增强型罗兰信号周期检测方法

孙 晶，战兴华，陈俊喆

（1 中国人民解放军91001 部队，北京 100036；2 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

增强型罗兰（Enhanced Loran，eLoran）系统是满足国内外制定规范的定位、导航与授时服务系统，其主要在罗兰C基础之上，结合全固态发射机技术、数据链通信技术、数字化信号处理技术和差分增强技术等先进技术，利用长波信号地波传播相位稳定、传播时延可以精确预测的特点实现高精度的导航以及授时。我国的罗兰C 系统和BPL 长波授时系统经过现代化技术升级改造后，已经具备增强型罗兰初始业务能力[1]。

增强型罗兰接收机主要基于测量得到的到达时间（Time of Arrival，TOA）值实现经纬度以及钟差的解算，最终实现高精度的定位导航和定时，其中TOA 是通过跟踪脉冲组信号周期的时间基准而获得，而增强型罗兰信号载波频率是100 kHz（周期10 μs）[2]，脉冲信号识别错误起码会导致10 μs的测量误差，进而导致较大的定位和定时误差。随着科学技术以及基础实验设施的不断完善与发展，数字化的增强型罗兰接收机以其高可靠性、高精确性、高抗干扰性等优势逐渐成为国际主流，相关的脉冲信号周期检测方法主要包括峰值检测法[3]、函数法[3]、匹配相关法[4]和半周期峰值比较法[5]等。本文主要以提高信噪比为前提，通过信号的先验特征和统计特性进行周期检测，通过仿真验证和硬件实现充分验证了该方法的可靠性和有效性。

1 信号格式

增强型罗兰单脉冲波形为指数不对称形，标准波形前沿定义为[6]：

式中，A为峰值天线电流幅度的归一化常数；t为时间（μs）；τ为包周差（μs）；f 0为载波频率100 kHz；Pc(m)为相位编码，为0 或π，单脉冲信号如图1所示。

图1 单脉冲信号

增强型罗兰系统各台链通过脉冲组重复周期进行区分，每个台链分主台和副台，主台每个GRI九个脉冲，副台每个GRI 八个脉冲，主台和副台前八个脉冲间隔为1000 μs，主台第九脉冲与第八个脉冲相隔2000 μs。相位编码是对每个GRI 组前八个脉冲依次遵循两相两周期互补码进行，其中两相是指载波初相Pc(m)取值为“0”或“π”；两周期互补指的是一个编码周期分偶数周期和奇数周期，两者相互交替为补码及原码[6]，相位编码如表1所示。

表1 脉冲相位编码

增强型罗兰脉冲信号周期检测目的是使接收机能够精确测量主台脉冲和副台脉冲相同周期过零点的时间差值（双曲线导航定位解算）和测量主台或者副台某过零点的到达时间（定时控制）。理想情况下，通过测量地波信号包络峰值即可实现信号周期推算检测，然而由于电离层的反射而产生了延时的天波信号，致使地波信号很容易受到天波干扰而无法得到峰值的准确位置。根据美国海岸警卫队（USCG）公布的接收机规范，天波信号延迟变化范围为37.5～1500 μs[7-8]，所以选择检测的周期需要避开天波的干扰并保证足够的信号电平，因此通常选取第三周正向过零点作为标准过零点。

2 周期检测方法

2.1 检测原理

增强型罗兰接收机前端处理信号后，完成搜索、捕获与跟踪，实现脉冲信号概位的识别，为避免相位编码对周期检测的误判，将GRI 脉冲组中的第一个基准脉冲和位置标识作为周期检测的输入，使用联合检测方法进行周期检测判决，基本原理如图2所示。

图2 周期联合检测方法原理

2.2 线性平均

增强型罗兰信号在传播和接收过程中很容易受到噪声的影响，造成包络失真和信噪比降低。因此对于信噪比较低的脉冲信号，可以采用线性数字平均技术来提高信噪比。假设接收到的信号向量形式为：

式中，H i是叠加噪声后信号的向量形式，r(j)是量化值。输入信噪比为：

式中，Ai是信号幅度，σi为噪声标准差，于是M次累加结果的线性数字平均可表示为：

式中，M为累加次数，线性数字平均后噪声标准差为σo=σi/M，因此输出信噪比为：

根据式（5）可知，线性平均后信噪比与累加次数M有关，增加信噪比为 10 log10(M)，由于在实际应用中接收机晶振的准确度会导致累加失真，即信噪比增量与累加点数M之间关系如图3所示。根据仿真结果可选取累加次数M=150 点，可使信噪比增加20 dB。

图3 累加次数和信噪比增量关系

2.3 峰峰比检测判决

标准脉冲信号每个周期过零点时刻t的后一周正峰值（t+2.5 μs）与前一周峰值（t-7.5 μs）的峰值比是唯一确定值，通过计算峰峰值的斜率可识别标准的第三周过零点，标准脉冲中时刻t的峰峰值比：

根据表2可知，第三次比值和前后两个比值间隔较大，因此可以用于脉冲信号周期检测，定义当其比值落入检测到范围[1.55，1.51]时，认为检测到脉冲第三周过零点。由于信号在传播过程中会受到天波的叠加和噪声的干扰，信号各峰值比标准信号峰值会发生改变，导致检测结果错周。因此采用极性判决的方法对峰峰值检测结果进行判定和跳周调整，基本原理是：当峰峰值法找到了某一时刻t为正向过零点，但不能完全判定是不是第三周过零点，取此零点前的t-32.5 μs、t-22.5 μs 和t-12.5 μs处的累加值，符号和门限判决如图4所示。

表2 峰峰值比

图4 极性判决法示意图

根据图4的极性判决法可得出以下结论：

（1）检测零点为第三周过零点时，t-32.5 μs 处为均值等于零的噪声，t-22.5 μs 和t-12.5 μs 处分别为脉冲第一和第二周期的负峰值；当经过M次累积后，t-32.5 μs 处未出现明显累加峰值，而t-22.5 μs 和t-12.5 μs 处分别出现明显累加峰值，且符号判决为[0 -1 -1]，则判定成功检测第三周过零点。

（2）检测零点超前一周时，在t-32.5 μs 处和t-22.5 μs 处不会出现明显峰值，t-22.5 μs 为第一周负峰值，此时须进行后向跳周处理判决。

（3）检测零点滞后一周时，在t-32.5 μs 处、t-22.5 μs 处和t-12.5 μs 处均有明显峰值，此时须进行前向跳周处理判决。

3 仿真验证

周期联合检测方法采用Matlab 进行仿真验证，首先产生信噪比为8 dB、采样率为1.6 MHz 的信号，其次经过150 次的线性平均处理，然后进行峰峰比计算确定脉冲信号周期，接着进行峰值累加处理和极性判决，最后通过前向/后向跳周处理实现周期的识别。周期联合检测方法仿真算法流程如图5所示，仿真效果如图6和图7所示。

图5 周期联合检测方法仿真流程

图6 不同累加次数下的峰峰比

图7 不同累加次数下极性判决点累加值

根据仿真结果可知，当累加次数M=150 时，脉冲信号的峰峰值比趋近于理论比值，极性判决的三个采样点数据相对稳定，三点累加值分别为：0.225、-605.731 和-1786.125，满足判决要求，实现第三周过零点的准确检测。

一般数字接收机经数字滤波后信噪比可以达到22 dB 以上，而增强型罗兰接收机能够达到30 dB以上[9-10]。为了验证本文方法的抗噪性能，取累加次数为150，信噪比范围为-10～40 dB 的信号进行仿真分析，结果如图8～图11所示。

图8 不同信噪比的峰峰比均值

图9 不同信噪比t-32.5 μs 点处累加值

图10 不同信噪比下t-22.5 μs 点处累加值

图11 不同信噪比下t-12.5 μs 点处累加值

仿真结果表明，当增强型罗兰脉冲信号的信噪比达到15 dB 以上时，该方法能够有效的检测到第三周过零点，准确检测脉冲信号周期，并且抗噪性能比当前较为主流的周期识别检测法更为良好，其中周期累加值算法的信噪比为25 dB[11]，周期和值算法信噪比为24 dB[5]，波形匹配法的信噪比为23 dB[4]等，因此该脉冲信号周期联合检测方法具有更强的适用性。

4 结论

本文针对增强型罗兰数字接收机中最为关键的信号周期检测问题，提出一种以采用数字线性平均技术提高信噪比为前提，利用峰峰比检测法和极性判决法进行脉冲信号的联合检测方法。通过仿真验证了该联合检测方法的有效性，分析了联合检测方法的抗噪声性能，结果表明该方法准确可靠，其抗噪声性能与传统的周期识别方法相比至少提高8 dB 以上，能够满足现代数字化增强型罗兰接收机的设计要求。