CN104702350A - 一种航空无线通信系统的无线电测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种航空无线通信系统中的无线电测距系统，由测距发起设备进行自主定时，通过上行链路周期性在测距报文与业务信息融合模块中进行测距指令发射。测距应答设备的上行链路测距指令识别模块在业务信息同步的基础上有效识别测距指令信息，输出识别脉冲信息。应答指令生成模块结合识别脉冲信息及本机组帧状态生成包含应答使能及处理时延的测距应答指令。测距报文与业务信息融合模块中对测距应答指令进行处理，组成特定测距报文通过下行链路进行发射。下行链路测距报文解析模块在业务信息同步的基础上对测距应答设备发射的测距报文进行处理，最终由距离解算滤波模块结合本机状态完成测距信息解算与滤波处理，输出设备间距离信息。

Description

一种航空无线通信系统的无线电测距系统

技术领域

本发明涉及航空航天的无线通信领域，尤其涉及航空航天飞行器中的无线通信测距设备。

技术背景

无线电测距是航空航天通信系统中的关键功能模块之一。通信链路的收发双方能够根据距离信息准确估计链路衰减，实现功率控制。另一方面，通过测距信息、测角信息及测高信息的综合解算，能够获得航空(天)器的定位信息。这种主动定位信息对外界环境的依赖性小，是GPS以外的一种重要定位方法。

传统的无线电测距技术主要分为侧音测距技术与伪码测距技术。

侧音测距的工作原理是利用发射信号与接收信号的相位差值来测算发射信号在收发信机之内空间传输距离。侧音测距的特点是将几组特定频率分布及幅度分布的单音信号综合起来使用，其中，大波长信号(匹配侧音)用于解算测距模糊，满足系统的测距范围需求；小波长信号(主侧音)用于保证侧音测距的精度，通过综合主侧音及匹配侧音的优缺点来同时满足测距精度与测距范围的要求。该方法的测距精度可以做得较高，但其不能有效兼容其他通信体制，需要额外的接收通道对这几组单音信号进行窄带接收，导致其系统实现复杂，不能满足特定环境下的测距要求。

伪码测距具有测距范围大、抗干扰能力强与保密性能好的优点。其利用伪码周期来满足测距范围的要求，同时利用伪码速率及信噪比来提高测距精度。但是该方法转发的伪码信息无法避免电磁环境的一次干扰，降低了转发灵敏度，可能引起二次接收链路的系统失锁；转发测距体制的上下行链路需要相关，系 统参数需要进行详细设计，复杂度大大增高；另一方面，测距使用的伪码序列需要正交于数据帧的同步序列，需额外接收通道，占用频谱资源。

总而言之，上述两种测距技术体制与航空航天既定通信系统采用的信道资源、软硬件资源有一定的冲突，使成熟的通信体制难以通过较小的改动代价为系统增添测距功能，因而需要设计一种基于信道共享的无线电测距方法，尽可能降低系统升级带来的额外资源消耗。

发明内容

为了满足航空航天飞行器对无线电测距设备距离信息高精度、宽范围的需求，以及机载设备体积小、重量轻、低成本并具备多波形共享信道传输的能力，本发明的发明目的在于提供一种航空无线通信系统中的无线电测距系统，将测距信息融入现有的通信体制中，以实现无线电测距信息与遥控遥测等业务信息共享信道传输，从而达到无线电测距设备降成本、提性能的目的。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种航空无线通信系统中的无线电测距系统，包含测距报文与业务信息融合模块、上行链路测距指令识别模块、应答指令生成模块、下行链路测距报文解析模块、距离解算滤波模块。

所述测距报文与业务信息融合模块用于生成第一随机序列、与第一随机序列同步正交的第二随机序列；所述测距报文与业务信息融合模块还用于在常规通信帧结构中填充测距指令报文后通过上行链路发射测距指令信息，以及根据应答指令生成模块提供的信息在常规通信帧结构中填充测距应答报文通过下行链路发射测距应答信息；所述测距指令报文由第一随机序列和第二随机序列构成；

所述上行链路测距指令识别模块用于根据业务信息同步信道，将第一随机序列、第二随机序列分别与接收到的测距指令信息作相关处理，识别测距指令信息状态，输出测距指令识别脉冲；

所述应答指令生成模块用于根据上行链路测距指令识别模块输出的测距指令识别脉冲，结合本机传输状态信息，计算获得应答标志信息及应答处理时延信息并输出给测距报文与业务信息融合模块；

所述下行链路测距报文解析模块用于利用业务信息同步信道接收测距应答信息进行数据解调接收，对测距应答信息中的测距应答报文进行处理，输出测距标志信息及未校准距离信息；

所述距离解算滤波模块用于对下行链路测距报文解析模块输出的未校准距离信息进行进一步处理，最终输出准确、可靠的距离测算信息。

进一步，所述测距指令报文包含非测距指令码和测距指令码，所述非测距指令码采用第一随机序列，所述测距指令码采用与第一随机序列同步正交的第二随机序列。

进一步，所述第一随机序列、第二随机序列采用m序列、M序列或Kasami序列，第一随机序列、第二随机序列的长度L为2^m-1、2^m，m为大于等于5的自然数。

进一步，以第一随机序列、第二随机序列的个数比作为脉冲宽度比N，N根据业务需求定义为1、2、3或4。

进一步，所述测距应答报文根据测距应答设备提供的测距应答指令进行信道编码及同步扩频处理后产生。

进一步，所述信道编码采用CRC-RS码或CRC-RM码。

进一步，所述同步扩频采用SS倍扰扩方式，SS根据业务需求及编码码型定义为1、2、3或4。

进一步，所述应答处理时延信息的量化位数由帧长和采样时钟决定。

进一步，所述下行链路测距对测距应答报文进行处理包括：同步解扩、RS/RM译码处理，同时根据CRC校验结果剔除错误的测距报文信息，输出可靠应答标志信息及应答处理时延信息，与本机计数进行协同运算，输出测距标志信息及未校准距离信息。

进一步，所述距离解算滤波模块对下行链路测距报文解析模块输出的未校准距离信息进行进一步处理包括：基于后验信息的坏点剔除、平滑滤波处理，并在系统的逻辑控制下，消除通信系统中基带及射频处理的群延迟，最终输出准确、可靠的距离测算信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.利用资源融合思想，将测距业务定义为测距指令报文及测距应答报文，穿插在业务信道中进行传输，共享业务信道同步资源，以较小的扩展开销获得良好的无线电测距性能。

2.测距指令报文选用两组同步正交码分别作为非测距指令码及测距指令码，充分利用同步正交码的互相关特性，实现上行链路测距指令的高灵敏度识别，有效降低扩展开销。

3.测距应答报文采用信道编码、同步扩频方法对测距应答指令进行冗余处理，使测距系统接收灵敏度兼容业务信道接收灵敏度的限制，保障测距系统的稳定、可靠运行。

4.在距离解算过程中，严格控制并分析测距流程各节点时延信息不确定度，在时钟稳定度较差的环境下也能获得较高的测距精度。

5.对解算距离信息进行基于可靠后验信息的坏点剔除与平滑滤波处理并完成群延迟信息校准，进一步提高系统测距信息的精度及可靠性。

附图说明

图1为本发明一种航空无线通信系统中的无线电测距系统的结构示意图；

图2为本发明中将常规通信帧与测距报文相结合的示意图；

图3为本发明中测距报文与业务信息融合模块的功能示意图；

图4为本发明中上行链路测距指令识别模块的功能示意图；

图5为本发明中应答指令生成模块的功能示意图；

图6为本发明中下行链路测距报文解析模块的功能示意图；

图7为本发明中距离解算滤波模块的功能示意图。

具体实施方式

下面根据附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明主要包括测距报文与业务信息融合模块、上行链路测距指令识别模块、应答指令生成模块、下行链路测距报文解析模块、距离解算滤波模块。测距发起设备进行自主定时，通过上行链路周期性在测距报文与业务信息融合模块中进行测距指令发射。测距应答设备的上行链路测距指令识别模块在业务信息同步的基础上有效识别测距发起设备发射的测距指令信息，输出识别脉冲信息。测距应答设备的应答指令生成模块结合识别脉冲信息及本机组帧状态生成包含应答使能及处理时延的测距应答指令。测距应答设备在其测距报文与业务信息融合模块中对测距应答指令进行信道编码及同步扩频处理， 组成特定测距报文通过下行链路进行发射。测距发起设备的下行链路测距报文解析模块在业务信息同步的基础上对测距应答设备发射的测距报文进行解扩、译码处理，解析获得测距应答指令，提取有效处理时延信息，最终由距离解算滤波模块结合本机状态完成测距信息解算与滤波处理，输出设备间距离信息。

下面通过实施例对本发明作进一步的详细描述。

假定测距收发设备均采用符号率R_symbol为4Msps的QPSK进行数据传输，辅助信息符号数x bits，业务信息(比如按块传输的话音信息、图像信息或空中交通管制信息等)符号数y bits。接收机采样速率f为64MHz(时钟晶振稳定度S为1ppm)。测距范围限制为0～500Km。本发明的实施方案如下：

(1)测距报文与业务信息融合模块

如图2所示，针对上下行链路测距角色定义，采用资源融合思想，在常规通信帧结构中穿插z符号测距业务报文，其包含测距指令报文和测距应答报文。如图3所示，在测距发起设备中，测距报文与业务信息融合模块在业务信息中填充测距指令报文。在测距应答设备中，测距报文与业务信息融合模块在业务信息中填充测距应答报文。将测距业务穿插在业务信道中进行传输，可以共享业务信道同步资源，以较小的扩展开销获得良好的无线电测距性能。

测距指令报文通过填充某第一随机序列(以下简称：PNN)作为非测距指令码，填充与PNN序列同步正交的第二随机序列(以下简称：PNY)作为测距指令码进行信息融合发射，PNN与PNY包括但不限于m序列、M序列及Kasami序列，其长度L可根据业务需求定义为31、32、63、64……2^m-1、2^m等,m取大于等于5的自然数。引入脉冲宽度比参量N，其为PNN与PNY的个数比；脉冲宽度比N与帧长度T_f共同决定系统测距范围，N可根据业务需求定义为1、2、3、4等。本实施例中选择L为128，N为3，帧长度T_f为1.184ms，最高支持 3*10⁸(m/s)*N*T_f(s)/2＝532km范围内的测距需求。测距指令报文选用两组同步正交码分别作为非测距指令码及测距指令码，充分利用同步正交码的互相关特性，实现上行链路测距指令的高灵敏度识别，有效降低扩展开销。

测距应答报文对测距应答设备提供的测距应答指令进行信道编码及同步扩频处理，与业务信息进行融合发射。信道编码可采用CRC-RS码、CRC-RM码等，同步扩频采用SS倍扰扩方式，SS根据业务需求及编码码型定义为1、2、3、4等。本实施例中选择码率为1/2的CRC-RM码，同步扩频因子SS为4。测距应答报文采用信道编码、同步扩频方法对测距应答指令进行冗余处理，使测距系统接收灵敏度兼容业务信道接收灵敏度的限制，保障测距系统的稳定、可靠运行。

(2)上行链路测距指令识别模块

如图4所示，上行链路测距指令识别模块利用业务信息同步信道，本地产生PNN与PNY序列，分别与接收测距业务信息作相关处理，利用PNN与PNY的同步正交特性，有效识别测距指令信息状态，输出测距指令识别脉冲。

(3)应答指令模块 

如图5所示，应答指令生成模块根据上行链路测距指令识别模块输出的测距指令识别脉冲，结合本机传输状态信息，计算获得应答标志信息及应答处理时延信息Acnt，Acnt量化位数由帧长T_f和采样时钟f决定。本实施例中，Acnt最高取值为T_f*f＝75776，需要采用17bit量化，加上1bit应答标志信息共计18bit信息组成应答指令信息进行下行传输。

(4)下行链路测距报文解析模块

如图6所示，下行链路测距报文解析模块利用业务信息同步信道进行数据解调接收，对测距应答报文进行同步解扩、RS/RM译码处理，同时根据CRC校 验结果剔除错误的测距报文信息，输出可靠应答标志信息及应答处理时延信息Acnt，与本机计数Gcnt进行协同运算，输出测距标志信息及未校准距离信息。在距离解算过程中，严格控制并分析测距流程各节点时延信息不确定度，在时钟稳定度较差的环境下也能获得较高的测距精度。

(5)距离解算滤波模块

距离解算滤波模块对下行链路测距报文解析模块输出的距离信息进行基于后验信息的坏点剔除、平滑滤波处理，获得稳定可靠距离信息。并在系统的逻辑控制下，消除通信系统中基带及射频处理的群延迟，最终输出准确、可靠的距离测算信息。对解算距离信息进行基于可靠后验信息的坏点剔除与平滑滤波处理并完成群延迟信息校准，可进一步提高系统测距信息的精度及可靠性。

Claims (10)

1.一种航空无线通信系统中的无线电测距系统，包含测距报文与业务信息融合模块、上行链路测距指令识别模块、应答指令生成模块、下行链路测距报文解析模块、距离解算滤波模块，其特征在于：

所述测距报文与业务信息融合模块用于生成第一随机序列、与第一随机序列同步正交的第二随机序列；所述测距报文与业务信息融合模块还用于在常规通信帧结构中填充测距指令报文后通过上行链路发射测距指令信息，以及根据应答指令生成模块提供的信息在常规通信帧结构中填充测距应答报文通过下行链路发射测距应答信息；所述测距指令报文由第一随机序列和第二随机序列构成；

所述上行链路测距指令识别模块用于根据业务信息同步信道，将第一随机序列、第二随机序列分别与接收到的测距指令信息作相关处理，识别测距指令信息状态，输出测距指令识别脉冲；

所述应答指令生成模块用于根据上行链路测距指令识别模块输出的测距指令识别脉冲，结合本机传输状态信息，计算获得应答标志信息及应答处理时延信息并输出给测距报文与业务信息融合模块；

所述下行链路测距报文解析模块用于利用业务信息同步信道接收测距应答信息进行数据解调接收，对测距应答信息中的测距应答报文进行处理，输出测距标志信息及未校准距离信息；

所述距离解算滤波模块用于对下行链路测距报文解析模块输出的未校准距离信息进行进一步处理，最终输出准确、可靠的距离测算信息。

2.根据权利要求1所述的无线电测距系统，其特征在于所述测距指令报文包含非测距指令码和测距指令码，所述非测距指令码采用第一随机序列，所述测距指令码采用与第一随机序列同步正交的第二随机序列。

3.根据权利要求1或2所述的无线电测距系统，其特征在于所述第一随机序列、第二随机序列采用m序列、M序列或Kasami序列，第一随机序列、第二随机序列的长度L为2^m-1、2^m，m为大于等于5的自然数。

4.根据权利要求1或2所述的无线电测距系统，其特征在于以第一随机序列、第二随机序列的个数比作为脉冲宽度比N，N根据业务需求定义为1、2、3或4。

5.根据权利要求1所述的无线电测距系统，其特征在于所述测距应答报文根据测距应答设备提供的测距应答指令进行信道编码及同步扩频处理后产生。

6.根据权利要求5所述的无线电测距系统，其特征在于所述信道编码采用CRC-RS码或CRC-RM码。

7.根据权利要求5所述的无线电测距系统，其特征在于所述同步扩频采用SS倍扰扩方式，SS根据业务需求及编码码型定义为1、2、3或4。

8.根据权利要求1所述的无线电测距系统，其特征在于所述应答处理时延信息的量化位数由帧长和采样时钟决定。

9.根据权利要求1所述的无线电测距系统，其特征在于所述下行链路测距对测距应答报文进行处理包括：同步解扩、RS/RM译码处理，同时根据CRC校验结果剔除错误的测距报文信息，输出可靠应答标志信息及应答处理时延信息，与本机计数进行协同运算，输出测距标志信息及未校准距离信息。

10.根据权利要求1所述的无线电测距系统，其特征在于所述距离解算滤波模块对下行链路测距报文解析模块输出的未校准距离信息进行进一步处理包括：基于后验信息的坏点剔除、平滑滤波处理，并在系统的逻辑控制下，消除通信系统中基带及射频处理的群延迟，最终输出准确、可靠的距离测算信息。