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?－

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，在我國將長時間得到應(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，羅蘭－C導(dǎo)航儀的操作和使用一般在室內(nèi)，并且只能在定點接收信號，信號傳播的時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是時間，單位μs，τ為包絡(luò)的時間起點，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?個主臺和2～4個副臺組成，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

每個脈沖組中的脈沖載波的起始相位是不同的，同時也具備一定的規(guī)律，稱為脈沖組的相位編碼。一個編碼周期內(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

3.1 設(shè)計要求及參數(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)計要求大致分為以下幾點：

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，輸出時可以是其中任意幾種的混合。

3）臺鏈可供選擇，主副臺時差可調(diào)，天波延時可變化，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：

1）輸出羅蘭－C信號中心頻率為100kHz。

2）天波干擾信號延時分為四檔以適應(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、南海三個臺鏈，且相互獨(dú)立，每個臺鏈設(shè)定為一個主臺兩個副臺。

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

3.2 設(shè)計原理及框圖

本設(shè)計以單片機(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)提供一個羅蘭－C信號環(huán)境進(jìn)而實現(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)字量后存儲到單片機(jī)存儲模塊中［8～10］，需要說明的是采樣時間間隔越短，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)計方案采用0.1μs作為采樣時間間隔。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)編碼周期九個脈沖波形參數(shù)。

2）主臺偶數(shù)編碼周期九個脈沖波形參數(shù)。

3）副臺奇數(shù)編碼周期八個脈沖波形參數(shù)。

4）副臺偶數(shù)編碼周期八個脈沖波形參數(shù)。

當(dāng)信號產(chǎn)生模塊工作時，可按照需求將存儲在存儲模塊中的數(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的羅蘭－C信號環(huán)境。

信號的參數(shù)主要是由程序的定時及中斷控制的，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)總線將各個階段不同的定時值傳送給定時器，進(jìn)而控制定時器的工作狀態(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

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示，信號的輸出由定時器控制，主要是通過控制延時和采樣數(shù)據(jù)兩方面，延時時間為800μs、1800μs等不同的延時值；單個羅蘭－C脈沖波形周期設(shè)定200μs，分為20個周期10μs的正弦波形，每隔0.1μs采一個數(shù)據(jù)，則單個羅蘭－C脈沖總共有2000個數(shù)據(jù)，故當(dāng)輸出信號時，需要對定時器定時次數(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脈沖以及根據(jù)設(shè)定的時間差值和GRI值進(jìn)行延時來控制的。

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)行時間上和相位上的控制。實驗表明本設(shè)計所產(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)計的基本要求。

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