低信噪比罗兰-C接收机详解

摘要
罗兰（远程导航的英文词组LOng RAnge Navigation的縮写字LORAN之音译）是全天候、全天时连续工作的远程无线电导航系统，我国也称为长河二号系统，主要由岸基发射设备、系统监测设备及用户设备组成。

该系统是我国独立自主建立并控制的远程无线电导航系统，目前是仅次于GPS导航系统的第二大导航系统，也是我国海军舰船采用的无线电导航系统。

几乎所有的舰船均配备了罗兰－C定位仪或罗兰－C接收机。

但从使用效果看，定位性不佳。

究其原因，由于在建设长河二号系统工程初期，考虑到力求用有限的财力资源构建能够覆盖在全中国沿海区域的远程导航系统，系统发射台的布设采用了远距离长基线的布台方式，虽然发射的功率很大，但在长基线情况下，接收点处的天地波时延差很小，降低了罗兰－C信号实际电平，而接收机几乎完全仿照国外的设备，可以讲没有一个接收机工作在信号的第三周期过零点。

对于长基线工作情况，总有一个离接收点远的副台受到天波的干扰，因此，定位效果自然不佳。

解决定位效果不佳直接的方法是能够自主化设计接收机，并且在接收机的信号处理方法上要有突破。

现阶段要想在很短的时间内使国内的设计能力及水平有很大的提高是不现实的。

因此，必须寻找其它有效途径。

课题依据海军装备部下达的《低信噪比罗兰－C接收机的研制》任务提出的。

重点从信号接收和处理两方面就改善接收机性能做理论探讨和部分实验性研究。

主要结果概括如下：
课题首先着重研究磁性天线对接收机抗干扰、抑制噪声等性能的改善，由于磁性天线具有方向性，从抗干扰和抑制噪声两方面出发，课题设计出一种既能抗干扰，又能抑制噪声的磁性天线。

通过外场与电天线的比对实验，并对实验数据进行统计分析，表明磁性天线在信噪比以及时差稳定性两方面对接收机性能的改善优于电天线，磁性天线的信噪比高于电天线2－3db，且所测时差稳定性高于电天线。

其次，本文提出了一种用小波分析提取罗兰－C信号周期识别特征的新方法。

常用的周期识别的方法有包络识别法和射频采用法，但是包络识别法容易造成包络的失真和延迟，射频采样法要求信噪比较高。

如何在低信噪比的条件下提高周期识别的可靠性，已是罗兰－C系统接收设备中最困难的问题之一。

为此，我们研究用小波分析来提取周期识别特征，课题选择了Bubble母小波，它和我们要处理的罗兰－C标准脉冲信号有很大的相似性，再计算出母小波经过整数平移、二进制展縮得到的函数系中有限项的系数，把这些系数作为周期识别信号的特征信息，利用这些特征信息实现周期识别。

并通过小波分析法与通用方法再抗噪声以及连续波干扰下的性能比较，理论分析与计算机模拟结果表明新方法比传统的方法更能抗噪声、抗连续波干扰，采用该方法将有效地扩大
罗兰－C导航的作用距离。

最后，针对时差测量方法上研究用准正交分解法来测量时差。

通用的时差测量方法是利用接收设备产生的基准脉冲去跟踪被测信号的某一特征点，然后通过测量接收机产生的跟踪主、副台信号的基准脉冲的间隔而间接地获得所测时差，但由于通用方法所测的时差误差偏大且时差稳定性低。

为此，我们研究用准正交分解来测量时差，就是在原有类似正弦函数基础上构建一个余弦函数，首先计算出标准罗兰－C信号经过准正交分解后所得的时差，我们称这个时差为固定偏差（Δτ），然后再计算出在噪声干扰情况下的罗兰－C信号经过准正交分解后所得的时差（t’）,再用t’减去Δτ所得的时差（τ‘）就为我们所求的时差。

经过理论分析与仿真，验证这种新方法比通用方法测量的时差值更准确且稳定性好。

关键词：罗兰－C信号；GPS；长河二号系统；监测接收机；磁性天线；电天线；周期识别；小波分析；准正交分解；时差测量；跟踪。

ABSTRACT
LORAN is the system of long radio range navigation,which continues working everytime for any kind of weather .It is also called Changhe 2 navigation system and composed of transmission equipment on the station of bank,monitor equipment and user equipment.The system is built and controlled only by our country.At present,it is not only the second navigation system after GPS,but also is applied by our navy warships.All of warships almost have Loran-C apparatus of locating or Loran-C receiver.But the capability of location of this is not well from the efficient of applying.We take the reason into account that we spend limited finance to constitution and build LORAN,which can cover all coastal areas in china.The laying out of transmition stage of the system is adopted by the way of laying in the distance and long base line.Although the powe of transmition is very large,the time difference(TD) of received point is very little under the situation of the long base line,which can reduce the practical level of voltage of Loran-C signal.And yet,receivers almost follow equipment abroad,it is said that there is no receiver working at the third period of signal acrossing the zero.Towards working in long base line,there is always deputy stage far from the received point which was disturbed by celestial-wave.Therefore,the locating efficition is not well naturally.The direct idea of solving the bad locating efficition by which we should take initiate in designing receiver,and break through in the way of signal processing of receiver.At present,improving the capability and level of interior design in short time is not reality.Hence,we must look for other effective channel.
The emphasis is expounded by rest on naval ministry of outfit sending down the mission of “The Research of Loran-C Receiver in Low SNR”.The focal point is making theory probing and part experimental study in the signal processing.The primary contributions and original ideas included in this dissertation are summarized below:
First,we investigate the magnetic antenna improves the capability of fighting off interference and inhibiting noise to receiver.Because the magnetic antenna has orientation,considering fighting off the interference and inhibiting the moise,we have designed a kind of maganetic antenna which can fight off the interference and inhibit the noise. Through the experimentation of comparison with electrical antenna outside,and statistical snalyzation of data of experimentation,it is proved that magnetic antenna is better than electrical antenna in improving the capability of receiver in SNR and stability of TD.The maganetic antenna is higher at 2-3dB than electrical antenna,and the curved line of measured TD is more superior than electrical antenna.
Secondary,a novel method of cycle identification for Loran-C signal is presented,which
is based on feature fetched by the method of wavelet analysis.The ususl methods of cycle identification are such as the surround wave identification and radio frequency sampling.But the method of surround wave identification is easy to cauce distortion and postponement of the wave surround,the method of radio frequency sampling requires higher SNR.How to improve the reliability of cycle identification in low SNR is one of the most difficult question in Loran-C receiver.Therefore,we study a method of wavelet analysis to fetch feature of cycle identification.In this dissertation,we choose a kind of wave which is called as Bubble Matriarchal Wavelet.That is similar to the Loran-C standard pulse signal which we should process.The,we compute the coefficients of limited term of matriarchal wavelet in function series which obtained by integer shifting and binary system expanding and recoiling.We take the coefficients for the information feature of cycle identification and use these feature information to realize cycle identification.According to the comparison of the method of wavelet analysis and usual method,theoretical analysis and computer simulation show that it has higher performance of rejection to noise and carrier-wave interference than what is used now,which is very important to enlarge the working distance of the Loran-C navigating system.
Last,aiming for the method of measured TD,we study a new method which called the decomposition of two intersected functions to measure TD.The usual method of measured TD that is using the postulated pulse which caused by receiver to track some feature point of measured signal,then TD is obtained indirectly by measured interval of postulate pulse of tracking subjective stage and secondary stage,which is produced by receiver.But usual method has some fault such as larger TD error and low TD stability.Therefore,we measure TD by means of decomposition of intersected functions.That is,we creat cosine function an the base of original sine funticon.First,we measure TD of standard Loran-C signal which is underwent by decomposition of intersect,we call this TD as regular difference,and express it as Δτ.Then,we measure TD of Loran-C signal which is affect by noise interference,and express this measured TD as t’.Any more,we use t’to subtract Δτ.Thus, we can get required TD.Theoretical analysis and computer simulation show that it has more accurate amount of TD and better stationary than what is used now.
Key words: Loran-C signal, GPS,Changhe 2 navigation system, monitor receiver, magnetic antenna, electrical antenna, cycle identification, wavelet analysis, decomposition of intersected function, TD measure, tracking.
目录
中文摘要(2) ABSTRACT (4)第一章绪论 (9)
1.1研究目的与意义 (9)
1.2 研究历史与现状 (9)
1.3本课题的主要工作 (10)
第二章罗兰C信号接收与处理方法 (11)
2.1 罗兰－C接收机工作原理简介 (11)
2.2 时差测量方法 (16)
2.3 周期识别方法 (20)
2.4 干扰与噪声抑制方法 (23)
第三章磁性天线及其抗干扰与抑制噪声的研究 (25)
3.1 引言 (25)
3.2 磁性天线的特点及性能指标 (25)
3.3 磁性天线的硬件构成与软件设计 (26)
3.4 磁性天线与电天线的性能比较 (33)
3.5 小结 (37)
第四章基于小波分析的罗兰C信号周期识别新方法 (38)
4.1 引言 (38)
4.2 小波分析提取周期识别特征原理 (38)
4.3 性能分析 (40)
4.4 计算机仿真 (43)
4.4.1 两方法所允许的误差条件 (43)
4.4.2 抗噪性能的比较 (43)
4.4.3 连续波干扰条件下的性能比较 (44)
4.5 小结 (45)
第五章基于准正交分解测量时间新方法 (46)
5.1 引言 (46)
5.2 准正交分解时间测量新方法与性能分析 (48)
5.3 计算机仿真 (52)
5.4 小结 (53)
第六章结论 (54)
致谢 (55)
参考文献 (56)
第一章绪论
1.1 研究目的与意义
罗兰－C信号覆盖全球的主要沿海区域，是重要的民用导航、授时资源。

我国的罗
兰－C信号还具有重要的军事应用背景，除实现载体导航、定位与授时等功能外，还可进行低速率的保密数据传输等。

要满足现代军事应用需求，采用新的信号接收方式和先进的信号处理技术至关重要。

我国只有六个罗兰－C导航台，组成三个导航台链（东海台链、北海台链、南海台链）。

与国外理想的导航台链工作区相比，我国的导航台链长基线布设，基线长度1000海里以上，要求工作区的远点距导航台达1600海里以上（通常1000海里），这就加大了信号接收与处理的难度。

现有罗兰－C接收机是在1:3-1:5的信噪比条件下工作的，而我国的罗兰－C接收机应在1:10的信噪比条件下工作的，所以不适用。

如何运用现代信号接收与处理技术实现低信噪比条件下罗兰－C信号接收是充分利用好我国远程导航资源的关键，也是当前领域研究的重点。

1.2 研究历史与现状
罗兰-C信号接收与处理技术的研究历史与现状主要表现在三个方面：
一是感应信号的天线体。

理想的天线感应体从接收的前端就可以获得理想的罗兰－C信号。

从当初的电天线，发展为现在的磁性天线（利用磁性天线的方向性提高接收的信噪比），而阵列磁性天线是今后的研究与发展方向。

二是随信号采集方式的改变带来的信号处理方法的进步。

信号的采集方式，已从过去的极性量化转变为现在的线性量化处理方法；而且线性量化又从原先只对信号的包络的线性量化发展为射频直接正交采样的量化方法。

其中，极性量化以及对包络线性量化，载频极性量化的采集方法都是对原信号的非线性处理，只有射频正交采样后的信号没有丢失原信号的信息。

不同的采样方式必须采用不同的信号处理方法，采用现代信号处理方法对射频正交采样信号进行处理是研究的新方向。

三是时间基准测量的准确性。

从以往的人工视觉判断，到极性量化后的第三周期过零点，再到现在的最大似然波形匹配时间基准测量方法等。

其中，最大似然波形匹配时间基准测量方法是研究的新方向。

1.3 本课题的主要工作
课题主要围绕低信噪比罗兰－C信号的接收与处理两方面问题展开。

其主要内容分为三部分：第一部分研究了磁性天线对接收机抗干扰与抗噪性能的改善；第二部分研究了基于小波分析的周期识别新方法；第三部分研究了基于准正交分解测量时间基准新方法。

具体如下：
第二章介绍了罗兰－C信号接收与处理的方法，主要包括时差测量方法、周期识别方法及干扰与噪声的抑制方法等。

第三章研究了磁性天线对接收机抗干扰与抗噪性能的改善。

设计并制作了一副罗兰－C磁性天线，通过外场实验数据的分析比较，验证了接收机采用磁性天线能够再提高信号信噪比和时间测量稳定性两方面优于电天线接收的情况。

第四章研究了基于小波分析的周期识别的新方法。

采用射频正交采样方法采集信号，基于小波分析进行周期识别。

研究了新方法再低信噪比条件下的周期识别可靠性；研究了新方法对各种干扰，尤其是连续波干扰的适应性。

第五章研究了基于准正交分解测量时间基准的新方法。

针对罗兰－C信号特点，构建准正交分解基函数。

用统计特性分析方法从理论分析与仿真验证说明了基于准正交分解测量时间基准比基于第三周期过零点测量方法更准确。

第六章概括总结了全文的主要结果。

指出对抗噪声抗干扰、周期识别以及时间基准测量有改善，但是磁性天线不容易携带以及周期识别中的周期识别性能等方面还需要改进。

第二章罗兰－C信号接收与处理方法
2.1 罗兰－C接收机工作原理简介
罗兰C接收机是典型的用户设备，有半自动和全自动之分。

半自动接收机在进行搜索信号、天地波识别时，需借助示波器人工辅助操作；而相位跟踪、周期识别、增益控
制、时差测量等都是自动完成的。

全自动接收机则全部自动完成上述操作。

目前应用中基本上采用全自动接收机，故下边主要以全自动机为例说明其基本工作原理。

接收机由天线、天线耦合器、接收指示器三大部分组成，如图2.1所示。

天线和天线耦合器连在一起装在舱外较高的部位。

接收指示器与耦合器之间由专用电缆连接。

天线收到的信号经耦合器滤波、放大、阻抗变换送往接收指示器。

图2.1 罗兰－C接收机的框原理图
接收指示器装在舱室内，它由接收通道部分、定时部分、数据处理部分、键盘和显示部分组成。

其中，接收部分有对100KHz信号直接放大的若干放大器及若干滤波、限波和限幅、检波、导出包络、增益控制电路等组成。

数据处理部分由微处理器及其外围电路组成，负责信号搜索、天地波识别、跟踪、周期识别、测量计算等；定时部分由晶振、分频器、编码器等组成，产生机内所需采样脉冲等有关信号；键盘供操作用；显示面板显示各种导航定位数据。

不同型号的接收机，其具体原理有所不同，下面仅讨论其一般原理。

（一）自动搜索和天地波识别
1．自动搜索
自动搜索环路包括晶振、分频器、编码器、极性鉴别器（又称比相器）、采样寄存器和微机等组成，如图2.2所示。

在人工设定所需接收罗兰C台链的群重复周期GRI后，机内晶振、分频器、编码器产生与所要接收信号的GRI周期相同。

并按主副台信号格式编码的基准脉冲。

基准脉冲与信号在极性鉴别器中采来样比较，进行相位鉴别，再经积累、检测（判别），自动识别出主副台，将基准脉冲锁定在采样点附近的射频过零点上。

5MHz晶振信号，经分频产生宽度为0.25sμ、间隔为2.5sμ的脉冲对，脉冲对间隔为125sμ，8毫秒内布置64对，组成与信号周期相同的脉冲样。

两脉冲间隔为2.5sμ，1，对应相差为90°，故称这种脉冲对为“正交脉冲”。

正交脉冲相当于，射频周期的4
通过编码器每8对分别编码。

对应罗兰C信号的“0”、“π”编码相位，相应的正交基准脉冲的极性编码为“+”、“-”。

进入极性鉴别器的信号已被限幅成方波，在约200sμ的脉冲宽度内约有20个方波，对应1~2对正交采样脉冲，之所以利用脉冲对采样，是因为采样积累达20个群重复周期约2秒种时间，此期间舰船运动最大约600米。

信号移动2sμ，如果利用单脉冲，在2sμ内采样脉冲可跨越信号零点，积累结果会正负相抵消达不到正确积累值。

采用脉冲对以后如图2.3所示。

积累结果正负极性采样结果相消，但前脉冲却可得到同极性积累，保证有一个以上脉冲得到同极性积累。

这就是采用正交脉冲对代替单脉冲采样的作用。

图2.2 自动搜索环路图
极性鉴别的过程实际上是在完成相位解码，实际是个逻辑乘电路，正极性采样时，信号与基准编码相同时，即同时为正或同时为负，则输出为高电平；若负极性采样时，信号与基准编码相反，即信号和基准正对负、负对正，则输出为负。

为了避免在一个码元内因有1～2对采样脉冲造成正负抵消现象，采用正、负极性采样分别积累方法，使得分别积累后，只要编码是相同对正的，两种情况积累均可以达到一定的检测阈值。

采样寄存器为暂存采样结果，然后送微处理机进行积累。

积累过程中杂波干扰属随机性质，正负抵消达不到阈值。

如果1～8号码元对不准也达不到阈值，这时计算机指令分频器使基准向后跳l毫秒，只有单积累达不到阈值，即8码元一一对准，说明已捕获到信号，可执行下一个程序。

搜索时先搜索主台，后搜索副台。

但各副台编码相同，上述办法只能区分主副台，具体是哪个副台还需按时分制，在相应副台区间内布设采样基准脉冲分别搜索才可捕获相应副台信号，这通常采用时分方波控制采样貂准脉冲来实现。

上述信号捕获完毕后均需将采样脉冲锁定，由于一个码元上有1~2对基准脉冲，而前一对可能接近于30sμ采样点，而后一对可能接近天波，故第一步先消去后一对脉冲。

一对脉冲中再消去采不到信号的一个，然后自动后移保留脉冲到最近的一个射频过零点锁定。

上述采用相关税军
进柬方法，若积累10个编码周期可积累160次，因此可提高信噪比160=13倍。

2．自动天地波识别
上述搜索锁定点，不一定是30sμ采样点前地波部分，还需进行天地波识别，使锁定点移到30sμ采样点以前。

天地波识别环路与自动搜索环路相似，不再重复。

天地波识别基本方法如下。

第一步，以搜索锁定位置为基准，向前500sμ内每隔20sμ共布25对正交脉冲，对信号进一步采样、积累。

每个脉冲采样分别积累，然后从前至后对应每个脉冲检测积累结果，前面无信号达不到阈值。

后边信号弱的部分，由于噪声干扰也可能达不到阈值，设第i个脉冲达到阈值，就不再检测，自动将锁定的保留基准脉冲跳步到i位置上，如图2.4所示。

i位置一般离包络起点小于20sμ。

如果50个脉冲采样积累都达不到阈值，说明基准脉冲已在20sμ前，不需移动可直接转入第二步识别。

图2.3 正交脉冲对同级性积累
第二、三步是在基准前10sμ、5sμ处布设各一对正交脉冲，分别采样、积累、检测并移动基准豚冲，经多次相关检测后，可确保基准脉冲锁定在包络起点后0~30sμ以内的某一射频信号过零点上，然后消去正交脉冲。

图2.4 天地波识别
（二）相位跟踪原理
在搜索完成后，分频器保持8个基准脉冲送到采样器，与外来信号进行比相，当采样脉冲对准过出点时输出为零，当采样脉冲对准信号射频的负、正半周时，采样输出为负或正。

采样结果送到计算机，进行判别，使分频输出的基准脉冲（采样脉冲）向后或向前跳步，使基准脉冲始终保持对准信号射频零点，这时便达到了信号跟踪锁定。

在测量中即偏船舶在移动，或有一些干扰仍能不使信号跳掉。

由于射频过零点斜率高于包络斜率，故对射频波形采样比对包络采样跟踪±精度要提高一个数量级，达到±0.1s 量级。

以上过程实为锁相过程，船用接收机常采用二阶环，另外，采样脉冲也常布设多个，进行统计积累、平滑后再调节分频器使采样脉冲跳步。

图2.5 相位跟踪框图
（三）周期识别
通过自动搜素、天池波识别和相位跟踪，已经使基脉冲锁定在信号地波部分的射频
零点上，即从包络起点向后的10、20、30s μ处，但仍然可能存在多值性，还需进行周期识别，使基准脉冲最后跳步移向30s μ采样点。

常用的周期识别法有计算和函数法、延迟倒向法、一次微分法等，现以计算和函数法分介绍周期识别原理，如图2.6所示。

从信号起点开始，每一个射频周波的正负半周幅值均不相同，而且是按包络函数所规定的规律变化才，计算和函数法就是利用周波幅值不等的特性。

在基准脉冲前7.5s μ处布设一个脉冲称为前脉冲，而前2.5s μ处的称为后脉冲，它们出现的时间分别为t 前、t 后，对应的周波幅值分别为U 前、U 后，如基准脉
冲正对准30μｓ采样点，则t 前=22.5s μ、U 前=U 5.22；t 后=27.5 s μ 、U 后=U 5.27 ∙5.22U / 5.27U =K 是已知常数K=0.775。

采样电压送到微机计算U= U 5.22+K U 5.27=0 时，说明基准脉冲对准了30s μ采样点。

否则则按电压U 的正负极性和大小，可分别判定基准是对准10、20或30s μ处，控制基准向前或自后跳10s μ直至最终对准30s μ采样点。

为了提高识别可靠性、可采用多次采样积累的办法，使U= nU 5.22+KnU 5.27=0，若取n=2000次，可保证周期识别正确性概率达95％。

图2.6 “和函数法”周期识别原理
（四）时差测量
在完成相位跟踪和周期识别后，主副台的每个脉冲信号上均有一个基准脉冲对准第三周过零点，测量主副台时差时，则是以对准第八个脉冲第三周过零点的基准脉冲为准的，即测量主副台信号群中与第八个脉冲对应的基准脉冲间隔，便得到主副台时差。

然后经计算机定位解算，求出经纬度等，送显示面板显示出来。

以上所述为罗兰－C 接收机的工作原理。

罗兰－C 信号接收与处理方法主要包括以下三点:
1. 时差测量方法；
2. 周期识别方法；
3. 干扰与噪声的抑制方法。

2.2 时差测量方法
无线电导航的过程，就是通过对无线电波的发射和接收，测量运动体相对于坐标已知点（如导航台、站或卫星等）的方向、距离、距离差等导航参量的过程。

而测量和运用这些导航参量的可能性则是基于电波的以下物理传播特性：
1.在理想均匀媒质中，无线电波是直线传播的。

利用这个特性，我们可以进行无线电测向，测定辐射电波的目标方向。

2.在理想均匀媒质中，无线电波传播速度是常数，即 V= 式中ε为媒质的介电常数、μ为媒质的磁导率、V 为电波传播速度。

电波在自由空间的传播速度为V ＝299792公里／秒。

根据电波恒速传播特性，可以测定电波传播的时间，可得到传播距离，这是实施无线电测距、测距差、测距和的基础。

3.电波在任何两种媒质的边界面上必然产生反射，反射场强与二种媒质电气性能的差异程度有关。

利用反射特性，可发现和搜索目标，也可以确定目标的方向和距离。

导航雷达的工作原理就是利用反射产生回波来测出距离和方位，从而测定船位。

4.无线电波经电离层反射后，人射波和反射波在同一铅重面内。

根据电离层的反射特性，可以利用天波导航，扩大作用距离。

在无线电导航中，尽管各种系统千差万别，但都是通过接收和处理无线电信号来实现导航的。

在确知导航台位置的情况下，接收并测量出无线电信号电参量（如振幅、频率、相位或延迟时间等），根据电波传播的有关特性，转换成为导航所需的、接收点相对于该导航台站坐标的导航的几何参量，如方位、距离、距离差、距离和等。

从而可建立动目标与导航台站的相对位置关系。

某种几何参量相等的点的轨迹就叫作几何位置线，简称位置线。

常见的位置线有直线、圆、双曲线、椭圆等，如图2.7所示。

如果要确定目标的空间位置，则某种几何参量是恒定值所相应的轨迹可能为一几何位置面，称为位置面．常见的位置面有平面、圆面、双曲面、椭圆面等．实际工作中，位置面与地平面相交即得位置线。

图（a ）中，由方位角αM 相等的点形成的轨迹直线：AM ，就是直线位置线。

图（b ）中，由运动点到导航台A 的距离相等的点组成的圆轨迹，叫圆位置线。

图（c ）中，由运动点到两个导航台A ，B 的距离差相等的点组成的轨迹，叫双曲线位置线。

1 √με。