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      一種抗多徑效應(yīng)的非相干無人機測距方案*

      2018-07-26 10:07:50
      電訊技術(shù) 2018年7期
      關(guān)鍵詞:數(shù)傳偽碼機上

      饒 俊

      (中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

      1 引 言

      無人機測控系統(tǒng)具有對無人機進行遙控、遙測、跟蹤定位和數(shù)據(jù)傳輸功能。一般來說,無人機測控系統(tǒng)由機上載荷和控制站兩部分組成[1]。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向的不同,測控信號可分為上行鏈路和下行鏈路,上行鏈路主要用于在地面控制站與無人機之間傳送遙控指令,下行鏈路則主要完成無人機至地面終端的遙測數(shù)據(jù)以及任務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸,與此同時還要利用上下行鏈路實現(xiàn)測距功能。無人機上下行鏈路的帶寬是不對稱的,上行是窄帶鏈路,下行是寬帶鏈路。因此,非相干測距技術(shù)成為當(dāng)前無人機系統(tǒng)應(yīng)用最多的技術(shù)體制[2]。非相干測距需要地面機上同時測量數(shù)據(jù),還需要經(jīng)過下行鏈路將機上測量的數(shù)據(jù)傳回到地面,所以下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼和下行數(shù)傳信號的到達定時精度直接影響測距的精度。傳統(tǒng)的非相干測距方法沒有考慮多徑衰落的影響,而無人機經(jīng)常飛行在低仰角多徑環(huán)境下,多徑衰落信號對下行寬帶信號的傳輸性能造成了影響,單載波頻域均衡(Single-Carrier Frequency Domain Equalization,SC-FDE)技術(shù)能有效地對抗頻率選擇性衰落[3],提高無人機在多徑衰落信道下的傳輸性能,從而提高無人機測控系統(tǒng)的可用性和測距精度。

      本文提出并設(shè)計了一種抗多徑效應(yīng)的非相干無人機測距方案,通過仿真驗證了方案能有效提高系統(tǒng)測距精度,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

      2 工作原理

      2.1 非相干測距工作原理

      非相干測距原理如圖1所示。非相干測距時,機上獨立形成下行測距標(biāo)志,與收到的上行測量幀頭并不對齊[4],這是其與相干測距的區(qū)別。

      圖1 非相干測距工作示意圖Fig.1 Working diagram of incoherent ranging

      地面站在Tcs時刻發(fā)送定時標(biāo)簽為N的遙控幀,機上在Tcr時刻接收到定時標(biāo)簽為N的遙控幀。經(jīng)過td時間后,機上在Tms時刻發(fā)送定時標(biāo)簽為M的數(shù)傳幀,地面在Tmr時刻接收到數(shù)傳幀M。地面在遙控發(fā)射時刻到數(shù)傳接收時刻的時延包括機上收到遙控幀到發(fā)出數(shù)傳幀的時延以及雙向傳輸時間,則單向傳輸時間和距離分別為

      ttr=[(Tmr-Tcs)-(Tms-Tcr)]/2,

      (1)

      R=ttr·C 。

      (2)

      式中:R為距離,C為光速。

      由非相干測距的原理可知,非相干測距系統(tǒng)地面和機上都需要定時測量,測量的關(guān)鍵就是找到遙控、數(shù)傳信號的發(fā)射和接收參考點。

      2.2 SC-FDE工作原理

      SC-FDE系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

      圖2 SC-FDE系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working diagram of SC-FDE system

      在普通的頻域均衡系統(tǒng)中頻域均衡與信道譯碼是兩個獨立的部分,信息沒有充分交互利用,導(dǎo)致解調(diào)門限偏高。為了解決這一問題,可以采用均衡與譯碼聯(lián)合迭代技術(shù),將譯碼器輸出的軟信息反饋給均衡器,并通過多次迭代,在均衡器和譯碼器之間充分交換信息以獲得性能上的提高。迭代均衡的工作原理如圖3所示。

      圖3 迭代均衡工作圖Fig.3 Working diagram of iterative equalization

      根據(jù)圖3,實現(xiàn)時采用4次迭代均衡,在得到頻域數(shù)據(jù)和頻域的信道估計結(jié)果后,進行第一次均衡,由于此時沒有譯碼完之后的軟信息,因此第一次均衡相當(dāng)于一次MMSE均衡。之后的每次均衡都需要用到軟信息并重新計算前、后向濾波器的系數(shù)進行均衡。譯碼完成后,對輸出的硬判決信息進行CRC校驗。若CRC校驗正確,輸出硬判決比特信息;若CRC校驗失敗,輸出軟信息,返回給均衡器進行下一次迭代均衡,最多不超過4次迭代。

      3 方案設(shè)計

      3.1 遙控幀發(fā)射參考點的選擇

      無人機系統(tǒng)的上行鏈路采用具有抗干擾特性的偽碼擴頻體制[5],因無人機系統(tǒng)要求快速建立測控鏈路,而采用的偽碼周期一般都較短,靠偽碼不能解距離模糊,所以需要利用遙控幀解決距離模糊問題。采用位同步環(huán)接收遙控幀,位同步環(huán)的精度與遙控幀的速率有關(guān)。由于遙控幀的速率較低,利用接收到的遙控幀幀頭作為上行測量幀到達定時,精度不能滿足要求,所以可利用遙控幀到達作為粗同步定時,同時利用實時擴頻碼相位作為精同步定時。為了提取粗同步和精同步定時標(biāo)簽,要求遙控幀的時鐘由碼鐘產(chǎn)生,遙控幀在定時到達時,在最近的偽碼周期脈沖的位置發(fā)出,保證信息鐘相位的連續(xù)性且可利用偽碼的周期脈沖提高位同步環(huán)的精度。偽碼速率、遙控碼速率和偽碼周期須滿足以下關(guān)系:

      fp=a·fr,

      (3)

      2n-1=a·b。

      (4)

      式中:fp為偽碼速率,fr為遙控碼速率,n為偽碼位數(shù),a、b為任意整數(shù)。

      按式(3)和式(4)要求設(shè)計遙控幀的速率和發(fā)送時刻。遙控幀的發(fā)送時刻和偽碼的時間關(guān)系如圖4所示。

      圖4 遙控幀發(fā)送時刻和偽碼的關(guān)系圖Fig.4 Relation between remote control frame′s end time and pseudo-random code

      無人機的遙控幀一般為定時發(fā)送,遙控幀的發(fā)送周期遠遠大于偽碼周期,當(dāng)遙控幀定時到達時,在最近的偽碼周期到達時候發(fā)送,每位遙控數(shù)據(jù)的發(fā)送時間可以發(fā)送a位偽碼。

      3.2 遙控幀接收參考點的選擇

      根據(jù)圖4中遙控幀發(fā)送時刻和偽碼的時間關(guān)系,機上在收到遙控幀的幀脈沖信息時,找到最近的偽碼周期脈沖,如圖5所示,當(dāng)解調(diào)的幀脈沖到達后,查找離幀脈沖最近的偽碼周期脈沖,如圖5中的黑色粗線脈沖,此脈沖則為遙控幀到達的定時參考點Tcr,同時啟動定時測量,在數(shù)傳發(fā)送時刻結(jié)束計時,測量出遙控幀到達至數(shù)傳幀發(fā)出的時延。

      圖5 遙控幀接收參考點的提取示意圖Fig.5 Extraction diagram of remote control frame′s receiving reference point

      3.3 數(shù)傳幀的發(fā)送參考點

      機上的數(shù)傳信號采用定時發(fā)送,周期較快,在數(shù)傳信號發(fā)送時刻Tms完成定時測量,記錄下當(dāng)前數(shù)傳幀序號、遙控幀序號以及定時測量的結(jié)果,將結(jié)果插入到數(shù)傳幀中發(fā)送。

      3.4 數(shù)傳幀的接收參考點

      數(shù)傳信號傳輸采用SC-FDE技術(shù)[6],信息速率一般都在2 Mbit/s以上,數(shù)傳幀幀同步頭的提取需通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行下變頻、匹配濾波、同步、均衡、解交織和譯碼。根據(jù)圖2所示的均衡工作原理可知信號迭加均衡的次數(shù)不確定,所以時延不確定,均衡后的數(shù)據(jù)到達不能作為數(shù)傳信號的到達定時,只能選信號同步作為到達定時。而同步頭和信息幀同時組幀調(diào)制輸出,所以信號的空間傳輸時延和數(shù)傳幀的空間傳輸時延相同,則以地面完成數(shù)傳信號同步后的時間點作為數(shù)傳幀的到達標(biāo)志。

      信號同步模塊的實現(xiàn)[7]包括到達檢測、頻偏估計、定時跟蹤、內(nèi)插器和分隔符檢測,處理流程如圖6所示。

      圖6 同步模塊實現(xiàn)示意圖Fig.6 Implementation diagram of synchronization module

      整個同步模塊的流程,首先是進行到達檢測,在到達檢測完成后,同時進行頻偏估計和定時跟蹤;當(dāng)頻偏估計完成時,將頻偏估計值輸送到頻偏補償模塊進行補償;頻偏補償后進行內(nèi)插,最后完成分隔符檢測。

      同步段采用多個級聯(lián)的偽碼序列作為訓(xùn)練序列[8],主要利用偽碼序列良好的自相關(guān)特性完成到達檢測、頻偏估計、定時跟蹤等一系列操作,當(dāng)?shù)竭_檢測檢測到有n個偽碼序列到達時,則認為到達檢測完成,所以到達檢測的延時為固定的n個偽碼序列。

      到達檢測處理完后,將捕獲到的頻點前饋至頻偏補償模塊,頻偏補償模塊根據(jù)捕獲到的頻率對數(shù)據(jù)做頻偏補償,經(jīng)過頻偏補償?shù)臄?shù)據(jù)會被送入頻偏估計模塊對剩余頻偏進行頻偏精估計處理,因此這里也稱頻偏估計為頻率精估計。頻偏估計輸出頻率為精估頻率,捕獲頻率為粗估頻率。

      頻偏估計需要用m個偽碼序列,因此經(jīng)過m個偽碼序列的時間后,頻率估計模塊已經(jīng)完成了它的數(shù)據(jù)相關(guān)積分,此時已保存好了m個序列,用于后面的定時估計。定時估計利用m個序列完成估計,所以固定延時m個序列。定時估計完后,會將估計出來的定時偏差反饋至內(nèi)插器進行偏差修正,并開始進行分隔符檢測。當(dāng)檢測到設(shè)定的符號序列后,則完成了所有同步估計。

      整個同步過程的延時為固定值,所以可從到達檢測、定時跟蹤和分隔符檢測后提取數(shù)傳信號到達時刻。如果利用到達檢測完成標(biāo)志作為定時標(biāo)志,由于到達檢測數(shù)據(jù)相關(guān)的步進為0.5 chip,所以到達檢測都會存在的時間誤差為

      (5)

      定時跟蹤是利用開環(huán)[9]來實現(xiàn)的,采用的是早遲門同步的方法,它內(nèi)部有兩個積分時間相同的積分器,兩個積分器輸出的絕對值之差作為接收機符號定時誤差的度量。由于定時跟蹤的處理步進是0.25 chip,所以精度比到達檢測的精度高。同時還要進行多次的相關(guān)積分,得到多次的鑒相結(jié)果,然后取其平均作最后的鑒相結(jié)果,即

      (6)

      式中:N取用于頻偏估計的序列個數(shù)。

      在多次相關(guān)積分后,定時跟蹤的誤差為

      (7)

      根據(jù)式(2)中距離與時間的關(guān)系,定時誤差越小,距離誤差越小,所以定時誤差作為數(shù)傳信號的到達定時帶來的距離誤差更小。

      3.5 時延的測量

      機上接收到遙控信號后進行解擴、解調(diào)、幀同步,收到遙控幀幀頭時為機上定時測量開始的標(biāo)志,再利用數(shù)傳定時發(fā)送時刻對遙控信號采樣,提取位計數(shù)nup1、擴頻偽碼計數(shù)mup1、碼相位φup1,插入到數(shù)傳幀中發(fā)送到地面;地面從遙控幀發(fā)出時啟動定時測量,在數(shù)傳信號到達的參考點記錄遙控信號的位數(shù)nup2、偽碼個數(shù)mup2和碼相位φup2。由式(1)可知,機上和地面的時延為

      (8)

      (9)

      式中:Tms-Tcr為機上收到遙控幀到發(fā)出數(shù)傳信號的延時,Tmr-Tcs為地面發(fā)出遙控幀到收到數(shù)傳信號的延時,fr為遙控碼速率,fp為偽碼速率。

      根據(jù)式(3)中遙控碼速率和偽碼速率關(guān)系可得到機上和地面的時延為

      (10)

      (11)

      由式(1)和式(2)可得到距離

      (12)

      4 仿真分析

      4.1 定時跟蹤誤差

      在萊斯衰落信道,兩徑時延為[0,2.5]μs,能量為[0,-6]dB條件下,定時跟蹤的誤差仿真結(jié)果如圖7所示。

      圖7 定時跟蹤誤差曲線圖Fig.7 Timing tracking error curve

      從圖7可看出,當(dāng)信噪比高于4 dB時,定時誤差在0.05 chip內(nèi)的概率在97%以上;在AWGN條件下,信噪比大于4 dB時,定時誤差在0.05 chip內(nèi)的概率在98%以上,所以利用定時跟蹤結(jié)束作為測距定時標(biāo)志可提高下行信息幀同步的精度。根據(jù)式(2)可知,由下行數(shù)傳接收參考點引起的最大誤差為

      (13)

      所以在信息速率為2 Mbit/s情況下,由下行數(shù)傳接收參考點引起的最大誤差小于7.5 m。當(dāng)信息速率越高時,測距誤差越小,滿足無人機系統(tǒng)要求的精度。

      4.2 誤碼分析

      由于本測距方法需要地面和機上同時測量數(shù)據(jù),還需要經(jīng)過下行鏈路將機上測量的數(shù)據(jù)傳回到地面,所以下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼直接影響測距的精度及錯誤概率。利用SC-FDE技術(shù)可以增加在多徑條件下傳輸機上測量數(shù)據(jù)的可靠性。

      在同4.1節(jié)的仿真條件下,下行SC-FDE解調(diào)技術(shù)和傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)下誤碼率曲線如圖8和圖9所示。

      圖8 單載波頻域均衡技術(shù)誤碼曲線Fig.8 Error curve of SC-FDE demodulation

      圖9 傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)誤碼曲線Fig.9 Error curve of traditional demodulation

      從圖8和圖9可看出,利用SC-FDE技術(shù)后,在信噪比大于7 dB時,誤碼率小于10-5,基本不影響測距信息的傳輸,而傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)受多徑影響,誤碼率在信噪比大于14 dB條件下不能有效地降到小于10-5。無人機系統(tǒng)一般在信噪比大于7 dB下需滿足測距精度,在傳統(tǒng)數(shù)傳解調(diào)技術(shù)下,誤碼率太高,測距錯誤率太大,不能滿足測距要求。

      5 結(jié) 論

      利用SC-FDE和非相干測距技術(shù)的無人機測控系統(tǒng)可減小數(shù)傳信號和機上測距數(shù)據(jù)在多徑衰落信道下產(chǎn)生的誤碼,同時選取適當(dāng)?shù)南滦袔蓸狱c可以提高測距精度[10]。本文研究了同步誤差受多徑影響的解決方案,但沒有給出機上接收通道對抗多徑效應(yīng)的處理方法。今后應(yīng)增加對擴頻抗多徑效應(yīng)的處理方法研究,以進一步提高無人機系統(tǒng)的測距精度。

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