基于單片機(jī)的羅蘭C導(dǎo)航系統(tǒng)信號發(fā)生器設(shè)計(jì)?－

喬永嚴(yán) 周愛軍

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系 大連 116018）

1 引言

羅蘭－C導(dǎo)航系統(tǒng)作為主要的無線電定位和導(dǎo)航手段，由于其具有作用距離較遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在我國將長時(shí)間得到應(yīng)用。我國的羅蘭－C系統(tǒng)又稱為“長河二號”系統(tǒng)，現(xiàn)已全面投入運(yùn)行［1～2］，羅蘭－C遠(yuǎn)程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)地面臺鏈已有效覆蓋中國東、南部沿海及部分內(nèi)陸區(qū)域。但在進(jìn)行訓(xùn)練或維修時(shí)，羅蘭－C導(dǎo)航儀的操作和使用一般在室內(nèi)，并且只能在定點(diǎn)接收信號，信號傳播的時(shí)間和幅度的大小及環(huán)境的干擾幾乎都是一成不變的［3］，這樣就影響了訓(xùn)練的完整性及有效性。而且，由于定點(diǎn)接收信號的局限性，維修人員對導(dǎo)航儀的維修檢查只能局限于很小的范圍內(nèi)。鑒于上述實(shí)際情況，研制羅蘭－C信號發(fā)生器，產(chǎn)生臺鏈可自主設(shè)置的羅蘭－C信號對提高羅蘭－C導(dǎo)航儀的使用和維護(hù)能力是很有必要的。

2 羅蘭－C脈沖信號分析

2.1 單脈沖信號波形特征

羅蘭－C使用100kHz載頻，作用距離可達(dá)600海里～1500海里。通過采用脈相體制可以消除天波對地波的混淆，但99%輻射能量必須限制在90kHz～110kHz頻段內(nèi)。羅蘭－C使用特殊脈沖波形，前沿陡，65μs達(dá)到頂峰，后沿逐漸衰減，約160μs。其信號脈沖波形如圖1所示。

圖1 羅蘭－C信號脈沖波形

羅蘭－C脈沖波形信號是以發(fā)射天線底部電流波形定義的［4］，天線底部電流為：

式中：A是與峰值電流有關(guān)的常數(shù)；t是時(shí)間，單位μs，τ為包絡(luò)的時(shí)間起點(diǎn)，也稱包周差，－5≤τ≤＋5；φ是相位編碼，取0°或180°。羅蘭－C使用8個(gè)脈沖，同相或180°反相。采用8脈沖相位編碼可以提高平均輻射功率，實(shí)現(xiàn)主副臺信號區(qū)分，防止天地波混淆。羅蘭－C有32種重復(fù)周期可供選用，主臺增發(fā)第九脈沖是為了視覺識別主副臺和臺間告警通信［5～6］。羅蘭－C臺鏈?zhǔn)怯?個(gè)主臺和2～4個(gè)副臺組成，主臺和副臺間基線長度可達(dá)600海里～1000海里。

2.2 相位編碼

每個(gè)脈沖組中的脈沖載波的起始相位是不同的，同時(shí)也具備一定的規(guī)律，稱為脈沖組的相位編碼。一個(gè)編碼周期內(nèi)主、副臺信號脈沖群起始相位編碼規(guī)律如表1所示，主臺脈沖群的第九個(gè)脈沖并不參與編碼［7］。

表1 羅蘭－C信號編碼

3 羅蘭－C信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求及參數(shù)指標(biāo)

為了滿足導(dǎo)航定位訓(xùn)練及日常導(dǎo)航儀維修任務(wù)的需求，該信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)需要能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的羅蘭－C臺鏈信號，并可以充當(dāng)導(dǎo)航儀的信號源。設(shè)計(jì)要求大致分為以下幾點(diǎn)：

1）能夠模擬生成標(biāo)準(zhǔn)的主副臺信號。

2）能夠產(chǎn)生天波、同頻干擾及白噪聲等干擾信號，輸出時(shí)可以是其中任意幾種的混合。

3）臺鏈可供選擇，主副臺時(shí)差可調(diào)，天波延時(shí)可變化，并且三種可選擇變化相互之間不受影響，各自獨(dú)立可調(diào)。

參數(shù)指標(biāo)根據(jù)要求可設(shè)定如下幾點(diǎn)：

1）輸出羅蘭－C信號中心頻率為100kHz。

2）天波干擾信號延時(shí)分為四檔以適應(yīng)不同情況 的 天 波 延 遲 場 合，分 別 為 38μs，45μs，50μs，55μs。并且天地波信號分離，幅度可調(diào)。

3）脈沖群重復(fù)周期（GRI）可調(diào)，產(chǎn)生我國目前擁有的北海、東海、南海三個(gè)臺鏈，且相互獨(dú)立，每個(gè)臺鏈設(shè)定為一個(gè)主臺兩個(gè)副臺。

4）主副臺時(shí)差可調(diào)，范圍在11ms～99.99ms之間，分辨率：0.1μs。

3.2 設(shè)計(jì)原理及框圖

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)開發(fā)板為主體控制輸出相應(yīng)臺鏈信號，為導(dǎo)航儀接收機(jī)提供一個(gè)羅蘭－C信號環(huán)境進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位功能。系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

圖2 總體框圖

開發(fā)板還包括信號產(chǎn)生模塊，鍵盤和顯示器模塊，分別負(fù)責(zé)信號的產(chǎn)生，參數(shù)的控制和輸出信號的信息顯示。開發(fā)板控制信號產(chǎn)生的基本框圖如圖3所示。

圖3 信號產(chǎn)生基本框圖

羅蘭－C天波和地波信號主要是采用數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式產(chǎn)生的，通過對標(biāo)準(zhǔn)波形的采樣，將標(biāo)準(zhǔn)波形的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后存儲(chǔ)到單片機(jī)存儲(chǔ)模塊中［8～10］，需要說明的是采樣時(shí)間間隔越短，數(shù)據(jù)越多，得到的波形也就越平滑，但相對程序中可以供中斷程序執(zhí)行的時(shí)間也就越短，對單片機(jī)的運(yùn)行速度要求也就越高，兼顧兩者，本設(shè)計(jì)方案采用0.1μs作為采樣時(shí)間間隔。通過對不同初始相位編碼周期的波形采樣可得到不同的波形數(shù)據(jù)，根據(jù)存儲(chǔ)容量大小可將數(shù)據(jù)分為四組：

1）主臺奇數(shù)編碼周期九個(gè)脈沖波形參數(shù)。

2）主臺偶數(shù)編碼周期九個(gè)脈沖波形參數(shù)。

3）副臺奇數(shù)編碼周期八個(gè)脈沖波形參數(shù)。

4）副臺偶數(shù)編碼周期八個(gè)脈沖波形參數(shù)。

當(dāng)信號產(chǎn)生模塊工作時(shí)，可按照需求將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)按序取出，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后再濾波即可產(chǎn)生相應(yīng)的羅蘭－C信號或天波干擾信號。白噪聲信號可根據(jù)模擬電路和濾波網(wǎng)絡(luò)組合產(chǎn)生［8］。最終輸出的信號可根據(jù)要求設(shè)定合成匹配電路進(jìn)行混合輸出，使發(fā)出的信號更接近真實(shí)的羅蘭－C信號環(huán)境。

信號的參數(shù)主要是由程序的定時(shí)及中斷控制的，信號產(chǎn)生模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生臺鏈內(nèi)各臺信號，中央處理器接收各種控制信息，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)總線將各個(gè)階段不同的定時(shí)值傳送給定時(shí)器，進(jìn)而控制定時(shí)器的工作狀態(tài)，使信號發(fā)生器輸出的信號按照主臺，副臺1，副臺2順序排列，并且可按照不同的時(shí)差值和GRI值的設(shè)定對其進(jìn)行控制，嚴(yán)格保持了各變量的準(zhǔn)確性。另外，利用軟件控制脈沖群重復(fù)周期的穩(wěn)定性和精確度比硬件控制具有誤差小，精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢。

圖4 主程序流程圖

圖5 中斷產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)羅蘭－C信號

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示，信號的輸出由定時(shí)器控制，主要是通過控制延時(shí)和采樣數(shù)據(jù)兩方面，延時(shí)時(shí)間為800μs、1800μs等不同的延時(shí)值；單個(gè)羅蘭－C脈沖波形周期設(shè)定200μs，分為20個(gè)周期10μs的正弦波形，每隔0.1μs采一個(gè)數(shù)據(jù)，則單個(gè)羅蘭－C脈沖總共有2000個(gè)數(shù)據(jù)，故當(dāng)輸出信號時(shí)，需要對定時(shí)器定時(shí)次數(shù)進(jìn)行判斷。圖5為中斷程序產(chǎn)生羅蘭－C脈沖信號的流程圖，主要是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。圖6為控制主副臺發(fā)射信號順序的流程圖，主要是通過判斷主副臺的最后一個(gè)脈沖以及根據(jù)設(shè)定的時(shí)間差值和GRI值進(jìn)行延時(shí)來控制的。

圖6 主副臺發(fā)射信號順序控制流程圖

5 結(jié)語

本研究以單片機(jī)為主體，輸出信號包含了該臺鏈中主臺和副臺的完整信號，還包括天波信號，同頻干擾信號，噪聲等干擾信號，模擬了真實(shí)的信號環(huán)境。信號發(fā)生程序完全按照主副臺發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，以及奇偶周期的不同相位編碼，對輸出的脈沖進(jìn)行時(shí)間上和相位上的控制。實(shí)驗(yàn)表明本設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的信號能夠被導(dǎo)航接收機(jī)識別并進(jìn)行定位，達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。

［1］汪捷，嚴(yán)建華，李川章.國際eLoran發(fā)展現(xiàn)狀與我國羅蘭C現(xiàn)代化的技術(shù)分析［J］.海洋測繪，2009，29（3）：79－82.

［2］唐金元，王翠珍，尚新強(qiáng).羅蘭－C導(dǎo)航系統(tǒng)地面臺站信號模擬器設(shè)計(jì)［J］.航空電子技術(shù)，2007，38（3）：5－8.

［3］王秀森，張治軍，王孝通.羅蘭C信號模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，13（4）：71－74.

［4］朱道山.基于FPGA的羅蘭C信號源設(shè)計(jì)［J］.暨南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版），2012，33（1）：59－64.

［5］吳苗，朱濤，李方能，等.無線電導(dǎo)航原理及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：179－182.

［6］陳高平，鄧勇.航空無線電導(dǎo)航原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：339－370.

［7］王英才.導(dǎo)航原理與系統(tǒng)［M］.海潮出版社，2011：149－152.

［8］王秀森，王英才.數(shù)控多功能勞蘭C信號模擬器［C］／／遼寧省航海學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，1994：165－170.

［9］王英才，王秀森.研制勞蘭C信號模擬器特別應(yīng)注意的三個(gè)問題［C］／／航海系論文選編，1995（12）：164.

［10］何志龍.標(biāo)準(zhǔn)羅蘭－C信號及包絡(luò)信號的一種產(chǎn)生方法［J］.時(shí)間頻率學(xué)報(bào)，1983，2（2）：14－19.