随机变换伪码的测距设备及测距方法
【专利摘要】本发明公开了一种随机变换伪码的测距设备及测距方法，主要解决现有安装固定伪码的高度表不适应飞机编队飞行的问题，其方案是：预先设定n种码型的伪码，在高度表运行时，读取随机数得到更换码型的时间和序号，连续产生发射码和本地码并串行输出；在前一发射码序列输出结束后，根据随机产生的码型，生成新的发射码序列，随后在前一本地码序列输出结束时，再生成新的本地码序列；将本地码与接收码作相关运算，当运算结果大于系统门限值时，比较本地码与发射码的相位差，计算出高度值上送给系统；否则，使本地码滑向下一个码片，重复相关运算计算高度。本发明截获概率低，能避免飞机编队飞行时的互相跟踪，可用于航空航天飞行器中对飞行高度的测量。
【专利说明】
随机变换伪码的测距设备及测距方法
技术领域
[0001]本发明属于测距技术领域，尤其涉一种随机变换伪码测距设备，可用于航空航天飞行器中对飞行高度的测量，也可用于一般雷达测距设备。
【背景技术】
[0002]无线电高度表是各种航空航天飞行器上必不可少的电子测距设备，它能在各种气候条件下精确测量飞行器离地面或海面的实际高度，可广泛应用于航空航天等领域，如对飞机进行实时高度测量。无线电高度表有主要有三种工作体制:脉冲体制、调频连续波体制以及伪码连续波测高体制。
[0003]伪码测距技术中一般采用单一伪码进行测距，即通过测距设备产生伪随机码，再由发射单元调制到射频发射，目标反射的信号经过接收天线进入接收单元，混频后输出中频信号，该中频信号送入到信号处理单元进行运算，通过比较发射码和接收码的相位差，计算出高度或距离值。所述伪码是一组“O” “I”序列，不同的排列顺序对应不同的码型。
[0004]用上述方法进行测高，在飞机编队飞行时，会存在以下不足:
[0005]因为每架飞机装备至少有一个高度表，当采用伪码测距体制进行测高时，若每个高度表采用同一种伪码码型，则在编队飞行时，一架飞机的高度表可能会跟踪其他高度表的回波信号，这种错误的跟踪将会导致错误的测高结果，影响飞机编队飞行安全。
[0006]为解决这一问题，现有技术采用不同伪码码型，即每架飞机装备的高度表采用不同伪码码型进行测高，码型可由工厂出厂时确定，也可根据飞机编号在飞行前现场配置，但这一方法又存在两方面的缺点:一方面是伪码码型数量有限，编队飞机数量多时，不可避免会出现重复码型；另一方面，每次飞行前要对每架飞机分配不同的码型不仅增大了工作量，而且容易出错。因此如何解决多机编队飞行时高度表正常跟踪问题是伪码测距体制高度表使用中急需解决的一个重要问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种随机变换伪码的测距设备及测距方法，以解决多机编队飞行时高度表正常跟踪的问题。
[0008]本发明的技术思路是:通过预先在测距设备中设定一组η种伪码码型，使每一设备能随机采用不同码型发射，且随机变换，来实现只有本机可以捕获跟踪本机的发射码，而无法跟踪其他设备发射的伪码的效果，以解决多个设备可能因为采用同一码型而出现的误抓问题。
[0009]根据上述思路，本发明提出的随机变换伪码的测距设备，包括:接收天线、发射天线、发射单元、接收单元、电源单元、A/D单元、信号处理单元和接口单元，信号处理单元由DSP和FPGA芯片组成;信号处理单元产生的伪码由发射单元调制到射频，放大后通过发射天线发射，从目标反射的信号经过接收天线进入接收单元，混频后输出中频信号给A/D单元，A/D单元将采样信号送给信号处理单元，在信号处理单元中，对采样信号进行解调运算，结合本地伪码序列进行相关运算，得出高度值，并通过接口单元输出，其特征在于:
[0010]所述FPGA中包括:
[0011]第一发射码寄存模块，用于寄存由DSP产生的伪码码型，在第二发射码寄存模块选通时，将伪码码型送入第二发射码寄存模块；
[0012]第二发射码寄存模块，用于寄存由第一发射码寄存模块送入的伪码码型，通过数据总线送入发射伪码序列发生模块，同时等待本地码元计数模块产生的使能信号送入本地码寄存模块进行锁存；
[0013]发射码元计数模块，用于计数发送码元个数，产生第二发射码寄存模块的使能信号，使第一发射码寄存模块的伪码码型送入到第二发射码寄存模块；
[0014]发射码NCO模块，用于产生发射伪码序列所需时钟；
[0015]发射伪码序列发生模块，用于产生设备工作所需的发射伪码序列，在发射码NCO模块产生的时钟作用下，根据第二发射码寄存模块送入的码型数据产生发射伪码，通过数据线串行输出；
[0016]本地码寄存模块，用于寄存由第二发射码寄存模块送入的伪码码型，通过数据总线送入本地伪码序列发生模块；
[0017]本地码元计数模块，用于计数本地码元个数，产生本地码寄存模块的使能信号，将第二发射码寄存模块的寄存数据送入本地码寄存模块；
[0018]本地码NCO模块，用于产生本地伪码序列所需时钟；
[0019]本地伪码序列发生模块，用于产生本地伪码序列，在本地码NCO模块产生的时钟作用下，根据本地码寄存模块寄存的伪码码型产生本地伪码序列，输出给相关运算模块；
[0020]解调运算模块，用于对AD采样后的信号进行解调运算，得到接收的伪码序列，输出给相关运算模块；
[0021 ]相关运算模块，用于将本地伪码序列发生模块产生的本地伪码序列和解调运算模块得到的接收伪码序列进行串行异或运算并累加，并将累加结果和本地码相位信息送入DSP中进行处理；
[0022]所述DSP中包括:
[0023]随机码产生模块，用于产生准备更换的码型的序号和更换的时间，在下一时刻到来时将选定码型通过数据总线写入FPGA中的第一发射码寄存模块；
[0024]本地码移位控制及高度解算模块，用于根据相关运算模块送入的数据进行运算，即通过比较当前发射码和本地码的相位差，换算为距离或高度值后输出；同时控制本地码NC0、本地码元计数模块和解调运算模块，使测距设备能够持续跟踪正确的高度距离。
[0025]根据上述思路，本发明提出的随机变换伪码测距方法，包括:
[0026]I)在DSP中预先设定一组码型不同的伪码，在设备工作时，随机选择一种伪码码型，并随机选择时间将该伪码码型送入寄存器寄存；
[0027]2)每个伪码码型产生一个伪码序列，每个伪码序列包括排列顺序不同的码元，设备工作时，分别连续产生用于发射的伪码序列和本地伪码序列并串行输出，发射伪码序列对载波进行数字调制并发射该已调信号；在前一发射伪码序列输出结束后，寄存器寄存的伪码码型再生成新的发射伪码序列；
[0028]3)接收端接收已调信号的回波信号，变为中频信号；
[0029]4)对中频信号进行解调运算，得到接收的伪码信号；
[0030]5)在生成新的发射伪码序列后，且在前一本地伪码序列输出结束时，寄存器寄存的伪码码型再生成新的本地伪码序列；
[0031]6)将接收的伪码信号与当前本地伪码序列进行相关运算，即将接收的伪码信号与当前的本地伪码序列进行串行异或运算并累加；
[0032]7)根据相关运算结果控制生成新的本地伪码序列和解调运算，使当前的本地伪码序列与接收的伪码信号同步，即使累加值最大；
[0033]8)在当前本地伪码序列与当前接收伪码信号同步的状态下，由本地伪码序列与发射伪码序列之间的相位差Φ求得发射伪码序列在空间传播的时间t，进而计算出距离或高度值:R = C*t/2，其中C为光速，t = Φ *τ，τ为码元宽度。
[0034]本发明由于在在DSP中预先设定一组码型不同的伪码，在设备工作时，随机选择一种伪码码型，并随机选择时间将该伪码码型送入寄存器寄存，产生码型随机变化的伪码，完成伪码测距，因而与现在固定码型完成伪码测距相比，具有如下优点:
[0035]1.在飞机装备两部以上高度表或者飞机编队飞行时，不会出现互相跟踪的情况；
[0036]2.截获概率非常低；
[0037]3.很好的解决了伪码测距体制的无线电高度表技术中伪码数量不足的问题，不再需要对每架飞机分配不同的码型，减少了工作量且不会出错，大大降低了这种体制高度表的装机难度；
[0038]4.避免高度表伪码相关产生的副瓣相关峰，防止误抓；
[0039]5.避免片断码相关出现峰值引起的误判。
【附图说明】
[0040]图1为现有无线电尚度表的原理不意图；
[0041]图2为本发明中的信号处理单元结构图；
[0042]图3为本发明随机变换伪码测距流程图。
【具体实施方式】
[0043]参照图1，现有无线电高度表包括:接收天线、发射天线、接收高频电缆、发射高频电缆、射频收发组件、电源单元、A/D单元、信号处理单元和接口单元，其中:信号处理单元，包括DSP+FPGA信号处理模式;射频收发组件，包括发射单元和接收单元。
[0044]信号处理单元产生固定的发射伪码序列，由射频收发组件的发射单元调制到射频，放大后通过发射高频电缆传输给发射天线，发射天线向地面发射;从地面反射的回波信号经过接收天线，通过接收高频电缆输入到接收单元，对回波信号进行混频后输出中频信号，再依次通过带通滤波、增益控制放大器后进行A/D采样，转化为数字中频信号;再送入信号处理单元进行解调处理，将数字中频信号下变频到基带信号，该基带信号即为发射伪码序列经过时间延迟后的接收伪码序列，基带信号与本地伪码进行相关累加运算，计算结果与门限进行比较，大于门限则比较本地伪码和接收伪码的相位差，计算出高度值，通过接口单元上送给系统模块，否则控制伪码滑向下一个码片，重复相关累加运算，比较门限，计算出高度;电源单元主要满足各个单元的供电要求。
[0045]上述现有的信号处理单元中，由于只产生固定的伪码序列，不适于编队飞行的飞机，这是因为每架飞机装备至少有一个高度表，若采用同一种伪码码型，则一架飞机的高度表可能会跟踪其他飞机高度表的回波信号，这种错误的跟踪将会导致错误的测高结果，影响飞机编队飞行安全。
[0046]为此，本发明对信号处理单元的结构进行改进，使其能随机变换伪码，且变换伪码的时间是随机的，每次变换的伪码序列也是随机的，这样就保证了飞机编队飞行时，每一个高度表的伪码序列不会相同，进而保证飞机编队飞行的安全。
[0047]参照图2，为本发明中的信号处理单元，包括FPGA和DSP，其中FPGA根据DSP写入的更换时间和码型序号的数据，生成随机变化的发射伪码和本地伪码，且对输入的数字中频信号进行下变频解调运算，变为基带信号，基带信号与本地码进行相关运算，将相关结果、相位差送入DSP中；DSP通过FPGA送入的相关结果、相位差，控制本地伪码的移动及计算高度值，同时产生更换码型的序号和更换的时间，在下一时刻到来时将选定码型通过数据总线写入FPGA ο
[0048]所述DSP中，包括:随机码产生模块12和本地码移位控制及高度解算模块13，其中随机码产生模块12中设有随机更换的伪码码型的序号及随机更换的时间。
[0049]所述FPGA中，包括:第一发射码寄存模块1、第二发射码寄存模块2、发射码元计数模块3、发射码NCO模块4、发射伪码序列发生模块5、本地码寄存模块6、本地码元计数模块7、本地码NCO模块8、本地伪码序列发生模块9、解调运算模块10、相关运算模块11。
[0050]整个信号处理单元的信号传递关系如下:
[0051]随机码产生模块12将选定的伪码码型通过数据总线写入第一发射码寄存模块I寄存；
[0052]发射码元计数模块3产生使能信号，将第一发射码寄存模块I寄存的伪码码型数据送入第二发射码寄存模块2，第二发射码寄存模块2锁存伪码码型数据并送入发射伪码序列发生模块5 ；
[0053]发射伪码序列发生模块5，在发射码NCO模块4产生的时钟作用下，根据第二发射码寄存模块2送入的伪码码型数据产生发射伪码，通过数据线串行输出给发射单元；
[0054]本地码元计数模块7，在本地码移位控制及高度解算模块13控制下，产生对本地码寄存模块6的使能信号，将第二发射码寄存模块2寄存的伪码码型数据送入到本地码寄存模块6，本地寄存器模块6通过数据总线将伪码码型数据送入本地伪码序列发生模块9;
[0055]本地码NCO模块8在本地码移位控制及高度解算模块13控制下，产生时钟信号，并将时钟信号送入本地伪码序列发生模块9;
[0056]本地伪码序列发生模块9，在本地码NCO模块8产生的时钟作用下，根据本地码寄存模块6寄存的伪码码型数据产生本地伪码序列，输出给相关运算模块11;
[0057]解调运算模块10在本地码移位控制及高度解算模块13控制下，对A/D采样接收信号进行解调运算，得到接收的伪码序列，输出给相关运算模块11;
[0058]相关运算模块11将本地伪码序列发生模块9产生的本地伪码序列和解调运算模块10得到的接收伪码序列进行串行异或运算并累加，并将累加结果和本地伪码相位信息送入本地码移位控制及高度解算模块13中进行运算、判断处理；
[0059]本地码移位控制及高度解算模块13，根据相关运算模块11送入的数据进行积累运算，并将运算结果与预定的噪声电压门限进行比较，若运算结果大于该门限值，则比较此时本地伪码和接收伪码的相位差，计算出高度值:R=C*t/2，其中C为光速，t = Φ *τ，?为延迟时间，Φ为相位差，τ为码元宽度;将计算出的高度值R通过接口单元上送给系统模块;否则，控制本地码NCO模块8产生时钟信号、本地码元计数模块7产生使能信号和解调运算模块10产生控制信号，使伪码滑向下一个码片，重复相关累加运算，积累运算，比较门限，计算出高度。
[0060]参照图3，本发明的随机变换伪码测距方法，按如下过程进行:
[0061]步骤1.从预存随机码产生模块中随机选择一个伪随机码序列。
[0062]预先设定一组伪随机码，其中含η种码型，每个码型都是一个16bits的二进制数，高度表运行时，读取随机数，取随机数的低四位，再加上最小限定数，即为码型更换所需计数值，再乘以计数间隔时间0.lms，即为下次更换码型的时间；
[0063]将计数值加上当前码序号再和0x7进行与运算，以消去高位防止数组溢出，得到下次欲更换码型的序号；
[0064]根据更换码型的时间将码型的序号送入寄存器寄存。
[0065]步骤2.产生发射码和本地码。
[0066]根据步骤I，每一个伪码码型是一个本原多项式，高度表选择10位m序列作为伪码，有η种伪码码型，随机选择其中一种伪码码型，通过模件抽头方法MSRG连续产生发射伪码和本地伪码并串行输出，即由1级移位寄存器通过相应反馈抽头进行模2和运算;该模件抽头决定了 η种不同码类型的伪码，即对应η种不同的本原多项式，η大于等于8。
[0067]步骤3.发射单元将发射码调制到射频，通过发射天线向地面发射。
[0068]通过步骤2产生的发射伪码对发射单元产生的本振信号进行相位调制，将发射伪码调制到射频，利用功率放大器放大射频信号，射频信号通过发射天线向地面发射；
[0069]在前一发射伪码序列输出结束后，根据步骤I寄存器寄存的伪码码型，再生成新的发射伪码序列，调制到射频，通过发射天线向地面发射；
[0070]重新生成的发射伪码序列相位不受DSP控制，即发射伪码序列输出完毕后，自动重新生成并输出，且其码元宽度不变。
[0071]在生成新的发射伪码序列后，且在前一本地伪码序列输出结束时，根据步骤I寄存器寄存的伪码码型，再产生成新的本地伪码序列，其中，该新的本地伪码序列产生受DSP控制，其相位不断调整，即通过延迟生成本地伪码序列或改变本地伪码序列的码元宽度，来改变本地伪码序列重新生成的时间。
[0072]步骤4.接收天线接收回波信号，通过接收单元变为中频信号。
[0073]接收天线接收地面回波信号，并将回波信号送入接收单元，接收单元对回波信号进行低噪声放大、混频和中频放大后，变为中频信号。
[0074]步骤5.AD单元对中频信号进行采样，变为数字中频信号。
[0075]AD单元对中频信号进行采样，变为数字中频信号后，送入解调运算模块中。
[0076]步骤6.解调运算模块将数字中频信号下变频到基带信号。
[0077]解调运算模块将数字中频信号与数字中频本振信号进行混频、滤波后，下变频为基带信号，该基带信号即为发射伪码序列经过时间延迟后的接收伪码序列。
[0078]步骤7.基带信号与本地伪码进行相关运算；
[0079]将基带信号与当前本地伪码序列进行相关累加运算，并将运算结果和本地伪码相位信息送入控制及高度计算模块；
[0080]步骤8.控制本地伪码移动及高度计算并输出高度。
[0081]控制及高度计算模块根据相关运算的数据进行积累运算，并将运算结果与预定的噪声电压门限进行比较:
[0082]若运算结果大于该门限值，则比较此时本地伪码和接收伪码的相位差，计算出高度值:R = C*t/2，其中C为光速，t = Φ *τ，t为延迟时间，Φ为相位差，τ为码元宽为度;再将计算出的高度值R通过接口单元上送给系统模块；
[0083]否则，返回步骤6，使本地伪码滑向下一个码片，重复相关累加运算，积累运算，比较门限，计算出高度。
[0084]本发明应用于伪码连续波测高体制高度表，但不限于高度表领域，使用伪码测距技术的领域均可使用本发明所述的方法。
[0085]以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本
【发明内容】
和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些是基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种随机变换伪码的测距设备，包括:接收天线、发射天线、发射单元、接收单元、电源单元、A/D单元、信号处理单元和接口单元，信号处理单元由DSP和FPGA芯片组成；信号处理单元产生的伪码由发射单元调制到射频，放大后通过发射天线发射，从目标反射的信号经过接收天线进入接收单元，混频后输出中频信号给A/D单元，A/D单元将采样信号送给信号处理单元，在信号处理单元中，对采样信号进行解调运算，结合本地伪码序列进行相关运算，得出高度值，并通过接口单元输出，其特征在于: 所述FPGA中包括: 第一发射码寄存模块(I)，用于寄存由DSP产生的伪码码型，在第二发射码寄存模块选通时，将伪码码型送入第二发射码寄存模块； 第二发射码寄存模块(2)，用于寄存由第一发射码寄存模块(I)送入的伪码码型，通过数据总线送入发射伪码序列发生模块(5)，同时等待本地码元计数模块产生的使能信号送入本地码寄存模块(6)进行锁存； 发射码元计数模块(3)，用于计数发送码元个数，产生第二发射码寄存模块(2)的使能信号，使第一发射码寄存模块的伪码码型送入到第二发射码寄存模块； 发射码NCO模块(4)，用于产生发射伪码序列所需时钟； 发射伪码序列发生模块(5)，用于产生设备工作所需的发射伪码序列，在发射码NCO模块(4)产生的时钟作用下，根据第二发射码寄存模块(2)送入的码型数据产生发射伪码，通过数据线串行输出； 本地码寄存模块(6)，用于寄存由第二发射码寄存模块(2)送入的伪码码型，通过数据总线送入本地伪码序列发生模块(9)； 本地码元计数模块(7)，用于计数本地码元个数，产生本地码寄存模块(6)的使能信号，将第二发射码寄存模块(2)的寄存数据送入本地码寄存模块； 本地码NCO模块(8)，用于产生本地伪码序列所需时钟； 本地伪码序列发生模块(9)，用于产生本地伪码序列，在本地码NC0(8)模块产生的时钟作用下，根据本地码寄存模块(6)寄存的伪码码型产生本地伪码序列，输出给相关运算模块(11); 解调运算模块(10)，用于对AD采样后的信号进行解调运算，得到接收的伪码序列，输出给相关运算模块(11); 相关运算模块(11)，用于将本地伪码序列发生模块(9)产生的本地伪码序列和解调运算模块(10)得到的接收伪码序列进行串行异或运算并累加，并将累加结果和本地码相位信息送入DSP中进行处理； 所述DSP中包括: 随机码产生模块(12)，用于产生准备更换的码型的序号和更换的时间，在下一时刻到来时将选定码型通过数据总线写入FPGA中的第一发射码寄存模块(I); 本地码移位控制及高度解算模块(13)，用于根据相关运算模块(11)送入的数据进行运算，即通过比较当前发射码和本地码的相位差，换算为距离或高度值后输出；同时控制本地码NCO(S)、本地码元计数模块(7)和解调运算模块(10)，使测距设备能够持续跟踪正确的高度距离。2.根据权利要求1所述的随机变换伪码的测距设备，其特征在于，本地码移位控制及高度解算模块(13)，包括: 解调控制子模块(131)，用于根据相关运算结果对AD采样后的信号进行载波频率的捕获与跟踪，以由AD采样信号得到接收的伪码序列； 本地码移位控制子模块(132)，用于根据相关运算结果控制本地伪码序列的相位，使当前的本地伪码序列与接收的伪码信号同步； 高度解算子模块(133)，用于在当前本地伪码序列与当前接收伪码信号同步的状态下，由两者之间的相位差求得距离或高度值。3.—种随机变换伪码的测距方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)在DSP中预先设定一组码型不同的伪码，在设备工作时，随机选择一种伪码码型，并随机选择时间将该伪码码型送入寄存器寄存； 2)每个伪码码型产生一个伪码序列，每个伪码序列包括排列顺序不同的码元，设备工作时，分别连续产生用于发射的伪码序列和本地伪码序列并串行输出，发射伪码序列对载波进行数字调制并发射该已调信号；在前一发射伪码序列输出结束后，寄存器寄存的伪码码型再生成新的发射伪码序列； 3)接收端接收已调信号的回波信号，变为中频信号； 4)对中频信号进行解调运算，得到接收的伪码信号； 5)在生成新的发射伪码序列后，且在前一本地伪码序列输出结束时，寄存器寄存的伪码码型再生成新的本地伪码序列； 6)将接收的伪码信号与当前本地伪码序列进行相关运算，即将接收的伪码信号与当前的本地伪码序列进行串行异或运算并累加； 7)根据相关运算结果控制生成新的本地伪码序列和解调运算，使当前的本地伪码序列与接收的伪码信号同步，即使累加值最大； 8)在当前本地伪码序列与当前接收伪码信号同步的状态下，由本地伪码序列与发射伪码序列之间的相位差Φ求得发射伪码序列在空间传播的时间t，进而计算出距离或高度值:R = C*t/2，其中C为光速，t = Φ*τ，τ为码元宽度。4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤I)中在DSP中预先设定的一组码型不同的伪码，共有η个成员，每个成员都是一个16bits的二进制数。5.根据权利要求3所述的方法，其中步骤2)和5)中寄存器寄存的伪码码型再生成新的发射伪码序列和本地伪码序列，是根据所寄存的伪码码型，采用模件抽头方法MSRG而产生。6.根据权利要求3所述的方法，其中步骤2)中分别连续产生用于发射的伪码序列和本地伪码序列，是根据寄存器寄存的伪码码型，采用模件抽头方法MSRG而产生，当每种伪码序列输出完毕后，再重新生成并输出，其中本地伪码序列的产生受DSP控制，其相位不断调整，即通过延迟生成本地伪码序列或改变本地伪码序列的码元宽度，来改变本地伪码序列重新生成的时间；重新生成的发射伪码序列相位不受DSP控制，即发射伪码序列输出完毕后，自动重新生成并输出，且其码元宽度不变。
【文档编号】G01S13/26GK106019268SQ201610424262
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】席睿波, 赵传丰, 杜合金, 杨晓妮
【申请人】陕西长岭电子科技有限责任公司