伪码测距技术在无线电高度表中的应用

包素艳　朱双宁　贾桂丰　侯路

（1.北京航天爱锐科技有限责任公司，北京  100176;2.空军参谋部机要局，北京  100183;

3.北京中科飞鸿科技股份有限公司，北京  100176;4.北京航天万源科技有限公司，北京  100176）

摘 要：近年来，随着微电子技术的不断创新改革，无线电高度表的规格和型号也层出不穷，并且各自具备的功能也不尽相同。同时伪码测距技术也不断引起人们的关注，并且已经变得越来越成熟，是各行各业都有着广泛的应用。基于伪码测距技术实现无线电高度表，主要采用FPGA+DSP架构模式，表现出色的性能，能够在一个频谱上实现多个信号同时占用。本文在阐述无线电高度表原理的基础上，提出了基于伪码调相测距技术无线电高度表功能及组成，并说明了改无线电高度表的高动态下弱信号捕获和高动态下弱信号跟踪，旨在为无线电高度表的发展和创新贡献自己的力量。

关键词：微电子技术;无线电高度表;伪码测距;弱信号捕获;弱信号跟踪

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0057-02

0 引言

无线电高度表用于测量飞行器距地面和水面的真实高度，其主要组成部分包括发射机、接收机、数字信号处理、天线、天线馈线电缆以及电源单元等。在各种各样的民航飞机以及运输机、国防飞机方面，机载无线电高度表主要用作导航作用，其在飞机上有着至关重要的作用，例如飞机的起飞、着陆、航线控制以及驾驶等等，都需要无线电高度表的配合。此外，在国防方面无线电高度表更是重要的导航设备，导弹的弹道、战斗机的精准打击等等。目前全球国家都在无线电高度表方面投入较多，随着科技的发展与更新，无线电高度表正朝着智能化、数字化和精简化方面发展[1]。

1 无线电高度表原理

为了更好地理解无线电高度表的工作原理，首先要掌握无线电高度表外回路衰减的雷达方程，通过雷达方程能够产生不同形式的调制方法。其原理主要是依据电磁波测高，通过发射电磁波，然后接受反射回来的电磁波，计算发射和返回时间之间的差值，即磁波时间延迟，根据相关计算方法便可得到需要测得的高度。因此想要获得电磁波发射和返回的时延，最重要的是调制发射信号。根据不同的调制方式，可以分为三类即：相位调制，脉冲振幅调制和频率调制的三个系统。具体如图1所示。

如图1（a）所示的相位调制方式，主要通过不同标志的相位差，即本地信号和发射信号，根据公式：，通过相位差计算高度。其中h为无线电高度表高度，p为码相位，f为伪码频率。

如图1（b）所示的脉冲调制方式，主要通过控制脉冲宽度产生的时间差，即发射脉冲与回波脉冲，根据公式：，通过时间差计算高度。其中c为光速，t为测量时间，h为无线电高度表高度。

如图1（c）所示的频率调制方式，主要通过计算差拍频率，即接收信号与发射信号产生的时间延迟，根据公式：，即可计算高度。其中fb为差拍频率，ΔF为最大调制频偏，h为无线电高度表高度，Tm为锯齿波信号的周期，c为光速。

相位调制，脉冲振幅调制和频率调制的三个系统，可以根据实际设计参数和使用情况选择不同的调制方法，虽然不同调制方法都有自己的优势和弊端，但是回波损耗和辐射波束形状这两大因素，其原理和计算方法是一致的[2-3]。

2 无线电高度表功能及组成

无线电高度表的组成示意图如图2所示，其关键部分主要为：数字信号处理装置、上位机系统、A/D单元、发射机、接收机、电源以及发射天线和接受天线等。该无线电高度表所需要的时钟、伪随机码和功率控制信号等功能，是靠数字信号处理装置实现。在伪随机码调制方式下发射机生成射频信号，在天线作用下辐射到地面，地面的接收天线会获取该信号，之后会将该信号发送给接收机，接收机接受信号后模拟中频信号，在A/D单元作用下传输到数字信号处理装置，经过一系列的计算后得到高度信息，并将该信息传输给上位机系统，至此整个无线电高度表的测算结束。具体如图2所示。

3 高动态下弱信号的捕获

3.1捕获的不确定因素

（1）频率源的漂移。频率源频率的参数漂移将导致码元时钟速率的漂移，该漂移随码相位的漂移而累积，并且还将导致载波频率漂移，从而降低无线电高度表系统的性能。因此，根据相关参数选择频率稳定性高于1ppm的晶体振荡器，该晶体振荡器稳定性能较好，能够最大限度的减少误差。

（2）多普勒频率。高动态飞行速度不同时，会产生不同的多普勒频率。目标相对于辐射源的运动，查收讷航的回波信号会发生变化，这种变化称为多普勒效应。飞机在飞行时会与地面发生相对运动，因此接收信号的频率，不仅要考虑到无线电高度表发射信号的工作频率，还要加上多普勒频率，两者相加后才是接收信号的频率。

（3）码相位初始。因为无线电高度表是安装在飞行的飞机上，当飞机的位置变化时，会产生不同的码相位，导致高动态下弱信号的捕获产生误差。

（4）低信噪比。无线电高度表的反射回波信号在1500m高度处相对较弱，并且天线和接收机带来的高斯白噪声会影响系统的采集。

3.2 碼捕获方式

（1）串行捕获法。串行捕获法主要利用伪随机码序列的自身特点，实现相关检测。其中最常见的伪随机码便是m序列，当发送和接收两个序列之间的时间延迟差为0时，伪随机码序列的长度即为自相关值，当发送和接收两个序列之间的时间延迟差不为0时，并且大于1个码片长度，则相关值为最小值-1。因此，根据相关值的大小，可以知道两个本地码序列的相位与接收到的码序列的相位是否对齐，以确定获取是否成功。如果获取失败，要改变本地码相位，并保持码片逐步滑动，并对每个码相位执行相关的累加操作，再次确定获取是否成功。

（2）并行捕获需要。N个相关器，每个相关器相差一个码片宽度，因此可以一次耗尽所有接收到的码相位。同时对接收到的码和N个具有不同码相位的本地代码进行相关，然后比较所有运算结果，将最大相关值与阈值决策进行比较，如果大于阈值，则表示采集成功，对应的码相位为接收码相位。并行捕获方式用时最短，但一般情况下电路相对复杂。

（3）并串结合捕获法。当伪随机代码具有相对较长的码长度时，部分并行捕获方法（也称为大步进捕获）是一个不错的选择。大步进搜索就是将要搜索的N个伪随机码的相位划分为N/P段，每个段有P个码相位，大步进电路用于制作局部伪随机码，代码按P个阶段逐步执行，对于每一步，执行P通道并行相关运算并做出判断。因为大步进搜索一次对P个相位执行相关运算和判断，而单步进搜索一次仅对一个相位执行相关运算和判断，所以大步进搜索的捕获时间较短，仅为单步进搜索的1/PM，能够实现快速捕获。

（4）数字匹配滤波器捕获法。雷达中常用的算法还有数字匹配滤波器捕获法。它使用本地代码序列作为数字FIR滤波器的系数来执行相关运算，并对接收到的回波信号进行滤波，将结果与阈值进行比较。超过阈值表示本地伪随机码和接收到的伪随机码的相位小于一个码片距离，并且捕获成功。不超过阈值表示本地伪随机码和接收到的伪随机码的相位大于码片距離，并且未捕获成功，然后会继续执行上述运算，最终实现捕获。

在上述方法中，各自有自己的优势和弊端。其中串行捕获方法操作简单，并且电路布置不复杂，但捕获用时长，因此在伪随机码短的工程中应用较多;并行捕获、数字匹配滤波方法与串行捕获方法正好相反，电路布置复杂，捕获用时短，但是复杂的电路和硬件会占用较多的资源;此外并串结合捕获法结合了时域滑动相关和二维串行捕获的优点，但其硬件要求高，需要捕获通道较多，在实际应用中会受到很多因素的限制。在1500m范围内，最长串行捕获的时间一般在100ms以内，并且采集时间已足够，所以本系统选择串行捕获方法。

4 高动态下弱信号的跟踪

码跟踪环采用延迟锁定环，也称为迟早码跟踪环。码跟踪环的集成和清除，码环路鉴别器和码环路滤波器的设计，最终确定了码跟踪环的特性，并确定了码环的性能，即热噪声误差和动态应力阈值。这里使用归一化方法，如此大的目标波动对基本不会影响鉴别器，并且对信噪比的变化有良好的适应性。归一化对延迟锁定环路跟踪很有用，并且阈值性能不依赖于AGC。但是，当信噪比较低时，影响环路噪声带宽，并且延迟性能动态应力下的自锁环将变得非常差。综上所述无线电高度表将使用二阶DLL过滤器。

5 结语

近年来科学技术水平发展迅猛，伪码测距方法得到了人们的关注和研究，并且在各个领域都有着广泛的应用。随着国际发展的潮流，我国相关电子技术也突飞猛进，并且研制成功了基于伪码测距和相位调制的连续波无线电高度表。本文就目前相关技术，设计了一种基于伪码调相的无线电高度表，并且采用FPGA+DSP模式，使仪器在功率、精度、体积以及人机操作性等方面，都有了明显的提升。因此我们应该不断创新技术水平，不断消除多径干扰，以及在信噪比较低的情况下，依旧保持量的测算精度，为我国无线电高度表系统出谋划策。

参考文献

[1] 刘勇，吴阳勇，白惠文，等.一种用于高度表原位测试的天线信号耦合器的设计与实现[J].国外电子测量技术，2019，38（12）：82-85.

[2] 高峰，饶盛，关震.某型无线电高度表电源模块失效分析[J].航空维修与工程，2018（12）：54-57.

[3] 廖志佳.FMCW雷达高度表信号处理方法研究与实现[D].西安：西安电子科技大学，2018.