 Hans Journal of Wireless Communications 无线通信, 2012, 2, 44-49 http://dx.doi.org/10.12677/hjwc.2012.22009 Published Online May 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjwc) Research on Signal Synthesized Method of Loran C Omni-Directional H-Field Antenna Based on Amplitude Superposition Guoheng Cui, Jun Zhou, Jiangning Xu, Kejin Cao Department of Navigation Engineering, Wuhan Email: cgh3899@sina.com Received: Mar. 26th, 2012; revised: Apr. 14th, 2012; accepted: Apr. 27th, 2012 Abstract: The single stick H-field antenna induce reversed phase as the waves directions are different in receiving Loran C signal. The signal synthesized algorithm based on amplitude superposition is designed, which actualize the synthesization of Loran C signal. This algorithm which process fast, can easily realized in FPGA, and has been applied in Loran C omni-directional H-field antenna. Keywords: H-Field Antenna; Loran-C; Signal Synthesized 基于幅度叠加的罗兰 C全向磁天线信号合成方法研究 崔国恒，周 隽，许江宁，曹可劲 海军工程大学，武汉 Email: cgh3899@sina.com 收稿日期：2012 年3月26 日；修回日期：2012年4月14日；录用日期：2012 年4月27 日 摘 要：本文针对单棒磁天线在接收罗兰 C信号时，会因来波方向的不同而产生相位翻转的特性，设计了基于 幅度叠加的信号合成算法，并实现了罗兰C信号的合成处理。该算法在 FPGA 中实现简单，处理过程快速，具 有较强的使用价值，已经在所研制的全向磁天线中得到了使用。 关键词：磁天线；罗兰 C；信号合成 1. 引言 罗兰 C导航系统是一种中远程低频无线电导航系 统，属于陆基、脉冲相位调制导航方式[1]。导航台发 射的电磁波是垂直极化波，可分为垂直电场信号和水 平磁场信号两部分，二者正交传播。在空气中，垂直 电场信号要强于水平磁场信号，所以传统方法都采用 3米鞭状直立天线来接收垂直电场信号进行定位导航 。 实际上，采用磁天线接收水平磁场信号进行定位导航 具有较为显著的优点，主要体现在以下几点：第一， 磁天线具有更长的天线有效高度，相对于信号的波长 来说，传统的鞭状天线属于电小天线，接收信号效 果并不理想，而采用磁棒上绕制线圈的磁天线可以接 收电磁信号中的磁场信号，在天线体积保持在使用条 件下，天线的有效长度可以设计得很长，接收效果可 以强于电天线；第二，罗兰 C磁天线体积小、不需要 良好的接地，是与北斗天线和GPS 天线组合收信的最 佳选择，也是罗兰C成为北斗二代卫星导航系统战略 备份的发展趋势[2,3]；第三，磁天线抗静电沉积效应强， 在雷、雨、雾、雪等恶劣天气条件下具有稳定的接收 性能，具有更强的环境适应能力[4]。因此，研究全向 磁天线具有广泛的应用领域和参考价值。 我国关于罗兰C磁天线的研究尚处于起步阶段， Copyright © 2012 Hanspub 44  基于幅度叠加的罗兰 C全向磁天线信号合成方法研究 而国外关于磁天线的研究显著早于我国。以早在上世 纪七十年代，美国就在其拖曳天线上采用了磁天线技 术[5]，最近十年又将磁天线技术往罗兰 C接收机上移 植。目前国际上新型罗兰 C接收机已普遍采用高灵敏 小型化磁天线，尤其是将磁天线与 GPS天线组合，结 合授时、测向以及 ASF 修正等功能，构建天地一体化 的无线电导航系统，极大增加了用户设备导航定位的 冗余能力[6]。 单棒磁天线具有方向性，要想实现全向收信，必 须采用多根磁棒同时接收信号并进行信号合成处理。 而单棒磁天线在接收信号时，对立波瓣信号具有相位 相反的特性，这就给信号合成带来了麻烦。本文主要 针对全向磁天线设计环节中的信号合成部分展开研 究。 2. 全向磁天线简介 2.1. 全向磁天线结构设计 全向磁天线原理结构如图 1所示。 两根正交放置的单棒磁天线感应到的信号经前 置低噪声放大器放大、模拟带通滤波器滤波、自动增 益放大器放大等信号调理过程后，对两个通道的模拟 信号进行模数转换，完成双通道信号的数字量化；数 字量化后的两路数字信号由高性能可编程逻辑器件 FPGA 进行处理，分别完成信号的数字滤波、数字陷 波、数字移相等过程，完成两路信号的数字调理过程； 通过 FPGA器件的控制和处理，对两路信号进行搜索 和识别，针对信号的相位变化特点，采用文中设计的 信号合成方法进行信号合成；最后将合成后的信号进 行数模转换，输出的模拟合成信号提供给罗兰C接收 机进行定位解算。对于罗兰 C数字接收机来说，合成 信号可以直接供给接收机进行定位解算，不需进行数 模转换。 2.2. 罗兰 C信号的相位编码特点 对罗兰 C脉冲组信号中的每个脉冲载频起始相位 进行严格规定，使其按照一定的格式排列，称为脉冲 组相位编码。通过相位编码，可实现罗兰 C系统全自 动接收并可有效抑制天波干扰。 罗兰 C系统脉冲组采用二相二周期互补编码方式， 其中“二相”是指载频起始相位有两种，载波起始相 位为 0 rad 时，为正相位编码，用“+”表示，起始相 位为 π rad时，为负相位编码，用“–”表示；“二周 期”是指编码周期等于两个 GRI 长度；“互补”是指 第一个周期脉冲组中偶数位脉冲的相位与第二个周 期脉冲组中相应的偶数位脉冲的相位相差π rad，而奇 数位脉冲相位相同；主、副台信号的相位编码是不同 的，各主台、各副台信号的相位编码是相同的。罗兰 脉冲群中各脉冲的相位编码如表 1所列[7,8]。 C Figure 1. Function cell diagram of H-field antenna 图1. 全向磁天线结构设计图 Table 1. Phase codes of Loran-C signal 表1. 罗兰C信号相位编码 主台编码 副台编码 脉冲序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 奇数周期 + + – – + – + – + + + + + + – – + 偶数周期 + – – + + + + + – + – + – + + – – Copyright © 2012 Hanspub 45  基于幅度叠加的罗兰 C全向磁天线信号合成方法研究 2.3. 全向磁天线象限分布 罗兰 C信号在到达单棒磁天线对立模型波瓣时有 一个 180˚的相位改变，这种相位特性就要求在设计全 向磁天线时，必须考虑每根单棒磁天线接收信号的相 位特性，即导航台发射信号的来波方向处于单棒磁天 线不同的波瓣区域时，必须针对每根单棒磁天线接收 到的信号，选择合适的相位进行信号合成处理。 对于十字交叉环路布置的全向磁天线来说，其接 收信号的全向区域可分为四个象限，如图 2所示，处 于不同象限的信号在进行信号合成时，必须进行适当 的相位变换[7]。相位变换结果如下： Ⅰ象限：A + B Ⅱ象限：A – B Ⅲ象限：–A – B Ⅳ象限：–A + B 3. 幅度叠加信号合成算法原理 全向磁天线两路信号合成不仅要完成信号幅度 的合成，还要完成信号的相位合成。由于单棒磁天线 的方向性和相位特性，使得两根磁棒接收相同台站发 射信号的相位会发生 180˚的改变，由此导致罗兰 C台 链信号的合成变得复杂[9]。 针对这种情况，本文设计了基于幅度叠加的全向磁 天线信号合成方法。该方法在信号合成过程中消除了相 位变化的影响，只需简单改变接收机内部处理程序，就 能实现合成信号的搜索、跟踪、识别和定位解算。 幅度叠加信号合成算法原理如图 3所示。 两根正交放置的单棒磁天线感应到的信号经前 置低噪声放大器放大、模拟带通滤波器滤波、自动增 益放大器放大等信号调理过程后，对两个通道的模拟 信号进行模数转换，完成双通道信号的数字量化；数 字量化后的两路数字信号由高性能可编程逻辑器件 FPGA 进行处理，分别完成信号的数字滤波、数字陷 波、数字移相等过程，完成两路信号的数字调理过程。 在对信号调理的基础上，完成信号合成的第一步，对 信号取绝对值，完成|dataA| 和|dataB|运算，此举可将 信号的相位特性消除；然后完成信号合成的第二步， 幅度叠加，完成|dataA| + |dataB|运算，得到幅度叠加 合成信号；合成信号输出供罗兰C接收机使用。 4. 算法仿真分析 假设罗兰 C台链分布情况及磁天线的放置情况如 图4所示。主台信号、副台2信号到达磁天线时，位于 磁天线的第Ⅰ象限；副台 1信号到达磁天线时，位于 磁天线的第Ⅳ象限。各台站发射信号的波形图和相位 Figure 2. H-field antenna quadrant distribution 图2. 全向磁天线象限分布 Figure 3. Superimposed signal synthesis pr oce ss 图3. 幅度叠加信号合成流程 Figure 4. Station and H-field antenna placement 图4. 台站及磁天线布置情况 Copyright © 2012 Hanspub 46  基于幅度叠加的罗兰 C全向磁天线信号合成方法研究 编码情况如图 5所示，向上突起表示载波起始相位为 0 rad，为正相位编码，用“+”表示 ；向下突起表示载波 起始相位为 π rad 时，为负相位编码，用“–”表示。 对于 A、B磁棒来说，由于单棒磁天线的方向性和 相位特性，其接收三个台站的信号的幅度和相位编码都 会发生改变，其信号幅度和相位编码情况如图 6所示。 信号合成的第一步：对信号取绝对值。 完成|dataA|和|dataB| 运算，此举可将信号的相位 特性消除，所得的结果如图 7中所示。 此时罗兰C信号的波形已经发生了改变，信号的 相位特性已经不再包含在信号波形中，包络形状也不 再是“鱼”形，其波形如图 8所示。对于现有接收机 来说，这种包络形状难以完成信号的搜索、跟踪和定 位解算，必须根据信号的形状设计一种新的算法，才 能使用要求。 00.5 11.5 22.5 33. 5 x 10 5 -1000 -500 0 500 1000 时间 (× 0.1μs) 幅度 (mv ) da ta 050100 150200 250 300 350 -200 -100 0 100 200 时间 (×0.1m s ) 幅度 (m v) Phase of data Figure 5. Emission signal waveform and phase encoding 图5. 发射信号的波形图和相位编码情况图 0 1 23 x 10 5 -500 0 500 时间（ ×0.1μs ） 幅度 (m v) dataA 0100 200300 -200 -100 0 100 200 时间（ ×0.1ms ） 幅度 (mv ) Phase of dataA 0 1 23 x 10 5 -500 0 500 时间（ ×0.1μs ） 幅度 (m v) da taB 0100 200300 -200 -100 0 100 200 时间（ ×0.1ms ） 幅度 (mv ) Phase of dataB Figure 6. Signal dataA, dataB amplitude and phase 图6. 信号dataA，dataB 幅度和相位情况 00.5 11.5 22.5 33.5 x 10 5 0 200 400 600 时间 (× 0. 1 μs) 幅度 (m v) |d ataA| 00.5 11.5 22.5 33.5 x 10 5 0 100 200 300 400 500 时间 (× 0. 1m s) 幅度 (m v) |dataB| Figure 7. |dataA| and |dataB| waveform 图7. |dat aA|和|dataB|波形图 05001000 150020002500 -200 -100 0 100 200 data 时间 (×0.1μs) 幅度 (mv) 05001000 150020002500 0 50 100 150 200 |data| 时间 (×0.1μs) 幅度 (mv) Figure 8. Compared data with |data| waveform 图8. data同|data|波形比较 信号合成的第二步：幅度叠加。 完成|dataA| + |dataB|运算，所得的结果如图 9中 所示。 5. 实测数据分析 利用自制的罗兰 C全向磁天线接收东海台链的导 航台信号，GRI = 83900 μs，该台链的台站和接收地 点的分布情况及磁天线的放置情况如图 10 所示。 由图中可以看出，接收信号地点距离主台——宣 城台最近，距离第一副台——饶平台较远，距离第二 副台——荣成台最远；磁天线接收信号时，宣城台和 荣成台信号位于全向磁天线的第一象限，饶平台信号 位于第二象限。 双通道采集的数据 dataA和dataB的原始数据及 其相位情况如图 11 所示，采样率为 1 M，数据长度为 Copyright © 2012 Hanspub 47  基于幅度叠加的罗兰 C全向磁天线信号合成方法研究 00.5 11.5 22.5 33. 5 x 10 5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 时间 (× 0.1μs) 幅度 (m v) |dataA|+|dataB| Figure 9. Amplitude superposition synthesis signal 图9. 幅度叠加合成信号 Figure 10. Stations, receive locations, and H-field antenna location map 图10. 台站、接收地点及磁天线位置分布图 0123456 x 10 4 -1000 -500 0 500 1000 时间（us ） 幅度 dataA 0123456 x 10 4 -1000 -500 0 500 1000 时间（us ） 幅度 dataB 主台 副台1 副台2 主台 副台1 副台2 (μs) (μs) Figure 11. dataA and dataB original signal 图11. dataA和dataB 原始信号 10 M，图中显示信号只为一个GRI 的信号。由于各台 链之间信号的分布关系，在该段 GRI信号中，会有其 他台链导航台发射的信号，如宣城台是一个双工台， 既发射东海台链的主台信号，又发射北海台链的副 1 台信号。图中对东海台链的信号进行了标注，信号合 成过程中，只是针对东海台链的信号进行处理，其他 台链的信号可以不予考虑。 信号合成的第一步：对信号取绝对值。 完成|dataA|和|dataB| 运算，此举可将信号的相位 特性消除，所得的结果如图12 中所示。 信号合成的第二步：幅度叠加。 完成|dataA| + |dataB|运算，所得的结果如图 13 中 所示。 01 2 3 4 56 x 10 4 0 500 1000 时间（ us ） 幅度 |dataA| 01 2 3 4 56 x 10 4 0 200 400 600 800 时间（ us ） 幅度 |dataB| 主台 副台1 副台2 副台1 副台2 主台 (μs) (μs) Figure 12. |dataA| + |dataB| signal waveform 图12. |dataA| + |dataB|信号波形 0123456 x 104 0 500 1000 1500 时间（ us ） 幅度 |dataA|+|dataB| 主台 副台1 副台2 (μs) Figure 13. Overlay synthesis signal waveform 图13. 幅度叠加合成信号波形 Copyright © 2012 Hanspub 48  基于幅度叠加的罗兰 C全向磁天线信号合成方法研究 Copyright © 2012 Hanspub 49 为了衡量合成信号定位结果的精确性，实现对幅 度叠加合成信号的时差解算，本文在现有接收机时差 测量程序的基础上进行修改，以满足幅度叠加合成信 号的时差测量要求，采用该程序算得幅度叠加合成信 号的定位时差分别为 TD1 = 14988.559097 μs、TD2 = 33426.903251 μs。多种罗兰 C接收机的多次试验结果 表明，本地 8390 台链的实际测量时差为TD1 = 14988.5 μs，TD2 = 33427 μs，二者分别相差 0.059097 μs与–0.096749 μs，充分证明基于幅度叠加的信号合 成方法的正确性与有效性。 6. 结论 单棒磁天线由于其接收信号的方向性，导致其无 法完成全方位接收某一台链三个导航台的信号，要实 现全方位接收罗兰C信号，必须采用多根不同方向放 置的磁棒接收信号，然后进行信号合成。由于单棒磁 天线的相位特性，多根不同方向放置的磁棒在接收某 一台站的信号时，相位会不同，如果采用模拟合成信 号的方法，难以解决同一台站信号相位相反的问题， 这就必须采用数字信号合成方法。本章提出了幅度叠 加信号合成算法，在信号合成过程中消除了相位变化 的影响，只需简单改变接收机内部处理程序，就能实 现合成信号的搜索、跟踪、识别和定位解算。通过仿 真数据和实测数据的验证，本章提出的信号合成算法 都能获得较好的效果。该算法在FPGA 中实现简单， 处理过程快速，具有较强的使用价值，已经在所研制 的全向磁天线中得到了使用。 参考文献 (References) [1] 王孝通. 航海基础[M]. 北京: 海潮出版社, 2006: 372. [2] 姜弢, 郭黎利, 张朝柱等. 无线电导航系统现状与发展趋势 [J]. 舰船电子工程, 2001, 126(6): 2-6. [3] 汪捷, 李川章, 梁尔冰等. 增强罗兰技术分析及评估[J]. 舰 船电子工程, 2009, 29(8): 37-41. [4] W. J. Pelgrum. 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