可用于導(dǎo)航定位的甚低頻通信臺(tái)信號(hào)相位測(cè)量技術(shù)研究

黃曉，陳奇東，劉睿，徐文璞，劉楊

(中國(guó)電波傳播研究所,山東 青島 266107)

0 引言

各行各業(yè)都需要導(dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù)，為此建立了很多種類的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)[1].GNSS 導(dǎo)航定位技術(shù)廣泛用于各個(gè)行業(yè)，同時(shí)也是目前最重要的軍用導(dǎo)航手段.但是，GNSS 在電子對(duì)抗中成為干擾的重點(diǎn)目標(biāo).為此，需要積極開展“不依賴GNSS”的精確導(dǎo)航定位試驗(yàn).

基于甚低頻通信臺(tái)導(dǎo)航是作為GNSS 導(dǎo)航備份的一種有效導(dǎo)航手段，也是目前相關(guān)研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn).利用全球范圍內(nèi)大量存在的甚低頻通信臺(tái)站，通過(guò)移動(dòng)接收設(shè)備便可以完成定位工作.這種非合作式甚低頻導(dǎo)航方法、成本低、使用便利、穩(wěn)定性高、應(yīng)用前景廣泛，既可以作為在GNSS 拒止環(huán)境下的有力導(dǎo)航手段，也可以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，與現(xiàn)有的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)同時(shí)工作，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

傳統(tǒng)的羅蘭C 導(dǎo)航定位系統(tǒng)，由一個(gè)主臺(tái)和兩個(gè)副臺(tái)組成一個(gè)臺(tái)鏈，具有固定的發(fā)射格式，通過(guò)測(cè)量副臺(tái)與主臺(tái)之間的時(shí)間差，來(lái)獲取接收設(shè)備到各臺(tái)站的距離差，使用雙曲線定位算法計(jì)算接收點(diǎn)的位置[2-5].羅蘭C 導(dǎo)航臺(tái)為了提高測(cè)量精度，需要主副臺(tái)具有嚴(yán)格相同的頻率和初始相位，對(duì)發(fā)射信號(hào)格式要求比較高，同時(shí)，測(cè)量結(jié)果也受符號(hào)同步的精度的影響.

全球的甚低頻通信臺(tái)信號(hào)調(diào)制方式大部分以最小頻移鍵控(minimum shift keying，MSK)為主.MSK信號(hào)具有許多其他調(diào)制方式不能比擬的優(yōu)勢(shì)，它具有相位連續(xù)、包絡(luò)恒定、頻譜主瓣的能力集中、旁瓣能量衰落塊的特點(diǎn)[6-11].MSK 信號(hào)功率譜的兩個(gè)譜線的相位差與空間傳輸距離成正比關(guān)系的特點(diǎn)，因此可根據(jù)MSK 信號(hào)自身的特點(diǎn)，利用甚低頻通信臺(tái)信號(hào)進(jìn)行相對(duì)定位.該方法實(shí)現(xiàn)中，對(duì)參考站和用戶站兩個(gè)不同位置的接收設(shè)備進(jìn)行相對(duì)相位測(cè)量，獲取相位差，從而可獲得用戶相對(duì)與參考站的相對(duì)位置.該方法測(cè)量精度高，且不需要與發(fā)射臺(tái)站進(jìn)行同步，可實(shí)現(xiàn)在非協(xié)同模式下的距離測(cè)量.

本文介紹了基于甚低頻通信臺(tái)進(jìn)行相對(duì)定位的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法及初步試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的有效性.介紹了甚低頻通信臺(tái)信號(hào)時(shí)延測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了用戶站與參考站相對(duì)相位測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的可行性.

1 MSK 信號(hào)測(cè)相原理

根據(jù)MSK 信號(hào)功率譜的兩個(gè)譜線的相位差與空間傳輸距離成正比關(guān)系的特點(diǎn)，對(duì)甚低頻通信臺(tái)與接收點(diǎn)的相對(duì)相位進(jìn)行計(jì)算，將接收設(shè)備放置在兩個(gè)位置，測(cè)量接收點(diǎn)相對(duì)相位，將兩個(gè)設(shè)備的相位作差可得到兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)的絕對(duì)相位差，從而推算出兩個(gè)接收點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)的距離差.

接收設(shè)備接收的通信臺(tái)的MSK 信號(hào)可表示為

式中：A為信號(hào)幅度；fc為載波頻率；fb為通信臺(tái)的碼速率；a(t)為產(chǎn)出的碼元序列；?(t) 為各個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的初始相位；N為信號(hào)疊加的噪聲.

接收信號(hào)的碼元序列可表示為

式中：an取值范圍為{±1}；Tc為基帶數(shù)據(jù)一個(gè)完整碼元所持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度也稱為巷道寬度.接收到的MSK 信號(hào)中的初始相位序列可表示為

式中，?n為第n個(gè)碼元的初始相位值.信號(hào)生產(chǎn)的過(guò)程中為了能夠保證各碼元之間的相位連續(xù)性，需滿足以下關(guān)系：

式中：?n是MSK 信號(hào)的初始的碼元相位；k為信號(hào)產(chǎn)生時(shí)設(shè)定的整數(shù).

通過(guò)頻譜分析，MSK 信號(hào)的功率譜是一個(gè)在頻域上連續(xù)譜線的單峰譜，無(wú)法觀察到與相位相關(guān)的譜線，因此對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算，分析信號(hào)的功率譜，對(duì)接收到的MSK 信號(hào)進(jìn)行平方運(yùn)算，表示為

在計(jì)算的過(guò)程中不考慮噪聲和直流的影響，并將初始相位序列和初始相位值代入式(5)中，則得到

通過(guò)計(jì)算分析，得到一個(gè)類似二進(jìn)制頻移鍵控(2 frequency shift keying，2FSK)的信號(hào)，a(t) 取值范圍 為{±1}，，信號(hào)的 載波頻 率可表示為

可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)平方后的信號(hào)能量集中在2 個(gè)頻點(diǎn)上.令

計(jì)算對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)上的相位可以通過(guò)快速傅里葉變換 (fast Fourier transform，F(xiàn)FT)實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)為

經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析，MSK 信號(hào)的功率譜譜峰的相位差與信號(hào)的碼速率和單個(gè)碼元時(shí)間傳輸?shù)木嚯x呈線性關(guān)系，通過(guò)該線性關(guān)系可以得到在單個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)接收點(diǎn)的設(shè)備與發(fā)射點(diǎn)的距離[3].由于該相位差不受發(fā)射信號(hào)的初相位的影響，在計(jì)算過(guò)程中也不需要進(jìn)行符號(hào)同步，計(jì)算方便.同時(shí)，該計(jì)算方法不需要在同一時(shí)間接收2 個(gè)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)，可以分別進(jìn)行測(cè)量，能有效解決兩個(gè)發(fā)射臺(tái)時(shí)間基準(zhǔn)、初始相位偏差和信道噪聲帶來(lái)的相位偏差的影響，適合非協(xié)同工作的模式.

2 基于甚低頻通信臺(tái)的相對(duì)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用戶端系統(tǒng)組成及數(shù)據(jù)傳輸流程如圖1 所示.接收天線負(fù)責(zé)對(duì)甚低頻通信臺(tái)信號(hào)的感應(yīng)和接收；接收到的甚低頻通信臺(tái)信號(hào)通過(guò)前端調(diào)理單元，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步濾波和放大；經(jīng)過(guò)濾波和放大后的模擬信號(hào)由采集單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；采集得到的數(shù)字信號(hào)首選經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，將接收到的多個(gè)臺(tái)站信號(hào)分成多路信號(hào)；然后根據(jù)每路信號(hào)都經(jīng)過(guò)信號(hào)的平方運(yùn)算，再進(jìn)行FFT 運(yùn)算，得到用戶站(參考站)與發(fā)射站之間的時(shí)延差；參考站測(cè)量通過(guò)無(wú)線通信鏈路傳輸至用戶站上位機(jī)端進(jìn)行定位處理.用戶站根據(jù)計(jì)算出的用戶站與參考站之間的時(shí)延差，采用雙曲線定位方法，計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的位置，完成非合作式導(dǎo)航定位.

圖1 用戶端組成框圖及數(shù)據(jù)傳輸流程

假設(shè)發(fā)射臺(tái)在整秒的時(shí)刻發(fā)射MSK 調(diào)制信號(hào)，同時(shí)為了消除接收信號(hào)的整周模糊度，發(fā)射臺(tái)與接收設(shè)備在時(shí)間上也精確同步.接收設(shè)備在接收到信號(hào)后，根據(jù)發(fā)射頻率的不同，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行數(shù)字帶通濾波處理，將多個(gè)臺(tái)站信號(hào)分為多路信號(hào)[4-6].將多濾波后的信號(hào)進(jìn)行平方處理，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 運(yùn)算，可以在功率譜中得到兩根突出的譜線.取兩根突出譜線的相位值，計(jì)算兩根譜線之間的相位差，根據(jù)上節(jié)對(duì)MSK 信號(hào)的理論分析，可以得到兩根突出譜線的相位差與信號(hào)的傳輸距離呈線性關(guān)系，即可以得到一個(gè)碼元內(nèi)的信號(hào)傳輸時(shí)延TOA1，該計(jì)算結(jié)果為碼元內(nèi)的時(shí)延差，對(duì)于整數(shù)倍的時(shí)延，需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行符號(hào)同步計(jì)算得到，計(jì)為TOA0.通過(guò)計(jì)算碼元內(nèi)的時(shí)延差TOA1 和整數(shù)倍的時(shí)延差TOA0 可以得到收發(fā)站之間的距離.

當(dāng)接收信號(hào)中有3 個(gè)或者3 個(gè)以上的發(fā)射臺(tái)信號(hào)時(shí)，利用上述方法，可以分別測(cè)量出接收設(shè)備與發(fā)射點(diǎn)之間的距離，從而可以使用雙曲線或圓-圓定位原理進(jìn)行定位[12-14].

3 實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證

3.1 可用甚低頻臺(tái)站信息

目前，甚低頻信號(hào)主要有三種波形體質(zhì)：連續(xù)波(continuous wave，CW)，MSK，頻移鍵控(frequency shift keying，F(xiàn)SK).因?yàn)镸SK 調(diào)制方式能夠?qū)崿F(xiàn)波形的相位連續(xù)，基本取代了FSK 的調(diào)制方式，成為主流的甚低頻通信調(diào)制方式.對(duì)于MSK 調(diào)制方式的信號(hào)，主要關(guān)注該調(diào)制方式的載波頻率和波特率兩個(gè)調(diào)制參數(shù).表1 給出了公開的甚低頻通信臺(tái)站的基本信息，包括經(jīng)緯度、載波頻率、站名、調(diào)制方式、波特率等.

表1 全球公開的甚低頻臺(tái)站信息

3.2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果分析

為實(shí)現(xiàn)利用甚低頻通信臺(tái)站進(jìn)行相對(duì)定位原理驗(yàn)證，項(xiàng)目組在山東青島開展了試驗(yàn)分析工作.

試驗(yàn)中，將兩套設(shè)備放置在青島地區(qū)的兩個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，其中毛公山站點(diǎn)作為固定參考站，另外一個(gè)站點(diǎn)作為用戶站在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量.每個(gè)站點(diǎn)的準(zhǔn)確位置通過(guò)利用GNSS 接收機(jī)測(cè)量確定.2 個(gè)臺(tái)站分別對(duì)甚低頻通信臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析.2 個(gè)站的位置如圖2 所示.

圖2 測(cè)試設(shè)備放置位置

實(shí)際試驗(yàn)中，青島地區(qū)可以接收到NWC、JJI、VTX 等通信臺(tái)信號(hào).圖3 給出了毛公山參考站測(cè)量的多個(gè)甚低頻通信臺(tái)站信號(hào).如圖3 所示，1、2 分別表示NWC 站和JJI 站的信號(hào).

圖3 青島地區(qū)收到觀測(cè)到的信號(hào)

試驗(yàn)期間，設(shè)備采集了大量的甚低頻通信臺(tái)的原始數(shù)據(jù).作為示例，圖4～6 分別給出了毛公山參考站的測(cè)量結(jié)果，該結(jié)果是測(cè)量設(shè)備采集到的甚低頻通信臺(tái)原始數(shù)據(jù)根據(jù)本文算法計(jì)算出的頻域結(jié)果.通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，甚低頻通信臺(tái)采用MSK 調(diào)制，且具有較高的信噪比，能夠解析出較為穩(wěn)定的相位值，便于后續(xù)的距離計(jì)算.

圖4 VTX 臺(tái)站觀測(cè)功率譜圖

圖5 NWC 臺(tái)站觀測(cè)功率譜圖

圖6 JJI 臺(tái)站觀測(cè)功率譜圖

項(xiàng)目組在山東青島地區(qū)多個(gè)用戶點(diǎn)開展時(shí)延差的相關(guān)觀測(cè).試驗(yàn)中，將用戶站觀測(cè)設(shè)備放置在不同位置，進(jìn)行相對(duì)于參考站(毛公山站點(diǎn))位置的相對(duì)相位測(cè)量.相對(duì)相位差隨著設(shè)備的位置不同接收結(jié)果不同，其測(cè)相結(jié)果可用于導(dǎo)航定位.圖7 給出了位于王哥莊站點(diǎn)的接收機(jī)測(cè)量的相位結(jié)果.其中，紅色曲線為毛公山參考站測(cè)量結(jié)果，藍(lán)色曲線為王哥莊用戶站點(diǎn)測(cè)量結(jié)果.測(cè)量的信號(hào)頻點(diǎn)為22.2 kHz，該信號(hào)為JJI 站信號(hào)測(cè)量結(jié)果.根據(jù)2 個(gè)站點(diǎn)(毛公山站點(diǎn)、王哥莊站點(diǎn))得到的相位測(cè)量結(jié)果，求相位差值進(jìn)而可以得到兩站間的距離差為11 km.實(shí)際通過(guò)2 個(gè)站點(diǎn)的GNSS 坐標(biāo)計(jì)算得到參考站至用戶站的實(shí)際兩點(diǎn)距離差為12.7 km，誤差小于2 km.結(jié)果表明，利用甚低頻通信臺(tái)信號(hào)時(shí)延測(cè)量，可以獲得較高精度的相對(duì)定位結(jié)果.

4 結(jié)論

本文介紹了一種甚低頻通信臺(tái)信號(hào)進(jìn)行相對(duì)定位的方法，該方法能夠在非協(xié)作方式下獲得觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于參考站的位置.利用MSK 信號(hào)自身的特點(diǎn)，對(duì)發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離進(jìn)行測(cè)量，不需要發(fā)射臺(tái)站同步，即可得到兩個(gè)相距一定距離的測(cè)試點(diǎn)的相位差，從而算出2 個(gè)測(cè)試點(diǎn)到發(fā)射點(diǎn)的距離差.

在山東青島地區(qū)開展的試驗(yàn)分析工作表明，在該區(qū)域至少可以接收到3 個(gè)或者3 個(gè)以上的甚低頻通信臺(tái)發(fā)射臺(tái)信號(hào).已知參考站位置，利用上述的方法，可以分別測(cè)量出用戶站與參考站臺(tái)的距離，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采用相對(duì)定位.實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)距離測(cè)量誤差在2 km 以內(nèi).考慮到在西北地區(qū)可以獲得更多甚低頻通信臺(tái)發(fā)射臺(tái)信號(hào)測(cè)量，上述方法在該區(qū)域的相對(duì)定位精度有可能進(jìn)一步提高.