偽碼測距技術在無線電高度表中的應用

包素艷　朱雙寧　賈桂豐　侯路

（1.北京航天愛銳科技有限責任公司，北京? 100176;2.空軍參謀部機要局，北京? 100183;

3.北京中科飛鴻科技股份有限公司，北京? 100176;4.北京航天萬源科技有限公司，北京? 100176）

摘 要：近年來，隨著微電子技術的不斷創新改革，無線電高度表的規格和型號也層出不窮，并且各自具備的功能也不盡相同。同時偽碼測距技術也不斷引起人們的關注，并且已經變得越來越成熟，是各行各業都有著廣泛的應用。基于偽碼測距技術實現無線電高度表，主要采用FPGA+DSP架構模式，表現出色的性能，能夠在一個頻譜上實現多個信號同時占用。本文在闡述無線電高度表原理的基礎上，提出了基于偽碼調相測距技術無線電高度表功能及組成，并說明了改無線電高度表的高動態下弱信號捕獲和高動態下弱信號跟蹤，旨在為無線電高度表的發展和創新貢獻自己的力量。

關鍵詞：微電子技術;無線電高度表;偽碼測距;弱信號捕獲;弱信號跟蹤

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0057-02

0 引言

無線電高度表用于測量飛行器距地面和水面的真實高度，其主要組成部分包括發射機、接收機、數字信號處理、天線、天線饋線電纜以及電源單元等。在各種各樣的民航飛機以及運輸機、國防飛機方面，機載無線電高度表主要用作導航作用，其在飛機上有著至關重要的作用，例如飛機的起飛、著陸、航線控制以及駕駛等等，都需要無線電高度表的配合。此外，在國防方面無線電高度表更是重要的導航設備，導彈的彈道、戰斗機的精準打擊等等。目前全球國家都在無線電高度表方面投入較多，隨著科技的發展與更新，無線電高度表正朝著智能化、數字化和精簡化方面發展[1]。

1 無線電高度表原理

為了更好地理解無線電高度表的工作原理，首先要掌握無線電高度表外回路衰減的雷達方程，通過雷達方程能夠產生不同形式的調制方法。其原理主要是依據電磁波測高，通過發射電磁波，然后接受反射回來的電磁波，計算發射和返回時間之間的差值，即磁波時間延遲，根據相關計算方法便可得到需要測得的高度。因此想要獲得電磁波發射和返回的時延，最重要的是調制發射信號。根據不同的調制方式，可以分為三類即：相位調制，脈沖振幅調制和頻率調制的三個系統。具體如圖1所示。

如圖1（a）所示的相位調制方式，主要通過不同標志的相位差，即本地信號和發射信號，根據公式：，通過相位差計算高度。其中h為無線電高度表高度，p為碼相位，f為偽碼頻率。

如圖1（b）所示的脈沖調制方式，主要通過控制脈沖寬度產生的時間差，即發射脈沖與回波脈沖，根據公式：，通過時間差計算高度。其中c為光速，t為測量時間，h為無線電高度表高度。

如圖1（c）所示的頻率調制方式，主要通過計算差拍頻率，即接收信號與發射信號產生的時間延遲，根據公式：，即可計算高度。其中fb為差拍頻率，ΔF為最大調制頻偏，h為無線電高度表高度，Tm為鋸齒波信號的周期，c為光速。

相位調制，脈沖振幅調制和頻率調制的三個系統，可以根據實際設計參數和使用情況選擇不同的調制方法，雖然不同調制方法都有自己的優勢和弊端，但是回波損耗和輻射波束形狀這兩大因素，其原理和計算方法是一致的[2-3]。

2 無線電高度表功能及組成

無線電高度表的組成示意圖如圖2所示，其關鍵部分主要為：數字信號處理裝置、上位機系統、A/D單元、發射機、接收機、電源以及發射天線和接受天線等。該無線電高度表所需要的時鐘、偽隨機碼和功率控制信號等功能，是靠數字信號處理裝置實現。在偽隨機碼調制方式下發射機生成射頻信號，在天線作用下輻射到地面，地面的接收天線會獲取該信號，之后會將該信號發送給接收機，接收機接受信號后模擬中頻信號，在A/D單元作用下傳輸到數字信號處理裝置，經過一系列的計算后得到高度信息，并將該信息傳輸給上位機系統，至此整個無線電高度表的測算結束。具體如圖2所示。

3 高動態下弱信號的捕獲

3.1捕獲的不確定因素

（1）頻率源的漂移。頻率源頻率的參數漂移將導致碼元時鐘速率的漂移，該漂移隨碼相位的漂移而累積，并且還將導致載波頻率漂移，從而降低無線電高度表系統的性能。因此，根據相關參數選擇頻率穩定性高于1ppm的晶體振蕩器，該晶體振蕩器穩定性能較好，能夠最大限度的減少誤差。

（2）多普勒頻率。高動態飛行速度不同時，會產生不同的多普勒頻率。目標相對于輻射源的運動，查收訥航的回波信號會發生變化，這種變化稱為多普勒效應。飛機在飛行時會與地面發生相對運動，因此接收信號的頻率，不僅要考慮到無線電高度表發射信號的工作頻率，還要加上多普勒頻率，兩者相加后才是接收信號的頻率。

（3）碼相位初始。因為無線電高度表是安裝在飛行的飛機上，當飛機的位置變化時，會產生不同的碼相位，導致高動態下弱信號的捕獲產生誤差。

（4）低信噪比。無線電高度表的反射回波信號在1500m高度處相對較弱，并且天線和接收機帶來的高斯白噪聲會影響系統的采集。

3.2 碼捕獲方式

（1）串行捕獲法。串行捕獲法主要利用偽隨機碼序列的自身特點，實現相關檢測。其中最常見的偽隨機碼便是m序列，當發送和接收兩個序列之間的時間延遲差為0時，偽隨機碼序列的長度即為自相關值，當發送和接收兩個序列之間的時間延遲差不為0時，并且大于1個碼片長度，則相關值為最小值-1。因此，根據相關值的大小，可以知道兩個本地碼序列的相位與接收到的碼序列的相位是否對齊，以確定獲取是否成功。如果獲取失敗，要改變本地碼相位，并保持碼片逐步滑動，并對每個碼相位執行相關的累加操作，再次確定獲取是否成功。

（2）并行捕獲需要。N個相關器，每個相關器相差一個碼片寬度，因此可以一次耗盡所有接收到的碼相位。同時對接收到的碼和N個具有不同碼相位的本地代碼進行相關，然后比較所有運算結果，將最大相關值與閾值決策進行比較，如果大于閾值，則表示采集成功，對應的碼相位為接收碼相位。并行捕獲方式用時最短，但一般情況下電路相對復雜。

（3）并串結合捕獲法。當偽隨機代碼具有相對較長的碼長度時，部分并行捕獲方法（也稱為大步進捕獲）是一個不錯的選擇。大步進搜索就是將要搜索的N個偽隨機碼的相位劃分為N/P段，每個段有P個碼相位，大步進電路用于制作局部偽隨機碼，代碼按P個階段逐步執行，對于每一步，執行P通道并行相關運算并做出判斷。因為大步進搜索一次對P個相位執行相關運算和判斷，而單步進搜索一次僅對一個相位執行相關運算和判斷，所以大步進搜索的捕獲時間較短，僅為單步進搜索的1/PM，能夠實現快速捕獲。

（4）數字匹配濾波器捕獲法。雷達中常用的算法還有數字匹配濾波器捕獲法。它使用本地代碼序列作為數字FIR濾波器的系數來執行相關運算，并對接收到的回波信號進行濾波，將結果與閾值進行比較。超過閾值表示本地偽隨機碼和接收到的偽隨機碼的相位小于一個碼片距離，并且捕獲成功。不超過閾值表示本地偽隨機碼和接收到的偽隨機碼的相位大于碼片距離，并且未捕獲成功，然后會繼續執行上述運算，最終實現捕獲。

在上述方法中，各自有自己的優勢和弊端。其中串行捕獲方法操作簡單，并且電路布置不復雜，但捕獲用時長，因此在偽隨機碼短的工程中應用較多;并行捕獲、數字匹配濾波方法與串行捕獲方法正好相反，電路布置復雜，捕獲用時短，但是復雜的電路和硬件會占用較多的資源;此外并串結合捕獲法結合了時域滑動相關和二維串行捕獲的優點，但其硬件要求高，需要捕獲通道較多，在實際應用中會受到很多因素的限制。在1500m范圍內，最長串行捕獲的時間一般在100ms以內，并且采集時間已足夠，所以本系統選擇串行捕獲方法。

4 高動態下弱信號的跟蹤

碼跟蹤環采用延遲鎖定環，也稱為遲早碼跟蹤環。碼跟蹤環的集成和清除，碼環路鑒別器和碼環路濾波器的設計，最終確定了碼跟蹤環的特性，并確定了碼環的性能，即熱噪聲誤差和動態應力閾值。這里使用歸一化方法，如此大的目標波動對基本不會影響鑒別器，并且對信噪比的變化有良好的適應性。歸一化對延遲鎖定環路跟蹤很有用，并且閾值性能不依賴于AGC。但是，當信噪比較低時，影響環路噪聲帶寬，并且延遲性能動態應力下的自鎖環將變得非常差。綜上所述無線電高度表將使用二階DLL過濾器。

5 結語

近年來科學技術水平發展迅猛，偽碼測距方法得到了人們的關注和研究，并且在各個領域都有著廣泛的應用。隨著國際發展的潮流，我國相關電子技術也突飛猛進，并且研制成功了基于偽碼測距和相位調制的連續波無線電高度表。本文就目前相關技術，設計了一種基于偽碼調相的無線電高度表，并且采用FPGA+DSP模式，使儀器在功率、精度、體積以及人機操作性等方面，都有了明顯的提升。因此我們應該不斷創新技術水平，不斷消除多徑干擾，以及在信噪比較低的情況下，依舊保持量的測算精度，為我國無線電高度表系統出謀劃策。

參考文獻

[1] 劉勇，吳陽勇，白惠文，等.一種用于高度表原位測試的天線信號耦合器的設計與實現[J].國外電子測量技術，2019，38（12）：82-85.

[2] 高峰，饒盛，關震.某型無線電高度表電源模塊失效分析[J].航空維修與工程，2018（12）：54-57.

[3] 廖志佳.FMCW雷達高度表信號處理方法研究與實現[D].西安：西安電子科技大學，2018.