CN112994821B - 一种基于信号特征检测的Loran-C磁天线接收信号合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于信号特征检测的Loran‑C磁天线接收信号合成方法，以两个垂直交叉磁棒的交叉点为原心构建直角坐标系，采样获得两个垂直交叉磁棒信号；通过计算信号幅度比对信号进行幅度归化，得到幅度统一的两路信号；对两路信号相加或相减后进行捕获和周期识别，判断信号象限，并根据不同象限快速得到合成信号。本发明能够通过信号特征自动判断来波象限，不用改动硬件，算法简单，有较强的适用性。

Description

一种基于信号特征检测的Loran-C磁天线接收信号合成方法
技术领域
本发明涉及一种磁天线信号合成方法，属于无线电授时和导航领域，主要用于Loran-C定时和导航终端中。
背景技术
Loran-C系统是一种远程无线电定位、导航与授时(positioning navigationtiming，PNT)系统，具有发射功率大、作用距离远、抗干扰能力强、信号相位稳定性好等优点。在全球卫星导航系统不可用的条件下，可作为卫星导航系统重要的备份手段。我国主要的Loran-C系统有BPL授时系统和“长河二号”系统，同时我国计划在西部建设三个新的Loran-C授时台，建成后将于北斗卫星导航系统实现天地一体化PNT体系。
Loran-C终端是接收Loran-C系统脉冲信号实现定时和定位。现在Loran-C定时终端中接收天线主要是采用鞭状天线，鞭状天线体积较大，安装不方便，对接地要求高，同时会受到静电沉积和电力线等的干扰，导致接收信号接收信噪比变低。而磁天线具有体积小、不需接地、能够抗电性干扰、接收信噪比高等优点。对于单磁棒来说，在信号到达对立方向有一个180°的相位改变，不同方向接收信号具有不同的相位，且垂直于磁棒方向存在接收盲区，天线有方向性。因此一般采用两根磁棒十字交叉摆放接收Loran-C信号，结构简单，可实现Loran-C信号全向接收。但是由磁天线原理可知，单磁棒对立来波存在相位反向，两根垂直交叉磁棒可形成四个象限。空间中Loran-C信号为：
X(t)＝AE(t)sin(2πft+PC)
上式f为Loran-C信号100kHz载波频率，E(t)是脉冲信号包络，A是信号幅度，PC是相位编码。
两路垂直交叉磁棒接收到信号为：
Vx(t)＝X(t)cos(θ)＝Acos(θ)*E(t)sin(2πft+PC)
Vy(t)＝X(t)sin(θ)＝Asin(θ)*E(t)sin(2πft+PC)
上面式中θ为来波方向与某一磁棒夹角，范围为0～360°，四个象限信号换算后幅度和相位改变量为[cos(θ′),sin(θ′)]、[-cos(θ′),sin(θ′)]、[-cos(θ′),-sin(θ′)]和[cos(θ′)，-sin(θ′)]，θ′为θ换算后角度，范围为0-90°。现在接收终端使用时一般将天线对准来波方向，或者通过计算获得来波方向，这样导致天线的适用性变差，只能应用于固定点接收终端，并需要已知接收点坐标。有的接收终端只是简单的相加后应用，有可能会造成5μs的时差测量误差，导致定时和定位错误，其相加信号存在与实际信号幅度不一致问题，不能完全恢复信号幅度和相位，对信号特征(场强、信噪比)测量存在误差。因此在Loran-C接收终端中使用磁天线，必须解决接收终端磁天线合成问题，实现磁天线的全向接收。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于信号特征检测的Loran-C磁天线信号合成方法，能够实现磁天线的全向接收。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)以两个垂直交叉磁棒的交叉点为原心构建直角坐标系，获得四个象限；天线任意摆放，采样获得两个垂直交叉磁棒信号Vx(t)和Vy(t)；
(2)通过计算Vx(t)和Vy(t)信号幅度比C对信号进行幅度归化，得到幅度统一的两路信号V′x(t)和V′y(t)；
(3)将两路信号V′x(t)和V′y(t)相加或相减得到合成信号X1(t)和X2(t)；
(4)分别对获得的信号X1(t)和X2(t)进行捕获，当任意一路信号被捕获，比较X1(t)和X2(t)信号对应包络E1(t)和E2(t)幅度大小，当E1(t)>E2(t)时，判定为I或III象限；当E1(t)＜E2(t)时，判定为II或IV象限；
(5)若步骤(4)中判定为I或III象限，将X1(t)用于周期识别，当信号过零点为正向则来波属于第I象限，为负向则属于第III象限；若步骤(4)中判定为II或IV象限，将X2(t)用于周期识别，当信号过零点为正向则来波属于第IV象限，为负向则属于第II象限；
(6)第I象限的合成信号
Figure GDA0003738081860000021
第II象限的合成信号
Figure GDA0003738081860000022
第III象限的合成信号
Figure GDA0003738081860000023
第IV象限的合成信号
Figure GDA0003738081860000031
所述的步骤(1)中，将x轴和y轴均接收正相位信号确定为第I象限，x轴接收负相位信号和y轴接收正相位信号确定为第II象限，x轴和y轴均接收负相位信号确定为第III象限，x轴接收正相位信号和y轴接收负相位信号确定为第IV象限。
所述的步骤(2)中两路信号幅度比
Figure GDA0003738081860000032
两路信号幅度归化分别为V′x(t)＝±AE(t)sin(2πft+PC)和V′y(t)＝±AE(t)sin(2πft+PC)，其中，f为Loran-C信号载波频率，E(t)是脉冲信号包络，A是信号幅度，PC是相位编码，θ为来波方向与某一磁棒夹角。
所述的步骤(3)中合成后I象限的X1(t)＝+AE(t)sin(2πft)，X2(t)＝0；II象限的X1(t)＝0，X2(t)＝-AE(t)sin(2πft)；III象限的X1(t)＝-AE(t)sin(2πft)，X2(t)＝0；IV象限的X1(t)＝0，X2(t)＝+AE(t)sin(2πft)。
所述的步骤(4)采用正交解调方法获得相加和相减结果信号的包络E1(t)和E2(t)；按照台站脉冲数特征和不同台站的脉冲组重复周期进行信号包络检测实现台站捕获。
所述的步骤(5)采取频谱相除技术实现周期识别。
所述的步骤(5)以t0+30μs处为信号过零点，t0为脉冲起始位置。
本发明的有益效果是：
(1)本发明不用改动硬件，算法简单，易于实现。
(2)本发明能够通过信号特征自动判断来波象限，用户在使用磁天线过程中，可任意摆放天线，不用计算来波方向。
(3)本发明利用数字实现，信号合成完成后，Loran-C接收终端可直接利用信号进行相位跟踪、信息解调、时差测量等过程，实现定时和定位。
(4)本发明不但利用了磁天线的优势特征实现全向性，也结合了Loran-C接收终端中捕获和周期识别算法对信号特征进行判断，与接收终端信号处理方法相结合，有较强的适用性。
附图说明
图1是本发明方法实现过程图；
图2是AD采集磁棒1脉冲和基准脉冲放大图；
图3是AD采集磁棒2脉冲和基准脉冲放大图；
图4是磁棒1幅度归化后脉冲和基准脉冲放大图；
图5是磁棒2幅度归化后脉冲和基准脉冲放大图；
图6是两路信号相加和相减后信号波形图；
图7是相加和相减后脉冲信号包络图；
图8是周期识别判定过零点位置示意图；
图9信号合成完成后波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供如下方案：
(1)将两个垂直交叉磁棒对应到以交叉点为原心的直角坐标系x轴和y轴中，本发明将x轴和y轴均接收正相位信号确定为第一象限；x轴接收负相位信号和y轴接收正相位信号确定为第二象限；x轴和y轴均接收负相位信号确定为第三象限；x轴接收正相位信号和y轴接收负相位信号确定为第四象限。天线任意摆放后，在不确定来波方向在哪个象限的情况下，首先通过AD采样获得两个垂直交叉磁棒信号Vx(t)和Vy(t)。
(2)通过计算Vx(t)和Vy(t)信号幅度比对信号进行幅度归化，实现两路信号幅度统一，两路信号幅度比计算为：
Figure GDA0003738081860000041
x和y轴信号幅度归化计算如下：
Figure GDA0003738081860000042
Figure GDA0003738081860000043
(3)将Vx(t)和Vy(t)信号相加和相减进行合成为：
相加：
Figure GDA0003738081860000044
相减：
Figure GDA0003738081860000045
合成后四个象限信号变为：
对于I象限：X1(t)＝+AE(t)sin(2πft)，X2(t)＝0；
对于Ⅱ象限：X1(t)＝0，X2(t)＝-AE(t)sin(2πft)；
对于Ⅲ象限：X1(t)＝-AE(t)sin(2πft)，X2(t)＝0；
对于或Ⅳ象限：X1(t)＝0，X2(t)＝+AE(t)sin(2πft)。
(4)分别对获得的相加和相减信号X1(t)和X2(t)进行捕获，捕获是接收终端检测期望Loran-C发射台脉冲组信号起始概位的过程。首先采用正交解调方法获得两路相加相减结果信号的包络E1(t)和E2(t)。获得相加相减结果中信号的包络后，包络与脉冲组信号个数及脉冲组重复周期一致，因此可按照台站脉冲数特征和不同台站的脉冲组重复周期进行信号通过信号包络检测实现台站捕获。当相加或相减中任意一路脉冲信号被捕获后，比较X1(t)和X2(t)信号对应包络E1(t)和E2(t)幅度大小，根据(3)中描述进行判断：
当E1(t)>E2(t)时，判定为I或Ⅲ象限；
当E1(t)＜E2(t)时，判定为Ⅱ或Ⅳ象限。
(5)幅度判断完成后进行周期识别，周期识别是通过脉冲组的第一个脉冲(基准脉冲)寻找脉冲地波起始位置。本发明采取频谱相除技术实现周期识别，频谱技术可以准确寻找到脉冲地波起始位置，且脉冲信号正负反向对频谱相除技术结果没有影响。在周期识别寻找到脉冲起始位置t0后，t0+30μs处为信号过零点，通过判断过零点为正向过零点还是反向过零点进行进一步判断。具体判定如下：
在(4)中判定为I或Ⅲ象限后，将X1(t)用于周期识别，周期识别完后，当t0+30μs处过零点为正向时，则来波属于第Ⅰ象限，为负向过零点则属于第Ⅲ象限。
在(4)中判定为Ⅱ或Ⅳ象限后，将X2(t)用于周期识别，周期识别完后，当t0+30μs处对应脉冲信号过零点为正向时，则来波属于第Ⅳ象限，为负向过零点则属于第Ⅱ象限。
(6)在(5)完成接收信号的象限判断后，每个象限的合成信号X(t)可以表示为：
判定为第Ⅰ象限：
Figure GDA0003738081860000051
判定为第Ⅱ象限：
Figure GDA0003738081860000061
判定为第Ⅲ象限：
Figure GDA0003738081860000062
判定为第Ⅳ象限：
Figure GDA0003738081860000063
不同台站完成象限判断后，进行选择信号合成方式合成，合成后的信号接收终端可直接处理，用于定时和导航。
本发明的实施例如图1所示，包括以下步骤：
所述实施例接收台站为BPL长波授时台。
首先放置磁天线后，在不知道来波象限的条件下，通过AD采集到的两路磁棒1和磁棒2的信号Vx(t)和Vy(t)。采集到的两路信号如图2和图3中所示。
按照以下计算公式，对接收到的两路信号Vx(t)和Vy(t)进行幅度归化。
Figure GDA0003738081860000064
Figure GDA0003738081860000065
式中
Figure GDA0003738081860000066
幅度归化后信号波形如图4和图5所示，可以看出两路信号幅度区域一致。
对幅度归化后信号对Vx′(t)和V′(t)y按照下式进行相加和相减计算，相加和相减后信号波形图如图6中所示。
相加：
Figure GDA0003738081860000067
相减：
Figure GDA0003738081860000068
接下来对相加相减后信号X1(t)和X2(t)通过正交解调方法求取其包络E1(t)和E2(t)，并按照期主副台脉冲特性和GRI重复周期对包络进行搜索检测，实现脉冲组捕获。相加和相减后信号包络如图7中所示。
在捕获后，通过相加相减后信号包络幅度可知，E1(t)<E2(t)，因此我们判定来波方向为第Ⅱ或Ⅳ象限。
判断为第Ⅱ或Ⅳ象限后，对X2(t)进行周期识别，识别结果如图8所示，其第三周过零点为正向过零点，因此判定来波为第Ⅱ，按照下式进行合成，合成后信号波形如图9中所示。
Figure GDA0003738081860000071
完后象限判定和合成后，直接输出信号给Loran-C接收终端其他处理模块使用。其他台站信号或其他来波方向信号也可按照本专利所述方法实现合成。

Claims (3)

1.一种基于信号特征检测的Loran-C磁天线接收信号合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以两个垂直交叉磁棒的交叉点为原心构建直角坐标系，获得四个象限；天线任意摆放，采样获得两个垂直交叉磁棒信号Vx(t)和Vy(t)；
(2)通过计算Vx(t)和Vy(t)信号幅度比C对信号进行幅度归化，得到幅度统一的两路信号V′x(t)和V′y(t)；其中，两路信号幅度比
Figure FDA0003692568790000011
两路信号幅度归化分别为V′x(t)＝±AE(t)sin(2πft+PC)和V′y(t)＝±AE(t)sin(2πft+PC)，其中，f为Loran-C信号载波频率，E(t)是脉冲信号包络，A是信号幅度，PC是相位编码，θ为来波方向与某一磁棒夹角；
(3)将两路信号V′x(t)和V′y(t)相加或相减得到合成信号X1(t)和X2(t)；
(4)分别对获得的信号X1(t)和X2(t)进行捕获，采用正交解调方法获得相加和相减结果信号的包络E1(t)和E2(t)；按照台站脉冲数特征和不同台站的脉冲组重复周期进行信号包络检测实现台站捕获；当任意一路信号被捕获，比较X1(t)和X2(t)信号对应包络E1(t)和E2(t)幅度大小，当E1(t)>E2(t)时，判定为I或III象限；当E1(t)<E2(t)时，判定为II或IV象限；
(5)若步骤(4)中判定为I或III象限，将X1(t)用于周期识别，当信号过零点为正向则来波属于第I象限，为负向则属于第III象限；若步骤(4)中判定为II或IV象限，将X2(t)用于周期识别，当信号过零点为正向则来波属于第IV象限，为负向则属于第II象限；
其中，采取频谱相除技术实现周期识别，且以t0+30μs处为信号过零点，t0为脉冲起始位置；
(6)第I象限的合成信号
Figure FDA0003692568790000012
第II象限的合成信号
Figure FDA0003692568790000013
第III象限的合成信号
Figure FDA0003692568790000014
第IV象限的合成信号
Figure FDA0003692568790000021
2.根据权利要求1所述的基于信号特征检测的Loran-C磁天线接收信号合成方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，将x轴和y轴均接收正相位信号确定为第I象限，x轴接收负相位信号和y轴接收正相位信号确定为第II象限，x轴和y轴均接收负相位信号确定为第III象限，x轴接收正相位信号和y轴接收负相位信号确定为第IV象限。
3.根据权利要求1所述的基于信号特征检测的Loran-C磁天线接收信号合成方法，其特征在于，所述的步骤(3)中合成后I象限的X1(t)＝+AE(t)sin(2πft)，X2(t)＝0；II象限的X1(t)＝0，X2(t)＝-AE(t)sin(2πft)；III象限的X1(t)＝-AE(t)sin(2πft)，X2(t)＝0；IV象限的X1(t)＝0，X2(t)＝+AE(t)sin(2πft)。
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