CN1090646A - 高噪声强天波干扰下的罗兰c地波周期识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电导航技术，特别是一种高噪声 强天波干扰下的罗兰C地波周期方法，它是在对射 频取样生成法中采用的由两个相邻的取样值线性组 合而成的导出包络进行分析的基础上，提出一种全新 的单取样导出包络及其优化组合，即E(N)＝f(7)-f (2N-3)和Ec(N)＝E(N)+E(N-1)，同时利用现代 检测技术编制软件应用于罗兰C接收机中，解决了 目前罗兰C接收机存在的识别可靠性低和抗天波能 力差等问题，它适用于各种罗兰C接收机中。

Description

本发明涉及无线电导航技术，特别是一种罗兰C地波周期识别技术。

罗兰C是一种采用脉冲相位体制的无线电导航系统。罗兰C接收机是罗兰C导航系统的用户设备，安装在舰船、飞机和移动车辆上，由同时跟踪三个以上的地面发射台信号，以获取两个以上的地面发射台信号到达时间差而实现双曲线定位，进而由计算机将双曲线座标变换为经纬度坐标。由于在天线波混合区，存在着比地波大6～20dB的大气噪声和比地波大10～26dB的天波，这种信号环境使地波周期识别变得不可靠，出现周期错误而使定位失效，这种情况阻碍了罗兰C地波工作区的进一步扩大。

罗兰C地波周期识别的方法，通常是对罗兰C信号进行变换，然后输出一个导出包络，目的是为了在所要对准的载频周期上变出一个包络的过零点来，以便对其进行检测。导出包络变换的方法有微分法、延时相加法和射频取样生成法等，微分法和延时相加法主要采用硬件来完成，而射频取样生成法则采用软件来完成，从实际情况看，软件比硬件方法更为优越。美国报告AD872028介绍了一种导出包络，它是取射频信号的两个相邻半周取样值的线性组合。即E₀（N）＝kf（2N-1）+f（2N-2），由此导出包络编制的软件应用于罗兰C接收机中，虽然取得了一定的效果，但还存在以下问题，即导出包络的信噪比比较低，常返区太窄，滑过状态数太少，在罗兰C地波信号的起始30μs时间内，导出包络的值很小，常常因为达不到检测门限而使周期识别失效，同时这种导出包络的抗天波能力较差。

本发明的目的，在于提出一种全新的导出包络和导出包络优化组合，并利用现代检测技术编制软件应用于罗兰C接收机中，以提高地波周期识别的可靠性和突破天线波混合区严重的大气噪声和天波干扰对罗兰C接收机地波作用距离的限制。

本发明的目的是这样实现的：

实际上，罗兰C地波周期识别不是在单一的地波信号G（t）上进行的，而是由地波信号G（t）、天波信号I（t）、大气噪声N（t）这三部分合成信号上进行的，即f（t）＝G（t）+I（t）+N（t），由于大气噪声N（t）是一个随机过程，因此合成信号f（t）也是一个随机过程。由相隔5μs，起点在2.5μs处的取样脉冲序列

$S\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\δ}(t-\mathrm{nT}-t_0)$

对信号f（t）取样得到

$f\·\left(t\right)=f\left(t\right)\·S\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}f\·\left(\mathrm{nT}\right)\mathrm{\δ}(t-\mathrm{nT}-t_0)$

其中T为取样脉冲间隔5μs，t₀为第一个取样脉冲出现的时刻2.5μs，这样可以使取样脉冲对准了地波信号的各个半波峰值，这里用f（n）表示地波信号的半波峰值。为了有效地提高周期识别检测的可靠性，必须设计一种导出包络，确定包络的过零即周期跟踪点G。这时，首先在该状态对导出包络值进行积累，提高信噪比和周期识别检测的可靠性，然后采用对三个假设的检验。

这三个假设就是：负信号H_N，零信号H_O以及正信号H_P。当检测到导出包络统计量x小于负门限G_N时，则认为假设H_N成立;当x小于G_N小于正门限G_P时，则认为假设H₀成立;当x大于G_P时，则认为假设H_P成立。

如果假设H_N成立，则令周期识别取样脉冲负跳10μs，进入左边的N-1状态;如果假设H_P成立，则令周期识别取样脉冲正跳10μs，进入右边的N+1状态;如果假设H₀成立，则令周期识别取样脉冲保持不动。周期识别的这种从一个状态跳向另一个状态的现象叫做状态转移。周期识别转移至新的状态后，再次进行导出包络的积累和检测，再做新一步的状态转移，如此循环往复直至无穷。这样，在进行有限步的状态转移之后，周期识别就达到了设计的周期跟踪点G，接收机就进入了锁定状态。

在任何状态下，每次检测的结果都有三种可能性，在积累次数选定后，一步转移的概率就是不变的，我们把此叫做转移概率。例如，当前处在状态4之下，其一步转移概率就是P₄₃、P₄₄和P₄₅。这里P₄₃是从状态4转移到状态3的概率，P₄₄是从状态4转移至状态4，也即保持不动的概率，P₄₅是从状态4转移至状态5的概率。

研究表明，地波周期识别是一个随机过程，它是一个时间离散、状态离散的MapkoB随机过程，也即MapkoB链，如图1所示，这个周期识别MapkoB链可以简化成一个带双吸收壁的随机游动来加以研究。它的左吸收壁对应于地波信噪比过低的区域，由于向左转移的概率实际接近于零，因而永远转移不到G点，这就等同于被吸收;它的右吸收壁对应于强劲的天波导出包络，由于受到强大天波的干扰，向左转移的概率实际为零，也永远转移不到G点，这也等同于被吸收。

从图1看出，周期识别一旦转移到两端的状态3或者状态7，就将被吸收，永远停留在那里。所以把它们叫做吸收壁。

两个吸收壁之间的三个状态可以相互自由转移，把它们叫做滑过状态。三个滑过状态的集合就叫做常返压。状态5叫做周期跟踪点G。

周期识别的状态转移矩阵如下：

根据矩阵分块

可以计算周期识别的平均寿命、首次到达G点的时间、首次滑出G点的时间以及转移概率的极限分布等，从而可以找出提高周期识别可靠性的途径。

如果把地波周期识别可靠性定义为P_i和P_iG/k的乘积之和

$R_c=\underset{i\⊆T}{\mathrm{\Σ}}{p}_i\·p_{\mathrm{ic}}/R$

式中T为所有滑过状态。

可见提高上式中两个因子的值，是提高地波周期识别可靠性关键。

前述A报告AD872028提出的导出包络如图2所示。

图2中，G为地波过零点，它的位置主要由地波所决定，也受到天波起始段的干扰;I为天波过零点，它的位置主要由天波所决定，也受到地波峰值段的干扰;C点为天线波混合反向过零点，是天地波在这里混合达到均势的结果。当周期识别处于G点时，有两个受干扰的取样数据。同时在G点的左边，由于f（（2N-1）、f（2N-2）的值随着N的减小先是增大，然后，逐渐下降至零，故其滑过状态数只有一个，即40μs点，而在30μs～10μs点，因其达不到门限G_P值，故而不能自由转移到G点。，这样，在高噪声强天波干扰下，不但首次进入滑过状态的概率大大降低，而且在进入滑过状态之后，在有限转移步数k之内，滑向相位跟踪点G的条件概率P_iG/k也将大大减小，使得周期识别不能正常进行。故必须寻求一种全新的导出包络E（N），将E_O（N）的滑过状态数向左和向右拓展，这样才能提高进入滑过状态的概率P_i及滑向相位跟踪点的条件概率P_iG/k。

本发明设计一种全新的单取样导出包络，以求把E₀（N）的滑过状态数向左拓展，即：

E（N）＝f（7）-f（2N-3）

式中f（7）是f（t）的第7个半周幅度值，对一个具体的接数机来说，它是一个常数，f（2N-3）是唯一的一个实时取样数。同时，设计了导出包络的优化组合以求把E_O（N）的滑过状态数向右拓展，即

E_C（N）＝E（N）+E（N-1）

式中的“+”号并不表示真正意义的相加，而只是表示E（N）和E（N-1）之间的组合关系，上式中E（N-1）定义为

E（N-1）＝f（5）-f（2N-5）

由于在夜间，大气噪声高而天波延时大，专门为夜间的周期设计了导出包络

E_N（N）＝f（9）-f（2N-1）

及其组合，

E_NC（N）＝E_N（N）+E_N（N-1）

在设计导出包络和导出包络优化组合以及夜间的单取样包络及其组合之后，通过运用现代检测技术，在周期识别的任一滑过状态上，对子样容量的各组数据之间实施最小二乘递推滤波，以提高周期识别的信噪比，充分提高条件概率P_ig/k之值，并采用Wald序贯检测方法，把它同最小二乘递推滤波结合起来，以缩短锁定时间k，把条件概率P_iG/k提高到最大值。

由于设计出了合理的导出包络E（N）和Ec（N），获得了对E_O（N）滑过状态数的向左和向右拓展。如图2所示，当周期识别处于G点时，E（N）和E_O（N）的均值都为零，此时，E（N）只有一个受干扰的数据，而E_O（N）存在有两个受干扰的数据，故E（N）的信噪比要比E_O（N）高出约3dB，这将有利于条件概率P_iG/k的提高。在G点的左边，由于E（N）的值随着N的减小而单调地增加至f（7），E（N）就把E_O（N）的滑过状态数至少向左扩大了三个，实现了常返区的左拓展。当周期识别落在C点附近时，导出包络E_O（N）已受到天波的严重干扰，然而这时的导出包络E（N-1）仍然没有受到天波的严重干扰，故仍然实现从C点向左转移而最后到达G点，即导出包络的优化组合实现了把E_O（N）的滑过状态数向左拓展了一个状态。通过常返区的左、右拓展之后，常返区的滑过状态数由原来的3个增加至7个，这不仅提高了初始概率P_i之和，也提高了条件概率P_iG/k。同样，夜间工作导出包络及其组合的设计，躲避了夜间大气噪声高的问题。另外，现代检测技术的运用，把条件概率P_iG/k提高到了最大值，使得地波周期识别的可靠性得到提高，突破了天地波混合区严重的大气噪声和天波干扰对罗兰C接收机地波作用距离的限制。

以下结合流程图对本发明的实施作进一步的描述。

图3为本发明的主程序的流程图

图4为本发明的中断服务子程序的流程图。

参照图3，首先对中断子程序中各计数器置零，然后根据接收机所指示的当地时间判断是白天还是夜间，规定当地时5～20时为白天，其余为夜间，当判断为白天时，设置白天导出包络常数，如果为夜间，则设置夜间导出包络常数，然后打开中断，停机等待中断来临。

参照图4，1.进行组重复周期内的长脉冲积累，以提信噪比，然后对各个组重复周期间的数据进行1024个重复周期的积累，3.生成导出包络E（N），E（N-1），4.完成白天/夜间导出包络的切换。

5.实施衰减记忆最小二乘递推滤波，一方面提高数据的信噪比。

6.对导出包络及其组合的序贯检测。

7.周期识别过程完成。

Claims (2)

1、一种高噪声强天波干扰下的罗兰C地波周期识别中的导出包络，在对射频取样生成法中采用的由两个相领的取样值线性组合而成的导出包络进行分析的基础上，提出一种全新导出包络，其特征在于它是采用单取样而设计的导出包括。

(1)单取样导出包络及其优化组合：

E(N)=f(7)-f(2N-3)

E_C(N)=E(N)+E(N-1)

(2)夜间单取样导出包络及其组合：

E_N(N)=f(9)-f(2N-1)

E_NC(N)=E_N(N)+E_N(N-1)。

2、一种采用计算机软件进行罗兰C地波周期识别的方法，包括由主程序和中断服务工程序组成，其特征在于

（a）主程序流程

①对中断程序中计数器初始化;

②对白天、夜间进行判断;

③如果是白天，则设置白天导出包络常数，如果是夜间则设置夜间噪出包络常数。

④开中断，停机等待中断到来。

（b）中断服务子程序流程

①进行组重复周期内的八脉冲积累，如果积累数小于8则继续积累;如果大于8则程序继续进行;

②对各个组重复周期间的数据进行1024个重复周期积累，如果积累数小于1024，则程序结束，如果积累数大于1024，则程序继续;进行检测

③生成导出包络E（N），E（N-1）;

④白天/夜间导出包络的切换;

⑤实施衰减记忆最小二乘递推滤波;

⑥对导出包络及其组合进行序贯检测;

Images