CN103616677B - 一种无线电高度表及飞行器高度测量方法 - Google Patents

一种无线电高度表及飞行器高度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线电高度表，包含I级直接复序列扩频模块、II级直接序列扩频模块、II级相关运算模块、I级复相关运算模块、发射信号复序列相关峰值定位模块、接收信号复序列相关峰值定位模块、加窗FFT计算高度精度模块、高度测算模块，采用双序列迭代扩频机制进行伪随机序列长度的增加，克服了现有伪随机序列长度较短的局限性，从而伪随机序列的长度可根据高度表的测高范围进行自适应增加或减小，简单易行；另一方面，采用FFT对复序列相关运算得到的结果以最大相关峰值为中心进行加窗处理，可大幅度提高伪随机序列测高的精度，使得测高精度控制在一个码元间隔内；无需提高码元速率，降低了硬件电路设计对ADC转换速率的要求。

Description

一种无线电高度表及飞行器高度测量方法
技术领域
本发明涉及航空航天的测控领域，尤其涉及航空航天飞行器中的飞行器高度测量。
技术背景
无线电高度表是各种航空航天飞行器上必不可少的电子设备,它能在各种气候条件下精确测量飞行器离地面或海面的实际高度，它广泛应用于航空航天等领域，如飞机的进场着陆时提供实时高度。由于航空航天的特殊需求,在增大高度表测高范围的情况下,同时提高高度表的测高精度,成为一个日益重要的问题,这也是衡量高度表性能的一个主要指标。近年来,随着伪随机序列的出现,伪随机序列测高技术日益成熟,其优势日益凸显。相比发射频率为上千兆赫兹的传统脉冲测距高度表,伪随机序列测高高度表具有发射功率低、测高范围大、测高精度高、抗干扰能力强等优点，适用于战场复杂环境的使用。然而一般地,提高伪随机序列测高精度的方法,就是尽可能地提高伪随机序列的码元速率,但此时码元速率增加，若不改变伪随机序列的长度,就会使测高范围减小;若增加伪随机序列的长度,就会使伪随机的对齐时间延长，并且寻找较长的伪随机序列也是航空航天测控领域的一个重要课题。
发明目的
针对现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供一种无线电 高度表，采用双序列迭代扩频机制进行伪随机序列长度的增加，克服了现有伪随机序列长度较短的局限性，采用FFT对复序列相关运算得到的结果以最大相关峰值为中心进行加窗处理，可大幅度提高伪随机序列测高的精度，使得测高精度控制在一个码元间隔内。
本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：
一种无线电高度表，包含I级直接复序列扩频模块、II级直接序列扩频模块、II级相关运算模块、I级复相关运算模块、发射信号复序列相关峰值定位模块、接收信号复序列相关峰值定位模块、加窗FFT计算高度精度模块、高度测算模块；其中
I级直接复序列扩频模块：使用复序列对数据信息扩频，生成I级扩频数据；
II级直接序列扩频模块：采用实序列对I级扩频数据进行II级直接序列扩频，生成II级扩频数据作为发射信号发射；
II级相关运算模块：对无线电高度表设备的发射信号和接收信号根据实相关运算公式分别与本地产生的II级扩频数据进行实相关运算；
I级复相关运算模块：将实相关运算结果与本地的I级扩频数据进行复相关运算，得到发射信号复相关运算和接收信号复相关运算的输出值；
发射信号复序列相关峰值定位模块：根据发射信号复相关运算的输出值，寻找发射信号复相关运算出现最大相关峰值的位置；
接收信号复序列相关峰值定位模块：根据接收信号复相关运算的 输出值，寻找接收信号复相关运算出现最大相关峰值的位置；
加窗FFT计算高度精度模块：采用FFT对接收信号复相关运算的最大相关峰值为中心对接收信号复相关运算结果进行加窗处理，得到测量高度精度对应于伪随机序列一个码元内的时延τ1；
高度测算模块：根据发射信号复序列相关峰值定位模块和接收信号复序列相关峰值定位模块得到发射信号和接收信号对应于伪随机序列整数倍码元的时延τ2，对两个时延根据进行数学运算，可以得到航空器飞行过程中当前位置的高度。
优选地，所述I级直接复序列扩频模块采用CAZAC复序列对数据信息扩频；
所述加窗FFT计算高度精度模块的FFT的窗长度为8。
优选地，所述II级直接序列扩频模块采用的实序列为M序列或m序列。
优选地，所述II级直接序列扩频模块可根据高度表的测高范围自适应增加II级直接序列扩频模块的个数，各个II级直接序列扩频模块通过级联方式连接；II级直接序列扩频模块的个数确定II级相关运算模块的个数。
本发明的另一目的在于提供一种飞行器高度测量方法，包含以下步骤：
a)、采用双序列迭代扩频机制生成I级扩频数据、II级扩频数据并进行发射；
b)、对无线电高度表的发射信号和接收信号根据实相关运算公式 分别与本地产生的II级扩频数据进行实相关运算;
c)、将实相关运算结果与本地的I级扩频数据进行复相关运算，得到发射信号复相关运算和接收信号复相关运算的输出值；
d)、以接收信号复相关运算的最大相关峰值为中心对接收信号复相关运算结果进行加窗处理，得到测量高度精度对应于伪随机序列一个码元内的时延τ1；
e)、根据发射信号复序列相关峰值定位和接收信号复序列相关峰值定位得到发射信号和接收信号对应于伪随机序列整数倍码元的时延τ2，对上述两个时延根据进行数学运算，可以得到航空器飞行过程中当前位置的高度。
优选地，所述双序列迭代扩频机制为采用I级扩频码为CAZAC复序列，II级扩频码为M序列或m序列，同时可根据高度表的测高范围自适应增加II级扩频码的个数进行多进制扩频。
优选地，所述加窗处理采用窗长度为8的FFT运算。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本无线电高度表系统采用双序列迭代扩频机制，能够根据用户对高度测量范围的需求自适应增加或减少II级直接序列扩频模块的个数来达到伪随机序列长度的增加或减少，在具有相同处理增益的前提下，降低了寻找长周期伪随机序列的难度以及实现长周期伪随机序列的复杂度。
2、以接收信号复序列相关运算的最大相关峰值为中心进行加窗FFT运算，使得测量高度的精度控制在一个伪随机序列的码元间隔 内，有效提高了测量高度的精度，同时此方法与码元速率有关，传统的扩频测高方式测高精度为米（Rsymbol为信号的码元速率，单位为Hz），而采用本发明的加窗FFT运算在相同码元速率的条件下，测高精度范围能控制在米以内。
附图说明
图1为本发明无线电高度表实施方案原理框图；
图2为I级直接复序列扩频模块；
图3为一个II级直接复序列扩频模块输出示意图；
图4为两个II级直接复序列扩频模块级联输出示意图；
图5为II级相关运算模块；
图6为I级复相关运算模块；
图7为发射信号复序列相关峰值定位模块；
图8为接收信号复序列相关峰值定位模块；
图9为加窗FFT计算高度精度模块；
其中输入输出端口数字不代表具体含义。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。（以QPSK调制为例）：
如图1所示，本发明实施方案流程如下：
（1）I级直接复序列扩频模块
如图2所述，信息传输开始，由于无线电高度表只用来进行高度测算，不传输有效的数据信息，本发明初始码元传输为常量比特1，本模块即对1进行复序列直接扩频，得到I和Q两路数据。（图2右侧为相应时序结果）
在此模块中，为降低伪随机序列峰值检测所需的信噪比门限，采用CAZAC复序列作为第I级扩频码。
（2）II级直接序列扩频模块
如图3所示，为有效利用CAZAC复序列的自相关性能，采用CAZAC复序列与其他伪随机序列相结合的迭代扩频机制，对步骤1中得到的I和Q路数据分别进行II级直接序列扩频，扩频码为M序列或m序列或其他伪随机序列。本发明采用互相性较低自相关性较好的两组伪随机序列作为1和0对应的扩频码，即1采用PN_I进行扩频，0采用PN_Q进行扩频，PN_I和PN_Q两组扩频码长度相等(两个扩频码PN_I和PN_Q可互换)（图3下图为部分实际扩频运算结果）。如图4所示，同时可以根据测高范围自适应增加II级直接序列扩频模块的个数，即对第一个II级直接序列扩频模块的输出继续进行按照前述进行直接序列扩频。
（3）II级相关运算模块和I级复相关运算模块
首先根据II级直接序列扩频模块的个数确定进行II级相关运算模块的个数。发射信号根据实相关运算公式分别与本地产生的PN_I和PN_Q进行相关运算，如图5所示；发射信号实相关运算的结果与本地的CAZAC复序列（确定序列）进行复相关运算，得到发射信号 复相关运算的输出值，如图6所示。接收信号的II级相关运算模块和I级复相关运算模块与发射信号的类似。
（4）发射信号复序列相关峰值定位模块
设定伪随机序列相关峰值检测的门限值，根据发射信号复相关运算的输出值，寻找发射信号复相关运算出现最大峰值的位置，记录为时间量T1。
（5）接收信号复序列相关峰值定位模块
设定伪随机序列相关峰值检测的门限值，根据接收信号复相关运算的输出值，寻找接收信号复相关运算出现最大峰值的位置，记录为时间量T2。
（6）加窗FFT计算高度精度模块
以接收信号复相关运算出现最大峰值的位置为中心，设定FFT运算的窗长度为8，对接收信号复相关运算结果进行八点FFT运算，得到运算结果的实部Rreal和虚部Rimag，根据数学公式对八点FFT运算结果的第一个值Rreal1和虚部Rimag1计算即得到一个码元内的时延τ1，τ1＝αTsymbol，其中Tsymbol为发射（接收）信号一个码元的持续时间，α∈[0,1]，τ1即为无线电高度表测高的精度。高度精度的控制由FFT点数和每个符号Rsymbol内的采样点个数N有关。由于采用CAZAC复序列的相关运算结果进行FFT运算，根据复序列零自相关的特性，以相关运算得到的最大相关峰值中心对称的左右4个点参与FFT运算即可，八点FFT运算即能节省FPGA资源使用量，又能有 效提高无线电高度表的测高精度。当τ1与接收信号每个符号Rsymbol内的采样点个数N有关时，τ1＝αTsymbol又可以写成N为自然数。当发射信号符号率固定时，通过增大接收信号每个符号Rsymbol内的采样点个数N可以有效提高无线电高度表的测高精度。
（7）高度测算模块
根据发射信号复序列相关峰值定位模块和接收信号复序列相关峰值定位模块得到的两个时间量T1和T2，计算得到发射信号到接收信号的时间差τ2＝|T2-T1|，τ2对应于整数倍码元间隔的时延，即τ2＝nTsymbol，n为自然数。
对步骤（6）和步骤（7）中得到的时延值根据（C为光速）进行数学运算，可以得到航空器飞行过程中当前位置的高度。
通过我们的仿真以及工程实践，成功解决了航空航天飞行器中无线电高度表对测量高度以及测量精度的各种需求。相对于业界传统的扩频测距技术，完成了一个很大的突破，本发明充分发挥了软件无线电“平台通用化与可集成化”的思想，缩短了无线电高度表系统开发的更新周期；采用双序列迭代扩频机制进行伪随机序列长度的增加，达到伪随机长度根据高度表的测高范围进行自适应增加，简单易行；采用CAZAC复序列作为I级扩频的伪随机序列，无线电高度表测量的可靠性能更高；采用FFT对复序列相关运算得到的峰值进行加窗处理，大幅度提高伪随机测距的精度，同时无需提高伪随机的码元速率，降低了硬件电路设计对ADC转换速率的要求。

Claims (7)

1.一种无线电高度表，包含I级直接复序列扩频模块、II级直接序列扩频模块、II级相关运算模块、I级复相关运算模块、发射信号复序列相关峰值定位模块、接收信号复序列相关峰值定位模块、加窗FFT计算高度精度模块、高度测算模块；其中
I级直接复序列扩频模块：使用复序列对数据信息扩频，生成I级扩频数据；
II级直接序列扩频模块：采用实序列对I级扩频数据进行II级直接序列扩频，生成II级扩频数据作为发射信号发射；
II级相关运算模块：对无线电高度表设备的发射信号和接收信号根据实相关运算公式分别与本地产生的II级扩频数据进行实相关运算；
I级复相关运算模块：将实相关运算结果与本地的I级扩频数据进行复相关运算，得到发射信号复相关运算和接收信号复相关运算的输出值；
发射信号复序列相关峰值定位模块：根据发射信号复相关运算的输出值，寻找发射信号复相关运算出现最大相关峰值的位置；
接收信号复序列相关峰值定位模块：根据接收信号复相关运算的输出值，寻找接收信号复相关运算出现最大相关峰值的位置；
加窗FFT计算高度精度模块：采用FFT对接收信号复相关运算的最大相关峰值为中心对接收信号复相关运算结果进行加窗处理，得到测量高度精度对应于伪随机序列一个码元内的时延τ1；
高度测算模块：根据发射信号复序列相关峰值定位模块和接收信号复序列相关峰值定位模块得到发射信号和接收信号对应于伪随机序列整数倍码元的时延τ2，对两个时延根据进行数学运算，可以得到航空器飞行过程中当前位置的高度；其中C为光速。
2.根据权利要求1所述的一种无线电高度表，其特征在于所述I级直接复序列扩频模块采用CAZAC复序列对数据信息扩频；
所述加窗FFT计算高度精度模块的FFT的窗长度为8。
3.根据权利要求1所述的一种无线电高度表，其特征在于所述II级直接序列扩频模块采用的实序列为M序列或m序列。
4.根据权利要求1或3所述的一种无线电高度表，其特征在于所述II级直接序列扩频模块可根据高度表的测高范围自适应增加II级直接序列扩频模块的个数，各个II级直接序列扩频模块通过级联方式连接；II级直接序列扩频模块的个数确定II级相关运算模块的个数。
5.根据权利要求1至4任一所述的无线电高度表的飞行器高度测量方法，包含以下步骤：
a)、采用双序列迭代扩频机制生成I级扩频数据、II级扩频数据并进行发射；
b)、对无线电高度表的发射信号和接收信号根据实相关运算公式分别与本地产生的II级扩频数据进行实相关运算；
c)、将实相关运算结果与本地的I级扩频数据进行复相关运算，得到发射信号复相关运算和接收信号复相关运算的输出值；
d)、以接收信号复相关运算的最大相关峰值为中心对接收信号复相关运算结果进行加窗处理，得到测量高度精度对应于伪随机序列一个码元内的时延τ1；
d)、根据发射信号复序列相关峰值定位和接收信号复序列相关峰值定位得到发射信号和接收信号对应于伪随机序列整数倍码元的时延τ2，对上述两个时延根据进行数学运算，可以得到航空器飞行过程中当前位置的高度。
6.根据权利要求5所述的飞行器高度测量方法，其特征在于所述双序列迭代扩频机制为采用I级扩频码为CAZAC复序列，II级扩频码为M序列或m序列，同时可根据高度表的测高范围自适应增加II级扩频码的个数进行多进制扩频。
7.根据权利要求5所述的飞行器高度测量方法，其特征在于所述加窗处理采用窗长度为8的FFT运算。
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