬器，實(shí)現(xiàn)了多類型、高質(zhì)量的信號(hào)模擬。

2 羅蘭C系統(tǒng)信號(hào)簡(jiǎn)介

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

2.1 單脈沖信號(hào)

羅蘭C系統(tǒng)單個(gè)脈沖信號(hào)是由一個(gè)鐘形脈沖對(duì)100kHz的正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制形成，脈沖寬度為200μs左右，脈沖峰值點(diǎn)大約在65μs。單個(gè)脈沖信號(hào)的波形如圖1所示。

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

羅蘭C系統(tǒng)信號(hào)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(shí)域數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：

A

——電流峰值幅度的歸一化值，單位A；

t

——工作時(shí)間，單位μs；

τ

——信號(hào)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(shí)取值為0，負(fù)相位編碼時(shí)取值為π。

2.2 脈沖組信號(hào)

羅蘭C系統(tǒng)以脈沖組的形式發(fā)射信號(hào)，主臺(tái)每個(gè)脈沖組有9個(gè)脈沖，前8個(gè)脈沖相互間隔1 000μs，第9個(gè)脈沖與第8個(gè)間隔為2 000μs；副臺(tái)每個(gè)脈沖組有8個(gè)脈沖，各脈沖間隔均為1 000μs。脈沖組與脈沖組的時(shí)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(guò)不同GRI來(lái)標(biāo)識(shí)臺(tái)鏈，同一臺(tái)鏈內(nèi)所有發(fā)射臺(tái)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(tái)鏈間隔，最多可建6 000個(gè)臺(tái)鏈。通常GRI用其數(shù)值相對(duì)10μs的整數(shù)倍來(lái)表示。1個(gè)主臺(tái)和若干個(gè)副臺(tái)(至少2個(gè))共同組成1個(gè)臺(tái)鏈。臺(tái)鏈內(nèi)各發(fā)射臺(tái)按規(guī)定順序發(fā)射信號(hào)，順序如圖2所示：主臺(tái)信號(hào)最先發(fā)射，經(jīng)時(shí)差1延遲后，第一副臺(tái)X開(kāi)始發(fā)射信號(hào)，經(jīng)時(shí)差2延遲后，第二副臺(tái)Y開(kāi)始發(fā)射信號(hào)，其他副臺(tái)發(fā)射信號(hào)順序以此類推。羅蘭C系統(tǒng)利用接收設(shè)備測(cè)得的主、副臺(tái)信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(等效為距離差)根據(jù)雙曲線定位原理實(shí)現(xiàn)定位。

圖2 脈沖組重復(fù)周期及臺(tái)鏈工作時(shí)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(jìn)行排序，兩個(gè)GRI形成一個(gè)相位編碼重復(fù)周期(Pulse Code Interval，PCI)，這兩個(gè)GRI分別稱為AGRI和BGRI。羅蘭C信號(hào)相位編碼見(jiàn)表1。

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

3 模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)要求

作為檢測(cè)和測(cè)試用的信號(hào)源，羅蘭C系統(tǒng)信號(hào)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(tái)鏈導(dǎo)航信號(hào)；

2)能產(chǎn)生相互獨(dú)立、可任意組合的天波、單頻及噪聲干擾信號(hào)；

3)臺(tái)鏈GRI和臺(tái)鏈內(nèi)主、副臺(tái)時(shí)差在規(guī)定范圍內(nèi)可調(diào)，天波延時(shí)量可調(diào)；

4)模擬真實(shí)臺(tái)鏈內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位信號(hào)時(shí)，能提供實(shí)時(shí)參考坐標(biāo)。

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

1)系統(tǒng)輸出信號(hào)中心頻率100kHz，幅度可調(diào)；

2)設(shè)計(jì)時(shí)差工作模式。該模式下，模擬器能模擬產(chǎn)生1個(gè)主臺(tái)、2個(gè)副臺(tái)組成的臺(tái)鏈信號(hào)，臺(tái)鏈GRI值可在4 000～9 999之間任意設(shè)定，主、副臺(tái)信號(hào)時(shí)差可在(11～70)ms范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

3)設(shè)計(jì)定位工作模式。該模式下，模擬器能模擬我國(guó)“長(zhǎng)河二號(hào)”系統(tǒng)各臺(tái)鏈覆蓋范圍內(nèi)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位信號(hào)，并給出實(shí)時(shí)參考坐標(biāo)；

4)定位工作模式下，設(shè)計(jì)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)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(hào)能模擬各地面臺(tái)信號(hào)功率因傳輸距離形成的差異；

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

3.2 功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)需求和參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)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(tái)鏈時(shí)差模塊負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)置的GRI和主副臺(tái)信號(hào)時(shí)差計(jì)算產(chǎn)生下位機(jī)信號(hào)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(yùn)動(dòng)模式及所選臺(tái)鏈計(jì)算下位機(jī)的信號(hào)控制參數(shù)，并在用戶交互界面上顯示目標(biāo)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)；

4)信號(hào)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(hào)參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生下位機(jī)信號(hào)的控制參數(shù)；

5)數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將上位機(jī)計(jì)算的各信號(hào)控制參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)接收下位機(jī)中斷信號(hào)；

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

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

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

9)環(huán)境信號(hào)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(hào)；

10)定位數(shù)據(jù)反饋模塊負(fù)責(zé)定時(shí)向上位機(jī)反饋中斷信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)更新；

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

3.2.2

實(shí)現(xiàn)方法

1)上位機(jī)信號(hào)控制參數(shù)的計(jì)算

時(shí)差模式下，臺(tái)鏈、主副臺(tái)時(shí)差及環(huán)境參數(shù)由用戶自主設(shè)置，按照下位機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)換。

導(dǎo)航模式下，信號(hào)控制參數(shù)計(jì)算主要涉及目標(biāo)與臺(tái)鏈內(nèi)各發(fā)射臺(tái)距離的計(jì)算、坐標(biāo)更新計(jì)算和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下信號(hào)控制參數(shù)的計(jì)算，即需要解決地球表面任意兩點(diǎn)的最短距離問(wèn)題、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)坐標(biāo)更新問(wèn)題和信號(hào)頻率生成問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)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(diǎn)的最短距離問(wèn)題。Andoyer-Lambert公式計(jì)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(jì)通過(guò)建立站心坐標(biāo)系，在下位機(jī)中斷信號(hào)周期控制下，根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的子午線弧曲率半徑、平行圈半徑等參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)坐標(biāo)位置的更新計(jì)算。

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

K

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

f

=

K

×

f

/

2

(2)

式中：

f

——輸出信號(hào)頻率；

K

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

f

——參考時(shí)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(hào)頻率和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度已知的情況下，根據(jù)多普勒頻移公式和DDS輸出信號(hào)公式，上位機(jī)計(jì)算得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)接收信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻率控制字，進(jìn)而由下位機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)；

2)產(chǎn)生羅蘭C系統(tǒng)信號(hào)波形。根據(jù)羅蘭C單個(gè)脈沖波形數(shù)學(xué)表達(dá)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(guò)FPGA編程產(chǎn)生各發(fā)射臺(tái)的羅蘭C導(dǎo)航信號(hào)；

3)產(chǎn)生環(huán)境信號(hào)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(hào)；天波干擾信號(hào)由各地面臺(tái)信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生；單頻干擾信號(hào)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(tái)

羅蘭C系統(tǒng)模擬器硬件平臺(tái)采用上位機(jī)、下位機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，以一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，以一塊FPGA板卡和一塊D/A板卡為下位機(jī)，上、下位機(jī)通過(guò)PCIE總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由濾波放大器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)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(jì)算機(jī)在Windows操作系統(tǒng)下工作，人機(jī)交互方便、軟件開(kāi)發(fā)靈活，且計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有開(kāi)發(fā)周期短、算法更新快的特點(diǎn)。采用通用計(jì)算機(jī)和FPGA板卡這種上、下位機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的模擬器具有功能豐富、信號(hào)實(shí)時(shí)、開(kāi)發(fā)靈活、升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)，且其研發(fā)成本也相對(duì)較低。

4 模擬信號(hào)驗(yàn)證

模擬器上位機(jī)在通用計(jì)算機(jī)上采用VS2008平臺(tái)開(kāi)發(fā)，下位機(jī)FPGA芯片采用Xilinx XC7K410T，基于ISE14.7平臺(tái)設(shè)計(jì)。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(hào)接入Tektronix TDS5054B示波器，捕捉的單脈沖信號(hào)波形如圖7所示，脈沖寬度200μs。模擬器設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定用戶運(yùn)動(dòng)速度不超過(guò)340m/s，相對(duì)系統(tǒng)100kHz的載頻和特殊的脈沖信號(hào)格式，用戶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移極小(不超過(guò)0.1Hz)，在示波器上看不出明顯差異。

圖7 單脈沖信號(hào)波形圖Fig.7 Monopulse signal waveform

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

圖8 時(shí)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(hào)，信號(hào)波形如圖9所示。左側(cè)脈沖組依次為賀縣、饒平、崇左三個(gè)信號(hào)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，由于接收設(shè)備距三個(gè)地面臺(tái)的距離不同，各脈沖組信號(hào)幅度有相應(yīng)差異。

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

疊加天波信號(hào)的羅蘭C單脈沖信號(hào)在波形和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)上會(huì)發(fā)生變化，圖10、圖11分別是模擬疊加了39μs和45μs天波信號(hào)延時(shí)的單脈沖信號(hào)波形。

在示波器上，羅蘭C信號(hào)受環(huán)境噪聲(白噪聲)影響和受單頻干擾影響的信號(hào)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(hào)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(shí)的信號(hào)頻譜如圖13所示，疊加單頻98kHz干擾時(shí)的信號(hào)頻譜如圖14所示。

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

圖11 天波延時(shí)45μs的單脈沖信號(hào)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(hào)波形圖Fig.12 Pulse group signal waveform with noise interference

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

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

5 定位效果驗(yàn)證

為檢測(cè)模擬器信號(hào)定位效果，實(shí)驗(yàn)?zāi)M產(chǎn)生了我國(guó)“長(zhǎng)河二號(hào)”系統(tǒng)15個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的定位信號(hào)，利用北京航空航天大學(xué)自研接收設(shè)備進(jìn)行信號(hào)的接收和處理，定位結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)表明，模擬信號(hào)坐標(biāo)與接收機(jī)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(hào)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(hào)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of localization序號(hào)臺(tái)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(yǔ)

本文根據(jù)羅蘭C系統(tǒng)信號(hào)的特點(diǎn)，利用軟件無(wú)線電思想，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種羅蘭C導(dǎo)航信號(hào)模擬器。該模擬器具有定位和時(shí)差工作模式，能夠較好模擬我國(guó)“長(zhǎng)河二號(hào)”系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的動(dòng)目標(biāo)定位信號(hào)、任意臺(tái)鏈信號(hào)及干擾環(huán)境信號(hào)。模擬器具有較強(qiáng)的通用性、可靠性和升級(jí)擴(kuò)展能力。實(shí)驗(yàn)表明模擬器產(chǎn)生的信號(hào)能夠被接收機(jī)識(shí)別并實(shí)現(xiàn)定位，各功能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。