CN111323014B - 一种快速捕获锁定罗兰c信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，信号首先经过天线、天线耦合器及滤波放大，然后利用ADC采样和限幅后的信号进行初步锁定，然后根据锁定结果，通过匹配相关运算定位到罗兰C信号第三周正向过零点的位置。通过对主台和副台的第三过零点的跟踪，可以计算出所接收的罗兰C信号的时差，通过时差可进一步通过罗兰C海图，将时差信息换算为经纬度坐标，从而实现对接收装置的定位。本方法以多次累加相关技术为基础，通过软件算法实现了对罗兰C信号的快速捕获与锁定，并且结合罗兰C主台与副台信号的相位编码特性，可以快速准确地对罗兰C信号进行捕获锁定，并有效的降低错误跟踪的概率。

Description

一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法
技术领域
本发明涉及无线电定位导航技术领域，尤其涉及一种快速捕获锁定罗兰 C信号的方法。
背景技术
罗兰C是目前较为常用的一种无线电定位导航信号。罗兰C设备目前广泛应用于海军和交通部的各种船只上，为其提供导航和定位服务。考虑到GPS 定位系统近年来容易受到干扰的缺点，罗兰C接收装备还可以作为定位系统的备份设备。当GPS信号受到严重干扰时，为船只提供定位导航服务。罗兰C是一种长波导航系统，载波频率为100KHz的调制信号。长波信号传播的距离远，覆盖范围广，容易受到的干扰小，因此利用罗兰C信号可以实现高精度、大覆盖区域的无线电定位系统。罗兰C接收设备通过捕获主台和至少两个副台的信号，通过计算接收时间差来推断距离差，经过双曲线定位技术对目标位置进行定位。因此，对于罗兰C信号的快速捕获与锁定对于罗兰C装备的性能与接收数据的时效性具有重要意义。
发明内容
本发明要解决以上技术问题，提供一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，旨在对罗兰C信号进行快速识别，提高罗兰C定位系统的时效性与开机等待时间。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其过程如下：
1、搜索最大功率罗兰C脉冲信号；
2、对罗兰C脉冲信号进行相位编码识别；
3、锁定罗兰C脉冲信号；
4、跟踪第三周正向过零点。
进一步的，通过对主台和副台的第三过零点的跟踪，可以计算出所接收的罗兰C信号的时差，通过时差可进一步通过罗兰C海图，将时差信息换算为经纬度坐标，从而实现对接收装置的定位。
进一步的，在步骤一中，将多个罗兰C信号累加求和，然后对累加求和信号进行功率检测，判断罗兰C脉冲的位置以及最大功率的罗兰C信号台(即离接收设备最近的罗兰C发射台)。
在此过程中，不对台链、主台、以及副台进行识别，只要求对罗兰C脉冲位置进行粗略的估计，并以功率大小进行排列。
进一步的，在步骤二中，通过对相位编码的识别可以对罗兰C信号的奇、偶周期进行识别，具体过程如下：
接收端本地产生一个罗兰C脉冲信号，与接收到的信号进行滑动相关，由于在第一步已经粗略定位到罗兰C脉冲的位置，这一步可以将滑动窗收窄，以减少对存储空间的使用。然后在不损失同步精度的同时进一步提高罗兰C 脉冲的识别速度。
进一步的，在步骤三中，采用并行结构对主台和副台同时进行搜索，以提高同步锁定的速度。
当滑动相关窗取到最大相关值时，可以认为已获得精确同步。然后产生本地同步窗波形来对罗兰C信号进行锁定，进行滑动相关时可以采用限幅器输出的1bit信号(1或0)，也可以用ADC芯片直接输出的信号进行相关。
进一步的，在步骤三中，还需要对罗兰C信号的输出相关值进行监测，当最大相关值的变化超过一定门限时，说明本地同步窗与实际接收的罗兰C 信号发生偏移，需要滑动相关窗以重新锁定罗兰C信号；若通过滑动其相关值仍然较小，可以适当调整AGC的放大倍数，使最大相关值达到判决门限；若相关值不能通过滑动相关窗与调整AGC放大倍数得到改善，此时锁定失败，需要重新对罗兰C信号进行搜索。
进一步的，在步骤四中，首先根据精确锁定后的信号可以得到第三周过零点的粗略位置，然后以该点为中心，以采样周期为步进对采样点进行搜索，当找到两个符号相反的对称点时，停止搜索，选取中心采样点和这两个对称采样点为跟踪点，然后对这三个采样点进行插值运算，找到过零点的位置。
进一步的，为了进一步消除跟踪误差，可以对多个罗兰C脉冲周期的过零点位置进行平均。当这三个跟踪点的信号极性发生变化时，需要重新对过零点进行定位与跟踪。
进一步的，当完对主台和多个副台的第三周过零点的跟踪后，计算出主台与各个副台之间的时间差，然后利用该时差信息进行双曲线定位得到惯性坐标。接着由已知的主副台地理坐标、台链参数即可通过坐标变换公式将得到的惯性坐标转换为经纬度坐标，完成对目标的定位。
本发明具有的优点和积极效果是：本方法以多次累加相关技术为基础，通过软件算法实现了对罗兰C信号的快速捕获与锁定，并且结合罗兰C主台与副台信号的相位编码特性，可以快速准确地对罗兰C信号进行捕获锁定，并有效的降低错误跟踪的概率。利用本发明所提出的快速捕获锁定方案，可以以秒级对罗兰C信号进行捕获，因此可大幅度降低罗兰C接收设备的开机等待时间。对于定位目标处在运动的情况，可以进行快速跟踪，提高定位信息的时效性。
附图说明
图1是罗兰C信号接收流程图；
图2是主台信号累积结果示意图；
图3是主副台滑动相关窗示意图；
图4是主、副台锁定示意图；
图5是过零点插值估计示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1所示，一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其过程如下：
一、搜索最大功率罗兰C脉冲信号
考虑到罗兰C信号是一个周期信号，其信号周期范围为49990～99990微秒之间，因此可以将多个罗兰C信号累加求和，然后对累加求和信号进行功率检测，判断罗兰C脉冲的位置以及最大功率的罗兰C信号台(即离接收设备最近的罗兰C发射台)。在此过程中，不对台链、主台、以及副台进行识别，只要求对罗兰C脉冲位置进行粗略的估计，并以功率大小进行排列。
考虑罗兰C信号最长周期(称作GRI)为99990微妙(约为0.1秒)。若对该信号进行采样，采样频率为1MHz，经过限幅器后每个采样点为1比特，则存下一个完整罗兰C周期信号需要的存储空间为
106×0.1＝105bits≈12.2KBytes
由于罗兰C信号采用二进制两周期互补相位码进行发送，因此在多次累加后，会出现偶次脉冲相抵的情况。以主台信号为例，其奇、偶周期(以A、 B表示)发送信号的相位编码如图2所示。
当进行多次累加求和后，罗兰C脉冲信号会发生相干叠加。另外，由于高斯噪声的统计特性，多次叠加后噪声均值趋于零，因此大大提高了罗兰C 脉冲定位的可靠性。
二、对罗兰C脉冲信号进行相位编码识别
当对罗兰C脉冲经过粗略的搜索后，已基本确定了主台脉冲的位置，以及副台的脉冲位置及副台个数。然后通过对相位编码的识别可以对罗兰C信号的奇、偶周期进行识别。相位编码不仅要对主副台罗兰C脉冲进行相位码匹配识别还需要对罗兰C信号的最大峰值进行定位以便于对于罗兰C脉冲的第三周正向过零点的位置进行初步估计。
对于罗兰C信号的精确同步通过自相关累积实现。接收端本地产生一个罗兰C脉冲信号，与接收到的信号进行滑动相关，由于在第一步已经粗略定位到罗兰C脉冲的位置，这一步可以将滑动窗收窄，以减少对存储空间的使用。然后在不损失同步精度的同时进一步提高罗兰C脉冲的识别速度。
如图3所示，由于罗兰C信号采用了二进制互补编码。对于主台来说，其自相关、原补码互相关(主台A码与主台B码)的最大值分别为16，±4。对于副台来说，其自相关、原补码互相关(副台A码与副台B码)的最大值分别为16，±4。主台与副台的同步时，各自的码相互正交，此时互相关为零。主台与副台异步时，其互相关(副台A码和副台B码与主台A码与主台B码或者副台A码和副台B码与主台B码和主台A码)最大值为8。因此罗兰C系统的主、副台信号具有良好的自相关性和互相关特性。利用该特性便于对罗兰C信号实现精确同步。
三、锁定罗兰C脉冲信号
本发明采用并行结构对主台和副台同时进行搜索，以提高同步锁定的速度。当滑动相关窗取到最大相关值时，可以认为已获得精确同步。然后产生本地同步窗波形来对罗兰C信号进行锁定(主、副台锁定窗信号如图4所示)。进行滑动相关时可以采用限幅器输出的1bit信号(1或0)，也可以用ADC 芯片直接输出的信号进行相关。使用高精度ADC的直接采样结果进行滑动相关，需要大量的存储资源，但同步锁定的精度会更高。以16bits量化输出为例，需要的存储资源为(同步窗时间长度二十毫秒，每个窗为十毫秒)
106×20×10-3×16≈40KBytes
另外，当系统RAM资源紧张时，也可以采用限幅器的输出结果进行相关，此时需要的存储资源降为2.5KBytes。
与此同时，还需要对罗兰C信号的输出相关值进行监测，当最大相关值的变化超过一定门限时，说明本地同步窗与实际接收的罗兰C信号发生偏移，需要滑动相关窗以重新锁定罗兰C信号。若通过滑动其相关值仍然较小，可以适当调整AGC的放大倍数，使最大相关值达到判决门限。若相关值不能通过滑动相关窗与调整AGC放大倍数得到改善，此时锁定失败，需要重新对罗兰C信号进行搜索。
四、跟踪第三周正向过零点
当进行精确锁定后，一般可以粗略的定位出罗兰C脉冲的第三周正向过零点。为了不发生滑周以及错误跟踪，本发明选择第三周过零点附近的三点同时作为跟踪点。首先根据精确锁定后的信号可以得到第三周过零点的粗略位置(图5中C点)，然后以C点为中心，以采样周期为步进对采样点进行搜索，当找到两个符号相反的对称点时(图5中A点和B点)，停止搜索，选取中心采样点和这两个对称采样点为跟踪点。然后对这三个采样点进行插值运算，找到过零点的位置(图5中D点)。为了进一步消除跟踪误差，可以对多个罗兰C脉冲周期的过零点位置进行平均。当这三个跟踪点的信号极性发生变化时，需要重新对过零点进行定位与跟踪。当完对主台和多个副台的第三周过零点的跟踪后，此时可以计算出主台与各个副台之间的时间差，然后利用该时差信息进行双曲线定位得到惯性坐标。接着由已知的主副台地理坐标、台链参数即可通过坐标变换公式将得到的惯性坐标转换为经纬度坐标，完成对目标的定位。
本接收方法的流程如图1所示。信号首先经过天线、天线耦合器及滤波放大，然后利用ADC采样和限幅后的信号进行初步锁定，然后根据锁定结果，通过匹配相关运算定位到罗兰C信号第三周正向过零点的位置。通过对主台和副台的第三过零点的跟踪，可以计算出所接收的罗兰C信号的时差，通过时差可进一步通过罗兰C海图，将时差信息换算为经纬度坐标，从而实现对接收装置的定位。考虑到被定位目标有可能处在运动之中，因此对于罗兰C信号的快速捕获方法可以克服传统罗兰C接收装置定位延时大，开机等待久的缺点。另外，本方法利用现代检测技术通过多次累加相关算法，提高了罗兰C定位系统的可靠性。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于，其过程如下：
1)搜索最大功率罗兰C脉冲信号；
具体过程为：将多个罗兰C信号累加求和，然后对累加求和信号进行功率检测，判断罗兰C脉冲的位置以及最大功率的罗兰C信号台，即离接收设备最近的罗兰C发射台；
2)对罗兰C脉冲信号进行相位编码识别，通过对相位编码的识别可以对罗兰C信号的奇、偶周期进行识别，具体过程如下：
接收端本地产生一个罗兰C脉冲信号，与接收到的信号进行滑动相关，由于在第一步已经定位到罗兰C脉冲的大体位置，这一步可以将滑动窗收窄，以减少对存储空间的使用；
3)锁定罗兰C脉冲信号；
4)跟踪第三周正向过零点；
具体过程为：首先根据精确锁定后的信号可以得到第三周过零点的位置，然后以该点为中心，以采样周期为步进对采样点进行搜索，当找到两个符号相反的对称点时，停止搜索，选取中心采样点和这两个对称采样点为跟踪点，然后对这三个采样点进行插值运算，找到过零点的位置。
2.根据权利要求1所述的一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于：通过对主台和副台的第三过零点的跟踪，可以计算出所接收的罗兰C信号的时差，通过时差可进一步通过罗兰C海图，将时差信息换算为经纬度坐标，从而实现对接收装置的定位。
3.根据权利要求1所述的一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于：在此过程中，不对台链、主台、以及副台进行识别，只要求对罗兰C脉冲位置进行估计，并以功率大小进行排列。
4.根据权利要求1所述的一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于：在步骤三中，采用并行结构对主台和副台同时进行搜索，以提高同步锁定的速度；
当滑动相关窗取到最大相关值时，可以认为已获得精确同步；然后产生本地同步窗波形来对罗兰C信号进行锁定，进行滑动相关时可以采用限幅器输出的1bit信号，也可以用ADC芯片直接输出的信号进行相关。
5.根据权利要求4所述的一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于：在步骤三中，还需要对罗兰C信号的输出相关值进行监测，当最大相关值的变化超过一定门限时，说明本地同步窗与实际接收的罗兰C信号发生偏移，需要滑动相关窗以重新锁定罗兰C信号；若通过滑动其相关值仍然较小，可以适当调整AGC的放大倍数，使最大相关值达到判决门限；若相关值不能通过滑动相关窗与调整AGC放大倍数得到改善，此时锁定失败，需要重新对罗兰C信号进行搜索。
6.根据权利要求1所述的一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于：为了进一步消除跟踪误差，可以对多个罗兰C脉冲周期的过零点位置进行平均；当这三个跟踪点的信号极性发生变化时，需要重新对过零点进行定位与跟踪。
7.根据权利要求2所述的一种快速捕获锁定罗兰C信号的方法，其特征在于：当完成对主台和多个副台的第三周过零点的跟踪后，计算出主台与各个副台之间的时间差，然后利用该时差信息进行双曲线定位得到惯性坐标；接着由已知的主副台地理坐标、台链参数即可通过坐标变换公式将得到的惯性坐标转换为经纬度坐标，完成对目标的定位。
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