专利名称：无线电波脉冲串导航系统的制作方法
背景技术：
一般通过包含通信信息的适当编码的逻辑脉冲位置调制(PPM)，以及在罗兰C脉冲相位调制之前的编码信号的逻辑乘法和反转(inversion)，来发送和接收数字通信报文的罗兰C(Loran-C)和其它无线电波脉冲串导航系统已被设计出来，例如，在本申请的共同受让人Megapulse Inc.公司的美国专利No.4,800,391和No.4,821,038中所描述的。利用罗兰C100kHz载波频率系统，这样的调制可实现70bps的数字比特率。
这种PPM的现有的例子之一是Eurofix系统，其中利用一八脉冲组的最后六个脉冲生成一七比特的字。目前正被讨论的用于提高罗兰数据比特率的方案包括，诸如将脉冲数量从300pps增加到500pps(有时这被称作额外罗兰(Supernumerary Loran))以及对这样的系统脉冲使用三级内脉冲频率调制。
但是，如果利用现有的站内设备确实能够以某种方式将比特率增加至250bps以及更高，且仍不会影响罗兰C系统的导航能力的完整性，则是非常理想的，特别是在使用现有的罗兰C全球发射机站的情况下。
本发明提供这样一种突破性的发现，一种在当前的(以及未来的)罗兰C(以及类似的)发射机中可容易实现的新的调制方案，其中对罗兰C发送脉冲增加了一种新型的频率调制。
发明内容
相应地，本发明的主要目的是提供一种新的、改进的扩展报文通信数字比特率的方法和设备，可辅助实施于罗兰C无线电导航传递等，而不会影响其主要的无线电导航能力。
本发明的进一步目的是利用电子电路实现这样一种终端，可有助于简便地改进当前的全球罗兰C(以及类似的)发射机设备。
在以下的说明和图示以及随附的权利要求中，将解释本发明的其它目的。
根据本发明的重要观点之一，总体上说，本发明包含一种用于扩展将被增加至罗兰C和类似的射频导航系统发射机脉冲串的通信的数字比特率，而不会影响系统的导航能力和完整性的方法，该方法包括产生中心位于预定的载波频率上的射频脉冲并将其从天线发送出去，以允许用户接收并使用用于导航时序和定位的每一发送的脉冲的初始部分；在每一发送的脉冲的其余部分期间，在每一脉冲的连续的另外部分期间先在该载波频率以下或以上，然后在该载波频率以上或以下，并在所述载波频率相反方的预定低频界限和高频界限之间的预定频带内，以相反方向扫描其生成的载波频率；进一步，在所述扫描期间，保持该低频界限以下以及该高频界限以上的脉冲能量对于每一脉冲实质上彼此相等，并使用由所述扫描实现的频率调制以提供通信比特。
下面详细说明实践本发明的优选和最佳实施及设计方式。
下面将结合
本发明。其中，图1是前文所述Megapluse Inc.公司销售的被命名为AN/FPN/64的，现有固态罗兰C发射机(SSX)的简化电路图；图2是显示使用和不使用“tailbiter”电路时，图1的发射机中天线电流包络(envelope)的波形图；图3是具有“tailbiter”的图1的电路所产生的实际天线电流的波形图；图4A显示了在本发明的新型方案的基础上，与新型频率调制(图4B)及同时发生的相位调制(图4C)的成时序关系的图3的无线电流罗兰C脉冲波形；图5是用于获得图4B和图4C中所代表的操作的本发明优选实施例的发射机电路的电路示意图；以及图6是未调制的罗兰C脉冲和产生-90℃相位调制的频率调制罗兰C脉冲的合成波形图；图7是图6所示波形图的合成频谱图，其中实线为调制频谱，虚线为未调制频谱；图8是未调制的罗兰C脉冲和产生+90°相位调制的频率调制罗兰C脉冲的合成波形图；图9是图8的波形图的合成频谱图。
具体实施例方式
为与本发明对比，以及说明本发明优选应用于罗兰C的应用，首先参照现有的无线电脉冲串固态发射机，图1是典型的固态罗兰C发射机(SSX)的简化的电路示意图，该发射机通过对被标为耦合网络中的一并行调谐电路CC-LC的脉冲充电产生图3的罗兰C脉冲，其中耦合网络和由串联电感LA和电容CA，以及并行的负载电阻RA所代表的发射天线相连。该耦合网络及天线均被正常地调整至前述基于100kHz的罗兰C载波频率。脉冲发射机对耦合网络充电，后者随之向天线传递能量，并产生如图2所示的天线电流波形包络。为了避免所产生的脉冲具有如图中标有“不使用tailbiter”的实线波形曲线右侧所示的尾部振荡，图1中示出了与耦合网络并行连接的，由固态开关ST串联电阻RT组成的“tailbiter”电路。当耦合网络电压为零时闭合开关ST，可产生所需的呈指数衰减的天线电流脉冲，如图2中“使用tailbiter电路”的虚线波形所示，这可以产生图3和图4A的罗兰C射频(rf)电流脉冲，所有这些内容请参见前文所述的专利及其中引用的参考文件的描述。
进一步，如公知的，罗兰C导航系统使用射频脉冲的前三个周期来确定位置测定的到达时间(time-of-arrival)。相应地，如前文所述的专利中所解释的，增加通信调制，不一定会干扰这些周期的相位或频率。但是，频率调制的阶段可以在30微秒处或在更迟处开始进入脉冲。通过改变天线的正常调谐100kHz的谐振频率，天线电流的无线电频率将相应地改变。然而，在罗兰C导航系统中，规定要求罗兰C射频脉冲的频谱停留在约90至110kHz的预定频带内，且90kHz以下及110kHz以上的能量均被限制在小于总脉冲能量的0.5％。
如图4B所示，±2.5kHz的频率调制可产生160微秒处的相移成为+90°或-90°的脉冲，如图4C所示。
为了实现这样的调制，本发明使用了如图5所示的快速、高效的固态开关S1-S4。这些开关跨越电容CS1、CS2以及电感LS3和LS4，全部与天线串联。如前文结合图4说明的，脉冲被分为三个区间间隔。在间隔1中，脉冲频率为100kHz。在间隔2中，脉冲频率或者为97.5kHz或者为102.5kHz。在间隔3中脉冲频率或者为102.5kHz或者为97.5kHz。只是在间隔3的末端之前，脉冲再次为100kHz。脉冲具有三种状态，这三种状态被指定为“零状态”、“正状态”，和“负状态”。在零状态中，打开除Tailbiter开关ST之外的所有开关，开关ST在时间70微秒处被闭合并进入脉冲，且在随后的脉冲开始之前打开。在正状态下，开关位置如下
间隔1 所有开关打开间隔2 ST和S3闭合。S3闭合降低了串联电感，进而提高了脉冲频率。Tailbiter开关ST闭合将信号末端整形为如图2所示。
+2.5kHz间隔3 ST、S1、S2和S3闭合。S1和S2闭合增加了天线电容，因此降低了天线频率 -2.5kHz在负状态下，开关位置如下 间隔1 所有开关打开间隔2 ST和S2闭合 -2.5kHz间隔3 ST、S2、S3和S4闭合 +2.5kHz在高功率电平下，固态开关很容易闭合但难以打开。这里描述的开关方案中，所以的开关闭合都是在高功率电平下发生，而所有的开关打开都在低功率电平，即，脉冲尾部的末端发生。
图6-图9显示了图4的频率调制在脉冲波形和频谱方面的效果。图6和图7显示了90°正相移的效果。图7中的实线为调制脉冲的频谱而虚线为未调制脉冲的频谱。从图7中可看到对于这样符合1％带外(out-of-band)完整的频谱要求的调制脉冲而言，其被略微放大。图8和9中示出90°负相移的效果。同样，该频谱符合频带外的要求。
这样，本发明在例如引入并除去发射机输出端和天线之间的电感，以将频率从100kHz移向97.5kHz，以及随后的向102.5kHz和之后回到100kHz的扫描过程中，在前面所讨论的关键的限制之内，保持每一脉冲的频谱中心接近100kHz，并使100kHz以下及以上的能量均等。这种频率调制可以被用作为如前文所述专利中解释的通信比特。
因此，通过本发明的这一技术，实质上提高目前及未来形式的罗兰C脉冲导航发射机(以及其它脉冲串通信系统等的)数字数据比特率通信调制潜能(potential)，而并不以任何方式影响系统的导航能力及其完整性，如今成为可能。如前文提及的这种调制方案，能够在罗兰C信号上实现超过250bps的比特率，而不会影响罗兰C导航操作的导航能力。
本领域的技术人员可做出进一步的变型，包括，在上述规定要求及规范的范围之内(具体到罗兰C操作来说，在所表现的说明性的频率值数量级范围内)，频率移动的不同值；以及，如前文中所指出的，本发明的方法也可用于其它类型的导航及脉冲串通信系统，这也被认为在随附的权利要求书中所界定的本发明的精神和范围之内。
权利要求
1.一种用于扩展将被增加至罗兰C和类似的射频导航系统发射机脉冲串的用于通信的数字比特率，而不会影响系统的导航能力和完整性的方法，该方法包括，产生中心位于预定的载波频率上的射频脉冲并将其从天线发送出去，以允许用户接收并使用用于导航时序和定位的每一发送的脉冲的初始部分；在每一发送的脉冲的其余部分期间，在每一脉冲的连续的另外部分期间先在该载波频率以下或以上，然后在该载波频率以上或以下，以相反的方向同时在所述载波频率相反侧的预定低频界限和高频界限之间的预定频带内，扫描其生成的载波频率；进一步，在所述扫描期间，保持所述低频界限以下以及所述高频界限以上的脉冲能量对于每一脉冲实质上彼此相等，同时保持每一脉冲的频谱的中心在所述载波频率处，并使用由所述扫描实现的频率调制以提供通信比特。
2.根据权利要求1的方法，其中在每一脉冲期间的频率扫描通过改变发射机脉冲产生装置和天线之间一位置的电感和电容中的两个或一个，相应提高或降低频率来实现。
3.根据权利要求1的方法，其中所述低频在100kHz处生成，所述预定频带在97.5至102.5kHz处建立，且90kHz以下及110kHz以上的能量均被控制在小于总脉冲能量的0.5％。
4.根据权利要求1的方法，其中每一脉冲的频率在每一脉冲的尾部回到所述载波频率。
5.根据权利要求1的方法，其中所述每一脉冲的另外部分由不同的持续时间构成，以实现平衡的频谱。
6.根据权利要求5的方法，其中使所述另外部分的第一个的持续时间比所述另外部分的第二个的持续时间短，以便补偿它们的脉冲幅值差别。
7.根据权利要求6的方法，其中用于脉冲的所述初始部分的脉冲时间间隔为60微秒，用于所述另外部分的第一个的时间间隔约为60至160微秒，以及用于所述另外部分的第二个的时间间隔约为160至500微秒。
8.根据权利要求7的方法，其中所述另外部分的第一个中的脉冲频率为约97.5kHz或者102.5kHz，以及所述另外部分的第二个中的频率为约97.5kHz或者102.5kHz。
9.一种用于扩展将被增加至罗兰C和类似的射频导航系统发射机脉冲串的用于通信的数字比特率，而不会影响系统的导航能力和完整性的设备，该设备包括，射频脉冲产生发射机装置，用于产生中心位于预定的载波频率上的射频脉冲；耦合至所述发射机装置的天线装置，用于发送所述射频脉冲以使用户可接收并利用用于导航时序和定位的每一发送脉冲的初始部分；频率调制装置，用于在每一发送的脉冲的其余部分期间，在每一脉冲的连续的另外部分期间先在该载波频率以下或以上，然后在该载波频率以上或以下，以相反的方向但在所述载波频率相反侧上的预定低频界限和高频界限之间的预定频带内，扫描其生成的载波频率；用于在所述扫描期间，保持所述低频界限以下以及所述高频界限以上的脉冲能量对于每一脉冲实质上彼此相等，同时保持每一脉冲的频谱的中心在所述载波频率处的装置；以及用于利用由所述扫描实现的频率调制以提供通信比特的装置。
10.根据权利要求9的设备，其中在每一脉冲期间扫描频率的所述频率调制装置具有改变发射机脉冲产生装置和天线之间一位置的电感的装置和改变该位置的电容，以相应提高或降低频率的装置中的两个或一个。
11.根据权利要求9的设备，其中所述载波频率在100kHz处生成，所述预定频带在97.5至100kHz处建立，且90kHz以下及110kHz以上的能量均被控制在小于总脉冲能量的0.5％。
12.根据权利要求9的设备，其中所述频率调制装置使每一脉冲的频率在每一脉冲的尾部回到所述载波频率。
13.根据权利要求9的设备，其中提供有时序装置，用于使所述每一脉冲的另外部分由不同的持续时间构成，以实现平衡的频谱。
14.根据权利要求13的设备，其中所述时序装置使所述另外部分的第一个的持续时间比所述另外部分的第二个的持续时间短，以便补偿它们的脉冲幅值差别。
15.根据权利要求14的设备，其中脉冲的所述初始部分的脉冲时间间隔被调整至60微秒，所述另外部分的第一个的时间间隔被调整至约60至160微秒，以及所述另外部分的第二个的时间间隔被调整至约160至500微秒。
16.根据权利要求15的设备，其中所述另外部分的第一个中的脉冲频率为约97.5kHz或者102.5kHz，以及所述另外部分的第二个中的频率为约97.5kHz或者102.5kHz。
17.根据权利要求9的设备，其中所述频率调制装置包括辅助的电容和电感的组合，其可根据所需的通信比特数据被切换进出所述发射机脉冲产生装置和所述天线之间的电路。
18.根据权利要求17的设备，其中分别并联有一高速固态开关的多个电容和电感在所述发射机产生装置和所述天线之间串联连接。
19.根据权利要求18的设备，其中所述发射机装置通过耦合网络连接至所述天线装置，并且由各并联有一高速固态开关的电容和电感串联连接组成的串联开关网络，和由各并联有一高速固态开关的电容和电感并联连接组成的并联开关网络均连接在所述耦合网络和所述天线装置之间。
20.根据权利要求19的设备，其中所述高速开关的开关操作产生每一脉冲期间的扫描频率调制。
全文摘要
一种用于提高将被增加至罗兰C射频脉冲导航发射机等的用于通信的数字比特率，而不会影响系统的导航能力和其完整性的方法及设备，包含在每一脉冲用于导航时序的初始部分之后的多个部分期间，对相对于脉冲载波频率的低临界界限和高临界界限之间的脉冲载波频率进行扫描。
文档编号H04B14/02GK1502046SQ02808105
公开日2004年6月2日 申请日期2002年4月9日 优先权日2001年4月11日
发明者约翰内森·保罗, 约翰内森 保罗 申请人:迈格帕斯公司