中远程反舰导弹基于OFDM的导航电文研究*

谢春思,隋先辉,李军玲

(1 海军大连舰艇学院,辽宁大连 116018;2 大连大学信息工程学院,辽宁大连 116100)

中远程反舰导弹基于OFDM的导航电文研究*

谢春思1,隋先辉1,李军玲2

(1 海军大连舰艇学院,辽宁大连 116018;2 大连大学信息工程学院,辽宁大连 116100)

文中从导航电文设计的角度改进了现有的导航系统。通过分析北斗卫星系统导航电文设计方法,提出基于正交频分复用调制(OFDM)技术的导航电文设计。新的电文设计可以实现所有卫星并行传输每颗卫星的星历,可以极大提高中远程反舰导弹载体的定位速度与精度,更有效的利用了有限的导航电文资源,增强了系统抗干扰能力,具有超越现有方法的优势与发展潜力,对提高舰载中远程反舰导弹的飞行精度具有很好的现实意义。

反舰导弹;全球卫星导航系统;正交频分复用调制;导航电文;北斗

0 引言

目前,在中远程反舰导弹的飞行控制中普遍采用全球卫星导航系统(GNSS)来提高弹道飞行精度[1]。导航的精度对导弹飞行控制具有重要的影响。然而在极端情况下,现有GNSS系统并不能提供定位服务足够的鲁棒性,因此系统需要从多角度提高系统的协同作用,保证系统在受影响情况下的定位精度。

目前GNSS导航系统中,使用测距码(伪码)对卫星进行捕获跟踪以及时延测量,在卫星锁定后通过解除伪码的效果后获得导航电文信息。由于卫星导航信号极弱,导航电文可采用的调制方式基本是基于BPSK调制的各种演化,如BOC调制等,信息速率有限。因此导航精度与电文资源分配形成了相互制约的因素。以北斗为例,导航电文中则包含该颗卫星的详细位置时间信息(星历),其他卫星的粗略信息(历书)以及与其他系统同步(D2导航电文)等内容。在这个过程中,可以看到,历书信息被不同的卫星大量发送。其中,D1导航电文的一个30 s主帧的子帧4、5和D2电文中的子帧5均发送的是历书信息[2-3]。目前,对于提高卫星定位精度的主要研究都集中于发射接收信号处理算法的研究,而对导航电文本身的优化侧重极少。因此文中想提供一个新的思路,在导航电文的设计上进行改变,从而对系统效率进行提升。

如果在不占用其他资源的情况下,每一颗卫星都可以获得其他卫星的星历(详细参数),那么每一颗卫星都可以精确推导出其他卫星的精确位置,系统的协同定位精度将会大幅提高。注意到D1导航电文中的一个细节是,为了提高载体的快速定位,北斗系统的D1导航电文进行了二次编码,增强了各个卫星的正交性的同时将导航电文的符号速率提高到了1 ms。而二次编码在扩频的同时并没有带来编码效率上的增益。因此,以此为突破口,使用正交频分复用调制(OFDM)将电文速率提升到现有速率的同时可以获得更大的好处。如果使用OFDM对电文进行调制,就可以保证所有的卫星直接传递其他最多15颗卫星的位置信息,同时节省下来了子帧中历书部分消耗。

1 OFDM调制原理

OFDM是频分复用调制的一种特殊形式。为了保证各个子载波上的数据互相没有干扰,传统的频分复用调制(FDM)各个子频带不但不能有交叠,而且子载波之间还需要保留一定的空余间隔[4-7]。在频带资源十分紧张的当下,传统FDM无疑对频谱资源造成了浪费。而OFDM设计采用了若干相互正交的子载波,这样可以通过子载波之间的正交性保证相干解调。另一方面,子载波之间互相重叠,极大程度提高了频谱效率[8-10],图1所示为OFDM与传统FDM调制频谱占用比较。

图1 OFDM与传统FDM调制频谱占用比较

从调制过程的角度讲,OFDM调制过程如下:

设输入数据为x(t),根据离散时间傅里叶变换(DTFT),以T/N采样,x(t)可表示为离散序列:

即N个并行符号点经过逆傅里叶变换(IFT)后,得到一组OFDM符号x(n),n=0,1,…,N-1。

如果选用合适的IFT点数,则可以使用快速傅里叶变换(FFT),降低傅里叶变换的复杂度,实现快速计算。在接收端,则采用类似的方法。假设下变频后的接收信号为y(t),则:

y(t)=[x(t)·h(t)]+w(t)

式中:h(t)为信道的冲击响应;w(t)为噪声。

将y(t)进行离散采样、FFT后可以得到:

因此在忽略噪声的情况下,频域解调得到的即为发射端发送的频域符号X(k)。

整体OFDM发射接受系统流程模型如图2所示。

随着无人机飞控系统的完善，虽然可有效保证其作业效率，但是操作不当和故障失控等问题的滋生，使无人机面临毁机和摔机风险。相关数据显示，辽宁省共有4起植保无人机碰触高压线事件，3辆无人机处于报废状态。而在此过程中，摔机引起的零部件损坏问题，导致其维修成本相对较高，几千至上万不等，二者也会增加购机户的成本投入［6］。

图2 OFDM发射接收系统流程框图

2 OFDM电文导航机理

如前所述,OFDM技术可以将一串高速传输的串行码流信息映射到频域,然后通过FFT的方式变换到时域进行并行传输。结合北斗目前的卫星数量,以16颗卫星的D1电文进行16点的FFT变换是最有效的。系统模型如图3所示的OFDM导航电文编排方式。首先,每颗卫星都通过地面观测站初始化自己的导航电文。然后假设电文可以在卫星间共享,则可以将同一比特对应的电文进行FFT变换为OFDM的一个符号。最后所有卫星都将同时发射相同的OFDM符号。

图3 OFDM导航电文编排方式

在使用OFDM之后,选用16点FFT作为一个OFDM符号。即每个OFDM符号传输16 bit的信息。在一个OFDM符号中,每个比特对应一颗卫星一个比特的星历信息。然后将符号进行IFFT变换,得到时域OFDM符号。所占时长为16 ms,再添加上4 ms的循环前缀,因此一个OFDM符号时长为20 ms。因此系统的码率为800 bit/s,因此可以在30 s的主帧长度内发送16颗卫星的全部星历信息。

2.1 OFDM导航电文优势

第一,定位精度提高。由于D1电文的前3个子帧原先只包含了一颗卫星的位置信息,在使用OFDM系统之后,可以直接从中解调出来16颗卫星的详细参数,同时这些参数可以在30 s内变化一次,极大的丰富了定位系统可以掌握的位置资源,为定位精度的提高提供了潜力。

第二,导航电文资源更好利用。仅仅是删去历书部分的导航电文,就可以为导航电文帧长度获得减少近40%的好处。导航电文的节省,将会使得收到完整电文帧的时间缩小,从而减少中远程反舰导弹载体第一次定位所用时间。

第三,抗干扰能力提高。OFDM系统自身的强抗干扰性也可以使得导航系统在人为的强干扰环境下比普通调制具有更可靠的表现。同时,将信息存储在频域可以抵抗信道恶化带来的误码率提升。值得注意的是,同样的OFDM符号被多颗不同空间位置的卫星同时播发,本身将会带来空分复用的分集增益(spatial diversity),这都是传统的电文调制方式无法提供的。例如,由于每颗卫星都带有了其他卫星的精确位置,只要保证视野中有1到2颗处于良好接受环境的卫星,就可以把所有卫星的精确位置全部计算出。这样即使一些卫星收到的信息受干扰很强,也有机会使中远程反舰导弹载体获得同样精确的定位。这将极大保证中远程反舰导弹载体在制导时能够更好的对抗敌方的电子干扰。

第四,未来发展潜力巨大。节省下来的电文资源使得添加一些额外信息来提升中远程反舰导弹载体的其他性能,比如快速定位、编码的方式降低误码率、抗干扰等等变为了可能。2.2 OFDM导航的局限

首先最大的问题是在采用了OFDM调制之后,导航电文将会继承峰均比变化的问题。原先的编码方式,仍然可以保证导航电文仅仅是01序列。然而如果使用OFDM调制,导航电文的时域波形将会发生很大的变化。将会对导航接收机的设计及解调算法带来新的挑战。

其次,中远程反舰导弹载体如果采用了OFDM调制,将会使得系统对频偏更为敏感,与原先直接使用码相关进行帧同步相比会复杂很多。但鉴于OFDM调制已经有了相对完整而成熟的系统设计,同时仅仅对导航电文这样低码速率、低FFT数量的信息进行同步解调,难度还是可以接受的。而且利用OFDM进行的载波同步,可以进一步为伪码的跟踪服务,提高中远程反舰导弹载体运动的准确度。

另外,此种设计方法可能会带来与之前系统不兼容的问题。但由于其潜在的高速和高精度的特点,可以在中远程反舰导弹飞行精度要求很高的载体上进行应用,提高导弹飞行弹道的精度,同时使用该技术发射的卫星可以承载其他卫星的位置信息,按先增强再替换的思路进行更新。

3 OFDM系统仿真

通过仿真从而说明中远程反舰导弹载体基于OFDM的新一代GNSS系统导航电文的性能。仿真选用具有代表性的QPSK映射方式[11],分别模拟了单径和多径条件下采用OFDM和普通调制的误码率性能。从而对比阐述采用OFDM的导航系统在对抗由环境或者其他人为因素带来的多径干扰比普通调制具有的更好效果。

由于采用白噪声仿真,OFDM长度变化并不会影响系统性能。因此为了更好的仿真多径带来的干扰,仿真参数设定为:2 048点FFT,多径干扰为:超前17 bit、20 dB、延时17 bit、10 dB、延时53 bit、14 dB,延时165 bit、18 dB。采用的均衡方式均为理想的频域均衡。

通过如图4所示的不同条件下调制比较可以看出,OFDM系统对抗多径干扰具有很好的效果。在单径环境下,OFDM并没有比普通调制有任何劣势。在多径干扰的情况下,OFDM性能比传统方式有了很大优势。OFDM性能与单径环境下只有了5 dB的衰减,而传统调制解调在处理多径干扰的时候,则不可避免地出现“平台现象”,使其解码误码率无法通过提高信噪比来解决,达到解码瓶颈。因此可以看出采用这种方法进行导航电文调制对提高中远程反舰导弹的飞行弹道精度具有极其现实的意义。

图4 不同条件下调制时对抗多径干扰效果比较

4 结论

借助OFDM调制进行的导航电文进行二次调制,替代原有的NH二次编码,可以有效利用串并转化带来的数据码率增益,在同一个子帧时间内实现所有卫星精确位置的接收,能够大幅度减少导航电文的帧长度,从而提高中远程反舰导弹载体定位精度与速度的潜在优势。该调制方式带来的导航电文的富余也为下一步导航系统功能与性能的提升提供了更大的发挥空间,可以作为中远程反舰导弹载体新一代导航系统的一个参考。

新的导航电文设计方法在定位精度、资源节省和抗干扰性拥有巨大的潜在优势的同时,也可以看到系统在峰均比、系统同步以及硬件兼容等问题有待进一步的研究讨论。而这些研究的根本则是OFDM电文设计引起的整个系统设计的调整,包括发射接收机的改动,地面观测系统同步与协同,编解码算法的改进等等,从而解决OFDM系统引入的复杂性。但由于OFDM系统在通信领域已经有比较成熟的应用,进行一定的借鉴可以获得很好的启发。

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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

谢春思(1966-),男,湖南涟源人,高级工程师,硕士生导师,博士,研究方向:舰载导弹武器系统。

TJ765.2

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