中遠程反艦導彈基于OFDM的導航電文研究*

謝春思,隋先輝,李軍玲

(1 海軍大連艦艇學院,遼寧大連 116018;2 大連大學信息工程學院,遼寧大連 116100)

中遠程反艦導彈基于OFDM的導航電文研究*

謝春思1,隋先輝1,李軍玲2

(1 海軍大連艦艇學院,遼寧大連 116018;2 大連大學信息工程學院,遼寧大連 116100)

文中從導航電文設計的角度改進了現有的導航系統。通過分析北斗衛星系統導航電文設計方法,提出基于正交頻分復用調制(OFDM)技術的導航電文設計。新的電文設計可以實現所有衛星并行傳輸每顆衛星的星歷,可以極大提高中遠程反艦導彈載體的定位速度與精度,更有效的利用了有限的導航電文資源,增強了系統抗干擾能力,具有超越現有方法的優勢與發展潛力,對提高艦載中遠程反艦導彈的飛行精度具有很好的現實意義。

反艦導彈;全球衛星導航系統;正交頻分復用調制;導航電文;北斗

0 引言

目前,在中遠程反艦導彈的飛行控制中普遍采用全球衛星導航系統(GNSS)來提高彈道飛行精度[1]。導航的精度對導彈飛行控制具有重要的影響。然而在極端情況下,現有GNSS系統并不能提供定位服務足夠的魯棒性,因此系統需要從多角度提高系統的協同作用,保證系統在受影響情況下的定位精度。

目前GNSS導航系統中,使用測距碼(偽碼)對衛星進行捕獲跟蹤以及時延測量,在衛星鎖定后通過解除偽碼的效果后獲得導航電文信息。由于衛星導航信號極弱,導航電文可采用的調制方式基本是基于BPSK調制的各種演化,如BOC調制等,信息速率有限。因此導航精度與電文資源分配形成了相互制約的因素。以北斗為例,導航電文中則包含該顆衛星的詳細位置時間信息(星歷),其他衛星的粗略信息(歷書)以及與其他系統同步(D2導航電文)等內容。在這個過程中,可以看到,歷書信息被不同的衛星大量發送。其中,D1導航電文的一個30 s主幀的子幀4、5和D2電文中的子幀5均發送的是歷書信息[2-3]。目前,對于提高衛星定位精度的主要研究都集中于發射接收信號處理算法的研究,而對導航電文本身的優化側重極少。因此文中想提供一個新的思路,在導航電文的設計上進行改變,從而對系統效率進行提升。

如果在不占用其他資源的情況下,每一顆衛星都可以獲得其他衛星的星歷(詳細參數),那么每一顆衛星都可以精確推導出其他衛星的精確位置,系統的協同定位精度將會大幅提高。注意到D1導航電文中的一個細節是,為了提高載體的快速定位,北斗系統的D1導航電文進行了二次編碼,增強了各個衛星的正交性的同時將導航電文的符號速率提高到了1 ms。而二次編碼在擴頻的同時并沒有帶來編碼效率上的增益。因此,以此為突破口,使用正交頻分復用調制(OFDM)將電文速率提升到現有速率的同時可以獲得更大的好處。如果使用OFDM對電文進行調制,就可以保證所有的衛星直接傳遞其他最多15顆衛星的位置信息,同時節省下來了子幀中歷書部分消耗。

1 OFDM調制原理

OFDM是頻分復用調制的一種特殊形式。為了保證各個子載波上的數據互相沒有干擾,傳統的頻分復用調制(FDM)各個子頻帶不但不能有交疊,而且子載波之間還需要保留一定的空余間隔[4-7]。在頻帶資源十分緊張的當下,傳統FDM無疑對頻譜資源造成了浪費。而OFDM設計采用了若干相互正交的子載波,這樣可以通過子載波之間的正交性保證相干解調。另一方面,子載波之間互相重疊,極大程度提高了頻譜效率[8-10],圖1所示為OFDM與傳統FDM調制頻譜占用比較。

圖1 OFDM與傳統FDM調制頻譜占用比較

從調制過程的角度講,OFDM調制過程如下:

設輸入數據為x(t),根據離散時間傅里葉變換(DTFT),以T/N采樣,x(t)可表示為離散序列:

即N個并行符號點經過逆傅里葉變換(IFT)后,得到一組OFDM符號x(n),n=0,1,…,N-1。

如果選用合適的IFT點數,則可以使用快速傅里葉變換(FFT),降低傅里葉變換的復雜度,實現快速計算。在接收端,則采用類似的方法。假設下變頻后的接收信號為y(t),則:

y(t)=[x(t)·h(t)]+w(t)

式中:h(t)為信道的沖擊響應;w(t)為噪聲。

將y(t)進行離散采樣、FFT后可以得到:

因此在忽略噪聲的情況下,頻域解調得到的即為發射端發送的頻域符號X(k)。

整體OFDM發射接受系統流程模型如圖2所示。

隨著無人機飛控系統的完善，雖然可有效保證其作業效率，但是操作不當和故障失控等問題的滋生，使無人機面臨毀機和摔機風險。相關數據顯示，遼寧省共有4起植保無人機碰觸高壓線事件，3輛無人機處于報廢狀態。而在此過程中，摔機引起的零部件損壞問題，導致其維修成本相對較高，幾千至上萬不等，二者也會增加購機戶的成本投入［6］。

圖2 OFDM發射接收系統流程框圖

2 OFDM電文導航機理

如前所述,OFDM技術可以將一串高速傳輸的串行碼流信息映射到頻域,然后通過FFT的方式變換到時域進行并行傳輸。結合北斗目前的衛星數量,以16顆衛星的D1電文進行16點的FFT變換是最有效的。系統模型如圖3所示的OFDM導航電文編排方式。首先,每顆衛星都通過地面觀測站初始化自己的導航電文。然后假設電文可以在衛星間共享,則可以將同一比特對應的電文進行FFT變換為OFDM的一個符號。最后所有衛星都將同時發射相同的OFDM符號。

圖3 OFDM導航電文編排方式

在使用OFDM之后,選用16點FFT作為一個OFDM符號。即每個OFDM符號傳輸16 bit的信息。在一個OFDM符號中,每個比特對應一顆衛星一個比特的星歷信息。然后將符號進行IFFT變換,得到時域OFDM符號。所占時長為16 ms,再添加上4 ms的循環前綴,因此一個OFDM符號時長為20 ms。因此系統的碼率為800 bit/s,因此可以在30 s的主幀長度內發送16顆衛星的全部星歷信息。

2.1 OFDM導航電文優勢

第一,定位精度提高。由于D1電文的前3個子幀原先只包含了一顆衛星的位置信息,在使用OFDM系統之后,可以直接從中解調出來16顆衛星的詳細參數,同時這些參數可以在30 s內變化一次,極大的豐富了定位系統可以掌握的位置資源,為定位精度的提高提供了潛力。

第二,導航電文資源更好利用。僅僅是刪去歷書部分的導航電文,就可以為導航電文幀長度獲得減少近40%的好處。導航電文的節省,將會使得收到完整電文幀的時間縮小,從而減少中遠程反艦導彈載體第一次定位所用時間。

第三,抗干擾能力提高。OFDM系統自身的強抗干擾性也可以使得導航系統在人為的強干擾環境下比普通調制具有更可靠的表現。同時,將信息存儲在頻域可以抵抗信道惡化帶來的誤碼率提升。值得注意的是,同樣的OFDM符號被多顆不同空間位置的衛星同時播發,本身將會帶來空分復用的分集增益(spatial diversity),這都是傳統的電文調制方式無法提供的。例如,由于每顆衛星都帶有了其他衛星的精確位置,只要保證視野中有1到2顆處于良好接受環境的衛星,就可以把所有衛星的精確位置全部計算出。這樣即使一些衛星收到的信息受干擾很強,也有機會使中遠程反艦導彈載體獲得同樣精確的定位。這將極大保證中遠程反艦導彈載體在制導時能夠更好的對抗敵方的電子干擾。

第四,未來發展潛力巨大。節省下來的電文資源使得添加一些額外信息來提升中遠程反艦導彈載體的其他性能,比如快速定位、編碼的方式降低誤碼率、抗干擾等等變為了可能。2.2 OFDM導航的局限

首先最大的問題是在采用了OFDM調制之后,導航電文將會繼承峰均比變化的問題。原先的編碼方式,仍然可以保證導航電文僅僅是01序列。然而如果使用OFDM調制,導航電文的時域波形將會發生很大的變化。將會對導航接收機的設計及解調算法帶來新的挑戰。

其次,中遠程反艦導彈載體如果采用了OFDM調制,將會使得系統對頻偏更為敏感,與原先直接使用碼相關進行幀同步相比會復雜很多。但鑒于OFDM調制已經有了相對完整而成熟的系統設計,同時僅僅對導航電文這樣低碼速率、低FFT數量的信息進行同步解調,難度還是可以接受的。而且利用OFDM進行的載波同步,可以進一步為偽碼的跟蹤服務,提高中遠程反艦導彈載體運動的準確度。

另外,此種設計方法可能會帶來與之前系統不兼容的問題。但由于其潛在的高速和高精度的特點,可以在中遠程反艦導彈飛行精度要求很高的載體上進行應用,提高導彈飛行彈道的精度,同時使用該技術發射的衛星可以承載其他衛星的位置信息,按先增強再替換的思路進行更新。

3 OFDM系統仿真

通過仿真從而說明中遠程反艦導彈載體基于OFDM的新一代GNSS系統導航電文的性能。仿真選用具有代表性的QPSK映射方式[11],分別模擬了單徑和多徑條件下采用OFDM和普通調制的誤碼率性能。從而對比闡述采用OFDM的導航系統在對抗由環境或者其他人為因素帶來的多徑干擾比普通調制具有的更好效果。

由于采用白噪聲仿真,OFDM長度變化并不會影響系統性能。因此為了更好的仿真多徑帶來的干擾,仿真參數設定為:2 048點FFT,多徑干擾為:超前17 bit、20 dB、延時17 bit、10 dB、延時53 bit、14 dB,延時165 bit、18 dB。采用的均衡方式均為理想的頻域均衡。

通過如圖4所示的不同條件下調制比較可以看出,OFDM系統對抗多徑干擾具有很好的效果。在單徑環境下,OFDM并沒有比普通調制有任何劣勢。在多徑干擾的情況下,OFDM性能比傳統方式有了很大優勢。OFDM性能與單徑環境下只有了5 dB的衰減,而傳統調制解調在處理多徑干擾的時候,則不可避免地出現“平臺現象”,使其解碼誤碼率無法通過提高信噪比來解決,達到解碼瓶頸。因此可以看出采用這種方法進行導航電文調制對提高中遠程反艦導彈的飛行彈道精度具有極其現實的意義。

圖4 不同條件下調制時對抗多徑干擾效果比較

4 結論

借助OFDM調制進行的導航電文進行二次調制,替代原有的NH二次編碼,可以有效利用串并轉化帶來的數據碼率增益,在同一個子幀時間內實現所有衛星精確位置的接收,能夠大幅度減少導航電文的幀長度,從而提高中遠程反艦導彈載體定位精度與速度的潛在優勢。該調制方式帶來的導航電文的富余也為下一步導航系統功能與性能的提升提供了更大的發揮空間,可以作為中遠程反艦導彈載體新一代導航系統的一個參考。

新的導航電文設計方法在定位精度、資源節省和抗干擾性擁有巨大的潛在優勢的同時,也可以看到系統在峰均比、系統同步以及硬件兼容等問題有待進一步的研究討論。而這些研究的根本則是OFDM電文設計引起的整個系統設計的調整,包括發射接收機的改動,地面觀測系統同步與協同,編解碼算法的改進等等,從而解決OFDM系統引入的復雜性。但由于OFDM系統在通信領域已經有比較成熟的應用,進行一定的借鑒可以獲得很好的啟發。

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Research on Navigation Message of the Medium-long Range Anti-ship Missile Based on OFDM

XIE Chunsi1,SUI Xianhui1,LI Junling2

(1 Dalian Naval Academy, Liaoning Dalian 116018, China; 2 Information and Engineering College, Dalian University, Liaoning Dalian 116622, China)

This paper improved the existing navigtion system from the perspective of navigation message design. Through the anglysis of the navigation message design of Beidou Navigation system, the paper proposed a new design of navigation message based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The new design enabled a parallel transmission of the ephemeris of all satellites by every satellites, which significantly improved the positioning speed and precision of the medium-long range anti-ship missile. It also used the limited resources of the navigation message more effectively and enhanced the anti-jamming capability of the system, which possessed both advantages and potentials beyond the existing methods. And it had a good significance to improve the flying accuracy of the medium-long range anti-ship missile.

anti-ship missile; global satellite navigation system; orthogonal frequency division multiplexing modulation; navigation message; Beidou

2015-11-12

謝春思(1966-),男,湖南漣源人,高級工程師,碩士生導師,博士,研究方向:艦載導彈武器系統。

TJ765.2

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