CN101571587B - 扩跳频体制的无线电导航系统 - Google Patents
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Abstract
一种扩跳频体制的无线电导航系统,解决了现有无线电导航系统抗干扰能力差,容易被破解和系统结构复杂的缺点。它包括N个分布在不同位置的发射台和导航接收机,其中N≥3;导航电文在扩跳频调制模块中进行直扩调制和跳频调制,再经过高通滤波器和功率放大器由天线向外发射。在接收端,天线接收信号经过低噪放和射频前端,然后进入扩跳频同步模块。扩跳频同步先跳频同步,再直扩同步。导航解算模块利用观测量提取模块提供的伪距观测量和导航电文提取模块提供的导航电文进行接收机位置解算。它大大增强了系统抗干扰和抗破解的能力,降低了系统的复杂度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及无线电导航技术,特别是一种扩跳频体制的无线电导航系统。
(二)背景技术
无线电导航系统在航空和航海中具有重要作用,可以提供快速可靠的导航定位信息。然而,无线电导航系统存在的一个重要问题就是抗干扰问题。传统的无线电导航系统一般采用脉冲相位体制,如罗兰C、台卡等。这种体制的导航系统定位精度低,保密性差,很容易受到外界的干扰。随着科学技术的发展,扩频技术的出现,直扩技术被应用到无线电导航系统中来提高其抗干扰性能。美国的GPS、欧洲的GALILEO和中国的COMPASS都采用了直扩的体制。专利申请号为200810063892.4的发明专利文件中,提出了一种“中短波扩频无线电导航系统”,该技术方案也是一种采用直扩体制的陆基无线电导航系统。直扩技术的使用,大大提高了无线电导航系统的抗干扰能力,但直扩系统抗单频干扰、窄带干扰和跟踪式干扰的能力较差,远近效应严重。同时,直扩系统的保密性和抗干扰性是靠增加伪码的长度和速率来保证的,这必然增加系统的复杂度。因此,如何有效地提高系统的保密性能和抗干扰性能对无线电导航系统具有至关重要的作用。
(三)发明内容
本发明的目的是将扩跳频技术应用到无线电导航系统中,从而有效地提高系统的保密性能和抗干扰能力。
本发明的又一目的是将扩跳频技术应用到无线电导航系统中,用一个较小的直扩处理增益和一个较小的跳频处理增益获得一个较大的系统处理增益,从而降低系统的复杂度。
本发明的目的是这样实现的:
它包括N个分布在不同位置的发射台和导航接收机,其中N≥3;所述发射台包括信源1、信息编码器2、高通滤波器4和功率放大器5,所述的导航接收机的组成包括低噪声放大器6、射频前端7、观测量提取模块9、导航电文提取模块10和导航解算模块11;在发射台的信息编码器2与高通滤波器4之间串接有扩跳频调制模块3;导航接收机的射频前端7后连接扩跳频同步模块8,扩跳频同步模块8的两路输出分别连接观测量提取模块9和导航电文提取模块10,观测量提取模块9和导航电文提取模块10连接导航解算模块11。
在发射端,信息编码器2调制信源1发出的信息,扩跳频调制模块3的输入端通过其内部的直扩调制器3-1-1连接到信息编码器2的输出端,以接收信息序列;直扩伪码发生器3-1-2输出直扩伪码给直扩调制器3-1-1,直扩伪码通过直扩调制器3-1-1调制信息序列,以产生直扩信号。跳频伪码发生器3-2-3输出跳频序列控制频率合成器3-2-2,以产生跳变载波;跳变载波通过跳频调制器3-2-1调制直扩信号,以产生扩跳频信号;扩跳频信号经过高通滤波器4和功率放大器5产生射频信号,发射天线发出射频信号;与直扩系统的主要不同点在于:直扩系统扩频调制只有直扩伪码的调制,而扩跳频系统扩跳频调制模块3包括直扩调制模块3-1和跳频调制模块3-2两部分,即先进行直扩伪码的调制,再进行跳变载波的调制。
在接收端,接收天线接收射频信号给低噪声放大器6;射频信号经过低噪声放大器6和射频前端7转变为中频信号;信号同步模块8通过其内部的跳频初同步模块8-1输入端连接射频前端7输出端,跳频初同步模块8-1输出端连接直扩伪码捕获模块8-2输入端,直扩伪码捕获模块8-2输出端连接直扩伪码跟踪模块8-3输入端,直扩伪码跟踪模块8-3输出端连接载波跟踪模块8-3输入端;观测量提取模块9从信号同步模块8中提取提取伪距观测量,导航电文提取模块10从信号同步模块8中提取发射台位置信息,导航解算模块11通过观测量提取模块9提供的伪距观测量和导航电文提取模块10提供的发射台位置信息解算出导航接收机的位置。与直扩系统的主要不同点在于:扩跳频系统的载波频率由跳频伪码控制随机地跳变,因此先跳频同步,再直扩同步;而直扩系统只需进行直扩码的同步。
导航解算模块11采用圆圆定位方式,圆圆定位是通过测量发射台和导航接收机之间的距离来进行导航解算的;若已知发射台的位置以及发射台和接收机之间的距离,那么接收机一定在以发射台为圆心,以该距离为半径的圆上。当有多个发射台时,圆圆的交点就是接收机的位置。各发射台的时间装置采用高精度的原子钟,其时间是严格同步的。然而,接收机上时钟采用石英钟,和发射台有钟差,设为Δτ;在导航解算过程中有三个未知量x、y和Δτ,伪距观测量ρ1、ρ2和ρ3可以由观测量提取模块9提供,这样可得导航接收机位置的平面坐标方程:
其中ρi为接收机与第i个发射台间的伪距,Ri为接收机与第i个发射台间的真实距离,Δτ为接收机与发射台的钟差,(xi,yi)为发射台位置坐标,(x,y)为接收机的位置坐标。
通过解方程组就可以得到接收机的位置坐标。
扩跳频技术是直扩技术与跳频技术的结合,具有直扩和跳频两种技术的优点,被国内外认为是最具有生命力的抗干扰通信技术。本发明将扩跳频技术应用到无线电导航系统中,与直扩体制的无线电导航系统相比,可以大大改善系统的性能。其优点主要体现在:1.系统的抗干扰和抗破解性能是通过扩频增益来体现的,而扩跳频系统的扩频增益是直扩部分和跳频部分扩频增益的乘积。这样就可以通过一个较小的直扩扩频增益和一个较小的跳频扩频增益获得一个较大的系统扩频增益,从而降低系统的复杂程度。2.可以很好地解决远近效应的问题。系统在接收远距离弱信号时,会受到非常强的邻近台干扰。在扩跳频系统中,载波频率在快速跳变,与临近强台载波重迭的概率小,可以很好地解决远近效应。3.扩跳频系统具有很强的抗单频干扰、抗窄带干扰和抗跟踪式干扰的能力。
(四)附图说明
图1是扩跳频体制无线电导航系统导航定位基本原理示意图;
图2是扩跳频体制无线电导航系统系统结构示意图;
图3是扩跳频体制无线电导航系统扩跳频调制原理示意图;
图4是扩跳频体制无线电导航系统信号同步原理示意图;
图5是扩跳频体制无线电导航系统跳频初同步原理示意图;
图6是扩跳频体制无线电导航系统直扩码捕获原理示意图;
图7是扩跳频体制无线电导航系统直扩码跟踪原理示意图;
图8是扩跳频体制无线电导航系统载波跟踪原理示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
结合图1和图2。扩跳频体制的无线电导航系统由N个分布在不同位置的发射台和导航接收机组成,其中N≥3;所述发射台由信源1、信息编码器2、扩跳频调制模块3、高通滤波器4和功率放大器5组成,导航接收机由低噪声放大器6、射频前端7、扩跳频同步模块8、观测量提取模块9、导航电文提取模块10和导航解算模块11组成;信源1连接信息编码器2,信息编码器2连接扩跳频调制模块3,扩跳频调制模块3连接高通滤波器4,高通滤波器4连接功率放大器5,功率放大器5连接发射天线,发射天线向外界发射无线电信号。接收天线接收无线电信号,接收天线连接低噪声放大器6,低噪声放大器6连接射频前端7,射频前端7连接扩跳频同步模块8,扩跳频同步模块8连接观测量提取模块9和导航电文提取模块10,观测量提取模块9和导航电文提取模块10连接导航解算模块11。
结合图2、3和4。扩跳频调制模块3包括直扩调制器3-1-1、直扩伪码发生器3-1-2、跳频调制器3-2-1、频率合成器3-2-2和跳频伪码发生器3-2-3。直扩伪码发生器3-1-2的输出连接直扩调制器3-1-1,直扩调制器3-1-1的输出连接跳频调制器3-2-1;跳频伪码发生器3-2-3的输出连接频率合成器3-2-2,频率合成器3-2-2的输出连接跳频调制器3-2-1。整个过程分为直扩调制模块3-1和跳频调制模块3-2两个部分。直扩信号的频谱是(sin cx)2,跳频信号的频谱是随时间搬移的一条谱线,因此扩跳频信号的频谱是随时间搬移的(sin cx)2谱,在设计跳频图案的时候要保证相邻跳变频道之间的正交性,以防止本台多径信号之间和邻台信号之间的频谱干扰;
扩频系统的抗干扰性能通过其扩频增益来体现,扩跳频系统的扩频增益为
GFH/DS=BRF/Rb=(N·Rc)/Rb=N·(Rc/Rb)=GFH·GDS (2)
式中:N为扩跳频系统中的可用跳频数;
GFH/DS为扩跳频系统的扩频增益;
GFH为跳频部分的扩频增益;
GDS为直扩部分的扩频增益;
BRF为扩跳频系统的射频总带宽;
Rc为直扩伪码速率;Rb为信息速率。
因此,采用扩跳频技术容易得到很大的扩频增益,有利于系统抗干扰能力的提高。
扩跳频同步模块8包括跳频初同步模块8-1、直扩伪码捕获模块8-2、直扩伪码跟踪模块8-3和载波跟踪模块8-4;跳频初同步模块8-1的输入连接射频前端7的输出,跳频初同步模块8-1的输出连接直扩伪码捕获模块8-2的输入,直扩伪码捕获模块8-2的输出连接直扩伪码跟踪模块8-3的输入,直扩伪码跟踪模块8-3的输出连接载波跟踪模块的输入;信号的同步是指收发两端的载波跳变规律、频隙的起始时刻和直扩伪码的相位都完全一致,以保证伪距观测量提取和导航电文提取工作稳定进行。在扩跳频体制无线电导航系统中,直扩码同步和跳频同步相互结合进行,与单纯的直扩系统相比,同步时间大大减少。系统先进行跳频初同步,初同步的结果可使本地跳频码与接收跳频码同步在半个跳频时隙内;跳频初同步完成进行直扩码的捕获,此时不需要搜索所有的直扩码相位,而只需搜索跳频初同步不确定的半个跳频时隙即可,这相当于跳频初同步已经完成了直扩码捕获的大部分工作,直扩码捕获只需在小范围内进行。
结合图2、4、5、6、7和8。跳频初同步模块8-1包括相关器8-1-1、带通滤波器8-1-2、平方模块8-1-3、低通滤波器8-1-4、积分清洗器8-1-5、门限判决模块8-1-6、搜索控制模块8-1-7、跳频伪码发生器8-1-8和频率合成器8-1-9;跳频伪码发生器8-1-8控制频率合成器8-1-9产生本地跳变载波,接收信号进入相关器8-1-1与本地跳变载波进行混频得到中频信号,中频载波进入带通滤波器8-1-2,带通滤波器8-1-2的通带宽度为直扩码的带宽,然后依次通过平方模块8-1-3、低通滤波器8-1-4和积分清洗器8-1-5,积分清洗器8-1-5的积分周期为一个跳频周期,积分清洗器8-1-5的输出连接门限判决模块8-1-6的输入,门限判决模块8-1-6根据门限判决是否捕获到跳频伪码;若积分清洗器8-1-5的输出小于捕获门限,则使本地跳频伪码滑动半个码片继续搜索;若大于捕获门限,则进入直扩伪码捕获模块8-2。下面简要分析跳频初同步的基本原理,设导航接收机收到的信号为
其中:P-到达导航接收机的扩频信号功率;
d(·)-信息流,它是取值+1和-1的二进制序列;
PN(·)-相位随时间变化的伪随机码信号;
ω1i-发射跳频频率集中的第i个频率;
φ1-初始相位;
n(t)-噪声信号。
假设系统已完全同步,则S(t)与本地跳频信号混频后得到H(t)。
经理想带通滤波器后得到:
其中:ω2i-本地DDS频率集中的第i个频率;
φ2-本地初始相位;
ω-接收机中频频率ω=ω1i-ω2i;
Δφ-发射与接收跳频信号的频率差;
nd(t)-上式中n(t)·cos(ω2it+φ2)经带通滤波器后的信号。
将H(t)平方后得到:
以上过程处理过的信号由以下几个部分组成:直流分量、频率为2ω的单频信号、噪声分量。直流分量代表信号的能量,当系统没有完全同步时,频率没有完全对齐,这时经带通滤波器后会使能量值P减小,如果将P(t)通过低通滤波器就可将直流分量滤出,再将该值在一个跳频周期内积分,就可通过积分值的大小来进行跳频初步捕获的判决。
直扩伪码捕获模块8-2包括积分清洗器a、平方模块b、积分清洗器c、平方模块d、门限判决模块e、搜索控制模块f、直扩伪码发生器g、跳频伪码发生器h和频率合成器i。频率合成器i输出两路正交载波分I和Q两路与接收信号相乘,以去除载波。直扩伪码发生器g输出的伪码分别与I和Q两路去除载波后的信号序列作相关处理,其相关值分别通过积分清洗器a和积分清洗器b在一个直扩码周期内作积分。积分清洗器a的输出连接平方模块b的输入,积分清洗器c的输出连接平方模块d的输入,平方模块b和平方模块d相加的结果通过门限判决模块e与捕获门限比较;若大于捕获门限,进入直扩伪码跟踪模块8-3;若小于捕获门限,搜索控制模块f控制直扩伪码发生器g和跳频伪码发生器h滑动,调整直扩码和调频载波后继续与接收信号做相关处理。
直扩伪码跟踪模块8-3包括积分清洗器A、平方模块B、积分清洗器C、平方模块D、积分清洗器E、平方模块F、积分清洗器G、平方模块H、频率合成器I、环路滤波器J和直扩伪码发生器K。频率合成器I输出本地载波与接收信号相乘,以去除载波,同时形成I和Q两路正交信号。直扩伪码发生器K产生超前和滞后两路直扩伪码信号分别与I和Q两路正交信号相乘,形成I+、Q+、I-、Q-共四组支路,分别经过积分清洗器A、积分清洗器C、积分清洗器E和积分清洗器G去除高频分量,再通过平方模块B、平方模块D、平方模块F和平方模块H包络检波后,分别将超前两路信号相加、滞后两路信号相加,形成滞后超前两路信号,将所述超前滞后两路信号进行相减,最后形成跟踪误差信息,通过环路滤波器J反馈给直扩伪码发生器K,控制本地直扩伪码偏移,来调整跟踪状态。
载波跟踪模块8-4包括相关器8-4-1、门限判决模块8-4-2、相位跟踪环8-4-3、相位环路滤波器8-4-4、频率跟踪环8-4-5、频率环路滤波器8-4-6和频率合成器8-4-7。频率合成器8-4-7产生的本地载波通过相关器8-4-1与接收信号进行相关,相关器8-4-1的输出连接门限判决模块8-4-2。当频偏大于设定门限值时进入频率跟踪环8-4-5,进行载波频率的跟踪,跟踪误差信息通过频率环路滤波器8-4-6反馈给频率合成器8-4-7,控制本地载波,来调整载波频率跟踪的状态;当频偏小于设定门限值时进入相位跟踪环8-4-3,进行载波相位的跟踪,跟踪误差信息通过相位环路滤波器8-4-3反馈给频率合成器8-4-7,控制本地载波,来调整载波相位跟踪的状态。
Claims (4)
1.一种扩跳频体制的无线电导航系统,它包括N个分布在不同位置的发射台和导航接收机,其中N≥3;所述发射台的组成包括信源[1]、信息编码器[2]、扩跳频调制模块[3]、高通滤波器[4]和功率放大器[5],所述的导航接收机的组成包括低噪声放大器[6]、射频前端[7]、扩跳频同步模块[8]、观测量提取模块[9]、导航电文提取模块[10]和导航解算模块[11];其特征是:在发射台的信息编码器[2]与高通滤波器[4]之间串接有扩跳频调制模块[3];导航接收机的射频前端[7]后连接扩跳频同步模块[8],扩跳频同步模块[8]的两路输出分别连接观测量提取模块[9]和导航电文提取模块[10],观测量提取模块[9]和导航电文提取模块[10]连接导航解算模块[11];所述的扩跳频调制模块[3]由直扩调制器[3-1-1]、第一直扩伪码发生器[3-1-2]、第一跳频伪码发生器[3-2-3]、第一频率合成器[3-2-2]和跳频调制器[3-2-1]组成;扩跳频调制模块[3]的输入端通过其内部的直扩调制器[3-1-1]连接到信息编码器[2]的输出端;第一直扩伪码发生器[3-1-2]输出直扩伪码给直扩调制器[3-1-1],直扩伪码通过直扩调制器[3-1-1]调制信息序列,以产生直扩信号;第一跳频伪码发生器[3-2-3]输出跳频序列控制第一频率合成器[3-2-2],产生跳变载波;跳变载波通过跳频调制器[3-2-1]调制直扩信号,产生扩跳频信号;扩跳频信号经过高通滤波器[4]和功率放大器[5]产生射频信号,发射天线发出射频信号;所述的扩跳频同步模块[8]的组成包括跳频初同步模块[8-1]、直扩伪码捕获模块[8-2]、直扩伪码跟踪模块[8-3]和载波跟踪模块[8-4];扩跳频同步模块[8]通过其内部的跳频初同步模块[8-1]输入端连接射频前端[7]输出端,跳频初同步模块[8-1]输出端连接直扩伪码捕获模块[8-2]输入端,直扩伪码捕获模块[8-2]输出端连接直扩伪码跟踪模块[8-3]输入端,直扩伪码跟踪模块[8-3]输出端连接载波跟踪模块[8-4]输入端;所述的跳频初同步模块[8-1]包括第一相关器[8-1-1]、带通滤波器[8-1-2]、第一平方模块[8-1-3]、第一低通滤波器[8-1-4]、第一积分清洗器[8-1-5]、第一门限判决模块[8-1-6]、第一搜索控制模块[8-1-7]、第二跳频伪码发生器[8-1-8]和第二频率合成器[8-1-9];第二跳频伪码发生器[8-1-8]控制第二频率合成器[8-1-9]产生本地跳变载波,接收信号进入第一相关器[8-1-1]与本地跳变载波进行混频得到中频信号,中频载波进入带通滤波器[8-1-2],带通滤波器[8-1-2]的通带宽度为直扩码的带宽,然后依次通过第一平方模块[8-1-3]、第一低通滤波器[8-1-4]和第一积分清洗器[8-1-5],第一积分清洗器[8-1-5]的积分周期为一个跳频周期,第一积分清洗器[8-1-5]的输出连接第一门限判决模块[8-1-6]的输入,第一门限判决模块[8-1-6]根据门限判决是否捕获到跳频伪码;若第一积分清洗器[8-1-5]的输出小于捕获门限,则使本地跳频伪码滑动半个码片继续搜索;若大于捕获门限,则进入直扩伪码捕获模块[8-2]。
2.根据权利要求1所述的扩跳频体制的无线电导航系统,其特征是:所述的直扩伪码捕获模块[8-2]包括第二积分清洗器[a]、第二平方模块[b]、第三积分清洗器[c]、第三平方模块[d]、第二门限判决模块[e]、第二搜索控制模块[f]、第二直扩伪码发生器[g]、第三跳频伪码发生器[h]和第三频率合成器[i];第三频率合成器[i]输出两路正交载波分I和Q两路与接收信号相乘,以去除载波;第二直扩伪码发生器[g]输出的伪码分别与I和Q两路去除载波后的信号序列作相关处理,其相关值分别通过第二积分清洗器[a]和第三积分清洗器[c]在一个直扩码周期内作积分;第二积分清洗器[a]的输出连接第二平方模块[b]的输入,第三积分清洗器[c]的输出连接第三平方模块[d]的输入,第二平方模块[b]和第三平方模块[d]相加的结果通过第二门限判决模块[e]与捕获门限比较,若大于捕获门限,进入直扩伪码跟踪模块[8-3],若小于捕获门限,第二搜索控制模块[f]控制第二直扩伪码发生器[g]和第三跳频伪码发生器[h]滑动,调整直扩码和调频载波后继续与接收信号做相关处理。
3.根据权利要求2所述的扩跳频体制的无线电导航系统,其特征是:所述的直扩伪码跟踪模块[8-3]包括第四积分清洗器[A]、第四平方模块[B]、第五积分清洗器[C]、第五平方模块[D]、第六积分清洗器[E]、第六平方模块[F]、第七积分清洗器[G]、第七平方模块[H]、第四频率合成器[I]、环路滤波器[J]和第三直扩伪码发生器[K];第四频率合成器[I]输出本地载波与接收信号相乘,以去除载波,同时形成I和Q两路正交信号;第三直扩伪码发生器[K]产生超前和滞后两路直扩伪码信号分别与I和Q两路正交信号相乘,形成I+、Q+、I-、Q-共四组支路,分别经过第四积分清洗器[A]、第五积分清洗器[C]、第六积分清洗器[E]和第七积分清洗器[G]去除高频分量,再通过第四平方模块[B]、第五平方模块[D]、第六平方模块[F]和第七平方模块[H]包络检波后,分别将超前两路信号相加、滞后两路信号相加,形成超前信号E(k)和滞后信号L(k),将超前信号E(k)和滞后信号L(k)两路信号进行相减,最后形成跟踪误差信息,通过环路滤波器[J]反馈给第三直扩伪码发生器[K],控制本地直扩伪码偏移,来调整跟踪状态。
4.根据权利要求3所述的扩跳频体制的无线电导航系统,其特征是:所述的载波跟踪模块[8-4]包括第二相关器[8-4-1]、第三门限判决模块[8-4-2]、相位跟踪环[8-4-3]、相位环路滤波器[8-4-4]、频率跟踪环[8-4-5]、频率环路滤波器[8-4-6]和第五频率合成器[8-4-7];第五频率合成器[8-4-7]产生的本地载波通过第二相关器[8-4-1]与接收信号进行相关,第二相关器[8-4-1]的输出连接第三门限判决模块[8-4-2];当频偏大于设定门限值时进入频率跟踪环[8-4-5],进行载波频率的跟踪,跟踪误差信息通过频率环路滤波器[8-4-6]反馈给第五频率合成器[8-4-7],控制本地载波,来调整载波频率跟踪的状态,当频偏小于设定门限值时进入相位跟踪环[8-4-3],进行载波相位的跟踪,跟踪误差信息通过相位环路滤波器[8-4-4]反馈给第五频率合成器[8-4-7],控制本地载波,来调整载波相位跟踪的状态。
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- 2009-05-22 CN CN2009100720868A patent/CN101571587B/zh not_active Expired - Fee Related
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