基于单片机的罗兰C导航系统信号发生器设计❋－

乔永严 周爱军

（海军大连舰艇学院航海系 大连 116018）

1 引言

罗兰－C导航系统作为主要的无线电定位和导航手段，由于其具有作用距离较远，抗干扰能力强等特点，在我国将长时间得到应用。我国的罗兰－C系统又称为“长河二号”系统，现已全面投入运行［1～2］，罗兰－C远程无线电导航系统地面台链已有效覆盖中国东、南部沿海及部分内陆区域。但在进行训练或维修时，罗兰－C导航仪的操作和使用一般在室内，并且只能在定点接收信号，信号传播的时间和幅度的大小及环境的干扰几乎都是一成不变的［3］，这样就影响了训练的完整性及有效性。而且，由于定点接收信号的局限性，维修人员对导航仪的维修检查只能局限于很小的范围内。鉴于上述实际情况，研制罗兰－C信号发生器，产生台链可自主设置的罗兰－C信号对提高罗兰－C导航仪的使用和维护能力是很有必要的。

2 罗兰－C脉冲信号分析

2.1 单脉冲信号波形特征

罗兰－C使用100kHz载频，作用距离可达600海里～1500海里。通过采用脉相体制可以消除天波对地波的混淆，但99%辐射能量必须限制在90kHz～110kHz频段内。罗兰－C使用特殊脉冲波形，前沿陡，65μs达到顶峰，后沿逐渐衰减，约160μs。其信号脉冲波形如图1所示。

图1 罗兰－C信号脉冲波形

罗兰－C脉冲波形信号是以发射天线底部电流波形定义的［4］，天线底部电流为：

式中：A是与峰值电流有关的常数；t是时间，单位μs，τ为包络的时间起点，也称包周差，－5≤τ≤＋5；φ是相位编码，取0°或180°。罗兰－C使用8个脉冲，同相或180°反相。采用8脉冲相位编码可以提高平均辐射功率，实现主副台信号区分，防止天地波混淆。罗兰－C有32种重复周期可供选用，主台增发第九脉冲是为了视觉识别主副台和台间告警通信［5～6］。罗兰－C台链是由1个主台和2～4个副台组成，主台和副台间基线长度可达600海里～1000海里。

2.2 相位编码

每个脉冲组中的脉冲载波的起始相位是不同的，同时也具备一定的规律，称为脉冲组的相位编码。一个编码周期内主、副台信号脉冲群起始相位编码规律如表1所示，主台脉冲群的第九个脉冲并不参与编码［7］。

表1 罗兰－C信号编码

3 罗兰－C信号发生器的设计

3.1 设计要求及参数指标

为了满足导航定位训练及日常导航仪维修任务的需求，该信号发生器的设计需要能够产生标准的罗兰－C台链信号，并可以充当导航仪的信号源。设计要求大致分为以下几点：

1）能够模拟生成标准的主副台信号。

2）能够产生天波、同频干扰及白噪声等干扰信号，输出时可以是其中任意几种的混合。

3）台链可供选择，主副台时差可调，天波延时可变化，并且三种可选择变化相互之间不受影响，各自独立可调。

参数指标根据要求可设定如下几点：

1）输出罗兰－C信号中心频率为100kHz。

2）天波干扰信号延时分为四档以适应不同情况 的 天 波 延 迟 场 合，分 别 为 38μs，45μs，50μs，55μs。并且天地波信号分离，幅度可调。

3）脉冲群重复周期（GRI）可调，产生我国目前拥有的北海、东海、南海三个台链，且相互独立，每个台链设定为一个主台两个副台。

4）主副台时差可调，范围在11ms～99.99ms之间，分辨率：0.1μs。

3.2 设计原理及框图

本设计以单片机开发板为主体控制输出相应台链信号，为导航仪接收机提供一个罗兰－C信号环境进而实现定位功能。系统的总体框图如图2所示。

图2 总体框图

开发板还包括信号产生模块，键盘和显示器模块，分别负责信号的产生，参数的控制和输出信号的信息显示。开发板控制信号产生的基本框图如图3所示。

图3 信号产生基本框图

罗兰－C天波和地波信号主要是采用数模转换的方式产生的，通过对标准波形的采样，将标准波形的数据转化为数字量后存储到单片机存储模块中［8～10］，需要说明的是采样时间间隔越短，数据越多，得到的波形也就越平滑，但相对程序中可以供中断程序执行的时间也就越短，对单片机的运行速度要求也就越高，兼顾两者，本设计方案采用0.1μs作为采样时间间隔。通过对不同初始相位编码周期的波形采样可得到不同的波形数据，根据存储容量大小可将数据分为四组：

1）主台奇数编码周期九个脉冲波形参数。

2）主台偶数编码周期九个脉冲波形参数。

3）副台奇数编码周期八个脉冲波形参数。

4）副台偶数编码周期八个脉冲波形参数。

当信号产生模块工作时，可按照需求将存储在存储模块中的数据按序取出，经过数模转换后再滤波即可产生相应的罗兰－C信号或天波干扰信号。白噪声信号可根据模拟电路和滤波网络组合产生［8］。最终输出的信号可根据要求设定合成匹配电路进行混合输出，使发出的信号更接近真实的罗兰－C信号环境。

信号的参数主要是由程序的定时及中断控制的，信号产生模块负责产生台链内各台信号，中央处理器接收各种控制信息，然后经过数据总线将各个阶段不同的定时值传送给定时器，进而控制定时器的工作状态，使信号发生器输出的信号按照主台，副台1，副台2顺序排列，并且可按照不同的时差值和GRI值的设定对其进行控制，严格保持了各变量的准确性。另外，利用软件控制脉冲群重复周期的稳定性和精确度比硬件控制具有误差小，精度高，稳定性强的优势。

图4 主程序流程图

图5 中断产生标准罗兰－C信号

4 软件设计

系统的主程序流程图如图4所示，信号的输出由定时器控制，主要是通过控制延时和采样数据两方面，延时时间为800μs、1800μs等不同的延时值；单个罗兰－C脉冲波形周期设定200μs，分为20个周期10μs的正弦波形，每隔0.1μs采一个数据，则单个罗兰－C脉冲总共有2000个数据，故当输出信号时，需要对定时器定时次数进行判断。图5为中断程序产生罗兰－C脉冲信号的流程图，主要是将采集到的数据进行输出。图6为控制主副台发射信号顺序的流程图，主要是通过判断主副台的最后一个脉冲以及根据设定的时间差值和GRI值进行延时来控制的。

图6 主副台发射信号顺序控制流程图

5 结语

本研究以单片机为主体，输出信号包含了该台链中主台和副台的完整信号，还包括天波信号，同频干扰信号，噪声等干扰信号，模拟了真实的信号环境。信号发生程序完全按照主副台发射标准，以及奇偶周期的不同相位编码，对输出的脉冲进行时间上和相位上的控制。实验表明本设计所产生的信号能够被导航接收机识别并进行定位，达到了设计的基本要求。

［1］汪捷，严建华，李川章.国际eLoran发展现状与我国罗兰C现代化的技术分析［J］.海洋测绘，2009，29（3）：79－82.

［2］唐金元，王翠珍，尚新强.罗兰－C导航系统地面台站信号模拟器设计［J］.航空电子技术，2007，38（3）：5－8.

［3］王秀森，张治军，王孝通.罗兰C信号模拟器的设计与实现［J］.海军工程大学学报，2001，13（4）：71－74.

［4］朱道山.基于FPGA的罗兰C信号源设计［J］.暨南大学学报（自然科学与医学版），2012，33（1）：59－64.

［5］吴苗，朱涛，李方能，等.无线电导航原理及应用［M］.北京：国防工业出版社，2008：179－182.

［6］陈高平，邓勇.航空无线电导航原理［M］.北京：国防工业出版社，2008：339－370.

［7］王英才.导航原理与系统［M］.海潮出版社，2011：149－152.

［8］王秀森，王英才.数控多功能劳兰C信号模拟器［C］／／辽宁省航海学会年会论文集，1994：165－170.

［9］王英才，王秀森.研制劳兰C信号模拟器特别应注意的三个问题［C］／／航海系论文选编，1995（12）：164.

［10］何志龙.标准罗兰－C信号及包络信号的一种产生方法［J］.时间频率学报，1983，2（2）：14－19.