减小劳兰-C导航误差的方法及装置

摘要

本发明涉及一种劳兰-C通信技术和系统，包括：在劳兰-C脉冲序列的相位调制前对通讯信息编码，然后再逻辑相乘及倒相，使在劳兰-C脉冲组中的第一、第三组及第二、第四组等产生互补的正负调制位置偏移；并这是完∴∴衡而不受原始数据性质及天波干扰的影响。并提供一种避免导航定位误差的方法，该误差是在常规的对称脉冲调制时间间隔上进行取样接收所造成的。本方法采用不对称的脉冲调制以使取样点上的周期振幅值的不等得到补偿。

说明书

本发明涉及把信息通讯引入到劳兰-C导航无线电广播信号及类似信号的方法和装置，该通讯信息以数字数据的形式通过脉冲相位或脉冲时间调制引入组成连续发送组的劳兰-C脉冲，从而使汽车、船等能根据信号确定其位置并同时接收广播通讯信息。本发明特别涉及减小由于对脉冲组中的连续脉冲进行脉位调制所造成的误差，它是由于劳兰-C或其他的导航接收机跟踪一个有误差的用于导航目的的“过零”点时产生的，该误差是由于把通讯信息叠加到劳兰-C脉冲组而引起的。本发明还涉及限制误差的新技术，这一新技术不仅限制了由于数字信息的发送带来的误差，而且也限制了由天波的偏移及变化等等造成的导航定位误差。

劳兰-C发送设备在例如与本发明具有同一受让人的美国专利证书No.3711725，4151528，3889263，4001598及4423419中已有描述。相间隔的劳兰-C脉冲发送组被运输工具的定位导航接收机接收，它监测由劳兰脉冲组的一个个脉冲组成的各个周期的第三周期中的一个特定的过零点-即第六个零点。满足这类用途的接收机在例如美国专利证书No.9921076，3736590，3774210，4392138及4482896中已有描述。

以前已有人提出同时将劳兰-C和类似的导航广播信号包含在导航序列信号中发送，即通讯信息可以以数字信息形式对同一载波进行调制。在以前的这类建议中有，被美国海军采用，并由迪安W.N.（Dean    W.N.）的“劳兰-C用于应急的通讯”一文叙述的所谓单簧管流浪汉（Clarinet    Pilgrim）系统，见1973年9月30日印第安那州韦恩堡（Fort    Wayne）出版的话音传输杂志（Maganvox）;国际电话电报公司1979年6月为美国海岸巡逻队做的“劳兰-C相位调制研究最终技术报告第一卷”;以及1975年野鹅协会（Wild    Goose    Association）在马萨诸塞州阿克顿出版的无线电导航杂志。

在单簧管流浪汉（Clarinet    Pilgrim）系统中，构成第一个发送脉冲组的8个劳兰-C脉冲中的前两个不被调制，而第3到第8个脉冲中有一个或多个被调制，这种调制将脉冲前后移动1微秒的时间间隔-脉位调制。通常伪随机的或平滑的数据用脉位调制，但有时可能要发送同步字。在其他情况下，数据在进行相位调制之前被乘以一个“位翻转”或反相序列或其补码。实际上，当第一第三个或任意奇数的脉冲组被调制时，位翻转序列是00+-+--+。当第二第四或任意偶数的脉冲组被调制时，则使用位翻转序列的补码00-+-++-。例如：假定被主台发出的是从第一个时间间隔开始的数据流+-+-+-+-+-+-，那么该时间间隔的脉冲3到脉冲8将被调制为：++++--，因为这个序列是该数据流的第一部分和位翻转序列的乘积。加号使脉冲被前移通常是1微秒或是它的分数如3/4微秒，而减号使脉冲被延迟同样的时间。劳兰-C脉冲的下一时间间隔或第二组的脉冲3到脉冲8将被调制为：----++。对劳兰-C导航发送信号使用这种类型的信息通讯调制的问题之一是：在接收机监测的第三周期的采样时间，劳兰-C脉冲周期的振幅正处在被生成的劳兰-C脉冲的主集包络线的上升过程中，正如后面所要说明的，接收机在前移1微秒的调制点和在对称地延迟1微秒的调制点上的采样信号幅度是不相等的，因此带来干扰劳兰-C接收机的导航功能的误差，如上所述或如其他任何可能选用的参考书所述，这一导航功能是与第三周期的实际的过零点（或第六个过零点）有关的。这样，为引入通讯信息而进行这种类型调制可能会造成导航定位误差。

这样，如果采用了脉位调制，用户接收机的相位偏移将使其位置偏移。因而调制系统必须尽快地消除或平衡这一位移。实际上，如在上述的接收机专利所说的那样，接收机在不断地对脉冲位置（或相位）数据进行积分或平滑。接收机并不根据信号脉冲的大小来计算其位置，典型地是从1到10秒对数据积分。这个积分时间被称为接收机时间常数。如果相对于接机时间常数来说由数据引起的脉位调制能很快地被平衡掉，那么该数据调制对导航接收机的影响可以忽略-已申请的发明在这方面提供了优良的特性。

如上所述，本发明考虑到了劳兰脉冲的包络前沿不是常数而是上升的这一事实。单簧管流浪汉系统和在其后提到的系统都使用对称的脉位调制，其中“1”使脉冲向前移动T秒而“-1”（或二进制的“0”）使脉冲被延迟同样的T秒。然而劳兰脉冲本身并不与采样点对称，因此“1”使得接收机采样到一个负半周的位置电压，其幅度稍小于发送“-1”（二进制的“0”）时接收机采样的正半周位置电压的幅度。一些所提到的的调制系统保证被发送的“1”和“0”的数目相等，但是即使如此在接收机内也不能达到精确的平衡，并将产生测量的信号到达时间的偏移误差。这一时间测量误差约为30到200毫微秒，由此造成的位置误差为9.1到304.8米。

作为本发明基础的方法是利用非对称的脉冲位置调制来减小这一影响。“1”使脉冲前移T秒而“-1”使脉冲延迟fT秒，其中f小于1，通常约等于0.90-0.97，fT是T的真分数。

其他在劳兰-C导航发送信号上进行信息通讯的技术也存在类似的问题。包括例如上述的无线电导航杂志的论文中所述的称为电传打字Ⅱ的系统;以及例如在无线电导航杂志以及陆军部菲尔德曼D.A.（Feldman    D.A.）等人的文章中所述的海岸巡逻队双脉冲劳兰-C通讯系统，“海岸巡逻队的双脉冲劳兰-C通讯系统”刊登在导航协会的杂志《导航》1976-77年第23卷第4期，亦刊载于导航协会1975年10月14-15日在马里兰的亨特谷地（Hunt    Valley）召开的马恩国际导航会议会刊上;以及在无线电导航杂志和1979年6月的国际电话电报报告上发表的类似的美国海岸巡逻队的高速通讯系统，而本发明还消除了上述那些对称的脉位调制技术中的导航误差。

因而本发明的目的就是提供一种新技术，用于消除由于对发送劳兰广播信号的连续组里的劳兰-C脉冲进行脉位调制造成的这些导航误差;本发明的目的是为劳兰-C导航信号广播进行信息通讯提供一种新的改进行的方法和装置（发射机和接收机）以便能大大减小接收过程中的导航误差。

特别是结合上述的美国海岸巡逻队的高速通讯系统，通过引入倒相或“位翻转”技术，用于对发射机进行数据流脉位调制之前对数据位信息进行逻辑乘，以确保在脉位调制序列的加号和减号或+1和-1（或二进制的“0”）之间平衡，如上述的无线电导航杂志的论文所述。尽管该海岸巡逻系统保证了地波的平衡，但是它不能同样地保证对被延迟的天波的平衡;而这正是本发明的一个主要贡献。

根据本发明的其他特性，通过引入这样一个概念，即用一个刚好出现在两个脉冲组之后的脉冲去平衡给定的劳兰脉冲，该脉冲在采样处与给定脉冲具有相同的天波信号幅度，这与一组或相邻组内的连续劳兰脉冲中各种不同的天波幅度不同，从而可以更大程度的保证精确的导航同步，而排除天波位移和变化的影响，也不必考虑被调制在脉冲上的特定的数据组序列的特性如何。见佩里K.恩格（Pere    K.Enge）等人在普兰斯（PLANS）的86年会刊上的特别报告“劳兰-C通讯”，后来出版时只公布了用其数学背景做的计算部分。

此外，通过某种原始数据位的编码可能会使如下两方面有更大的安全保证。即加号和减号或+1和-1（脉位调制的前移和延迟）的数目相等以及在每组内的调制中不出现显著的不平衡;事实上，是在劳兰脉冲的第一、三和第二、四等中进行同样数目的加和减位移，以提供较佳的平衡，它与信息中数据的性质无关，也与天波干扰无关。

因此本发明的另一个目的是提供一种新的改进的劳兰-C及类似的信息通讯系统，特别与是上述的美国海岸巡逻队高速通讯系统相类似，在该系统中也不必考虑用于调制导航信号的输入数字序列的性质，进而消除了由天波相位移及变化引起接收机导航误差的可能性，并防止在一组劳兰-C脉冲内进行调制时产生正负位移的严重的平衡，即防止发生全部位移都在一个方向上的可能性。

进一步的目的在以后说明，并在后面所附的权利要求中做专门的描述。

简要地说，其重要方面之一是：本发明仔细考虑了一种劳兰-C脉冲的脉位调制方法，与连续劳兰-C脉冲对称地前移或延迟1微秒的现有调制方法不同，它用一脉冲前移的间隔大于另一被调制脉冲延迟的间隔的办法提供非对称的劳兰-C脉位调制，在非对称的时间间隔中前移量的差别足以补偿在第三周期或叫作延迟或前移的基准周期内正半周和负半周幅度的不同，采样点周期位置的振幅在采样时间被接收机监测。

在另一方面本发明还包括一种劳兰-C导航和信息通讯系统，其中，连续的脉冲组内有许多连续的劳兰-C脉冲被脉位调制以传送K个原始数据位的信息块，一种在接收机接收上述导航脉冲时减小误差的方法，该接收机并不知道有通讯信息，而这种误差是由天波相移和变化引起的而与这些信息位的性质如何无关，上述的方法还包括把K个原始数据位的连续块转换为一个个N位的编码数据块，其中N大于K，而且包含一个检错码;把这些已编码的数据块加到连续的劳兰-C脉冲组中;利用各个陪集首序列对第一和第二个劳兰-C脉冲组的连续编码序列进行逻辑乘来产生最终数据序列以确保在一个信号组中的正、负位置调制中没有显著的不平衡;用各个最终数据序列对上述的第一第二组劳兰-C脉冲中的多个脉冲进行脉位调制;对第一和第二个劳兰-C脉冲组的各个编码序列进行倒相;并且同样地把编码数据分别加到第三和第四个劳兰-C脉冲组;同样地用各自的陪集首序列进行逻辑乘以在第三和第四个劳兰-C脉冲组产生最终数据序列，它们与第一和第二劳兰-C脉冲组互补，并使全部四组内的不平衡为零;用最后提到的最终数据序列对第三和第四组劳兰-C脉冲中的多个连续脉冲进行脉位调制;并保证上述的陪集首序列不可能成为转换后的原始数据的代码，由此，在第一和第三劳兰-C脉冲组以及在第二和第四劳兰-C脉冲组都将产生相同的加和减的位移，每组都处于较佳平衡，而与原始数据的性质及天波的干扰无关。

下面给出的是具体详细的最佳实施例。

现在将结合图1A和图1B来说明本发明，它们分别说明了根据已有技术和根据本发明的连续脉位调制的劳兰-C脉冲的采样点;

图2A和图2B是脉冲时序图，分别说明劳兰-C发送的正常脉冲时序和根据本发明技术的调制脉冲时序;

图2C是被调制的一系列的劳兰-C脉冲的波形图，实线波形代表正常射频劳兰-C脉冲，点线波形代表在通讯调制中被前移的劳兰-C脉冲（前移了T秒），虚线波形是被延迟的脉冲（延迟了较小的时间fT）;

图3是用本发明的技术工作的发射机的框图，它将完成图1B、图2B和图2C中所说明的功能。

图8是一个框图，它说明实现减小天波定位误差的技术特征的一个优选系统，这也是属于本发明的;

图9A、图9B和图9C是波形图，它们说明存在天波干扰时本发明的工作;

图10是适于实现本发明的发射机的框图;

图4A和图4B是时序图，它们分别说明正常的调制和根据本发明调制的脉冲时序。

图5A和图5B是详细说明图10的发射机中所用的编码技术的框图。

图6是适于根据本发明工作的接收机的框图。

图7A和图7B是说明图6的接收机工作的波形图。

参见图1A，它示出了前述的劳兰-C的上升和下降包络线E。它是由连续周期的射频正弦波群或脉冲叠加而成的，其尾部被切断了，如以上提到的那些发射机专利所述。第三周期在沿时间即水平轴的30微秒处，用字母P表示的第六个过零点是具有导航接收设备的运输工具的接收机为确定导航位置所通常监测的捕捉点，如以上引用的接收机专利所述。以P1表示的图1A中脉冲图形在图2A中用一个箭头表示，以说明连续间隔的劳兰-C脉冲发送组G1，G2等等。第一组G1有8个脉冲（P1-P8）被顺序表示成有1微秒正常（非调制）定时位置的互相分开的连续脉冲;第二组G2类似地，各脉冲之间具有同样的正常的1微秒间距，但与前一组G1是以组重复间隔（GR1）分开的，通常为50到100毫秒左右。

根据上述的单簧管流浪汉系统，电传打字Ⅱ系统，海岸巡逻队Ⅱ脉冲劳兰-C通讯系统及美国海岸巡逻队高速通讯系统，以及以前的通讯调制技术及其他建议，连续的脉冲P1、P2、P3等等构成了第一组G1，而且如上所述处于正常（非调制）的脉冲时序，具有同样的1微秒的间隔。这在那些现有技术的调制系统中被改进了，通常从P3开始到P8，利用在P3到P8的劳兰-C脉冲中进行脉位调制的办法引入数字数据信号的通讯信息。如上所述，根据这些信号，这些脉冲或其中一部分被前移或延迟而产生调制效应，如图2B中更详细地表示的。图中所示第一个脉冲P5被前移了而后面的P8被延迟了以产生调制效应，与数据信息相应，它们分别用数字1和-1表示。若用二进制的数字“1”和“0”表示，则“1”相当于1而“0”相当于-1。通常的前移或延迟的时间间隔为1微秒（有时是3/4微秒），它比两个连续的劳兰-C脉冲之间间隔1毫秒要小得多，也小于这些脉冲的射频周期。当包含一个-1并被接收机采样时，这1微秒的间隔就导致了较大的振幅，从脉冲包络E的上升来看，如图1A所示在P1点的幅度就大于下半部的正在上升的第三个半周的采样点P2的幅度;振幅的这一差别可能会造成接收机找不到导航同步用的适当的平均过零点的错误。

根据本发明，不象现有技术那样具有对称的或标准的正、负一微秒（或其他值）的延迟或前移，本发明在第三周期上升的正半周包含-1（延迟）时对采样点P1的幅值差进行补偿，并在包含+1（前移）的采样电压时在P2处对负的幅值进行补偿。这样，根据本发明就把现有技术中对称脉位调制，改变成了非对称的脉位调制，其方法是改变延迟时间使之小于前移的时间，以刚好补偿幅度之差，而且在接收解调时将相应地恢复原来的通讯数据。这被示于图2B和图2C中，其中脉冲P5被前移一个时间T（1微秒）;而脉冲P8被延迟fT秒，其中f如上所述是个真分数，这样被延迟的时间大约为900毫微秒，以补偿图1A中P到P1的幅度较大而P到P2的幅度较小的情况。这样处理之后可以确信在现有技术的对称系统中，上述的由脉位调制造成的导航同步误差被极好地克服了，而如前文献所述的接收机在接收时分别被调整去解调第六个过零点附近的非对称时间间隔调制以便恢复原来的通讯数据，而与调制间隔的非对称性无关。

在由图3所示的典型的发射机系统中，概略地表明在以前发射机专利及参考文献中提到的各种发射机中，图2B示出的用于调制一个或多个劳兰-C脉冲P3-P8的通讯数据（+1，-1或0）被加在时标控制的劳兰-C脉冲定时器，它依次控制一个时序选通脉冲，它确保发射机产生并由天线发出的劳兰-C脉冲有适当的前移或延迟。如上所述，接收机在解调时也将是类似地时间选通，以恢复原来的调制数据。

现在转到图8，在图的底部八个导航脉冲P1-P8的三个连续组被表示为GRIA，GRIB，及以后还是GRIA等等的一些块。与单簧管流浪汉系统类似，在该实施例中，任何一组中脉冲P1和P2都没有调制。被调制的多个脉冲P3-P8由六个相应数据位所调制，即标为“数据寄存器＃1”的上部方框中所示的+++-+-，这六个数据位经过称之为陪集首的逻辑乘后得到图示最左边的GRIA组中的序列-+--++。不是用上部方框数据寄存器＃1中的第一个“+”号对第一个导航组GRIA的第三个脉冲P3进行脉冲位置的前移，而是首先将该“+”号乘以相应的陪集首“-”号得到一个“-”号，011111和100101。编码器把每个K位的块都映射成一个N位的块如所示N＝10，N大于K，因为它增加了（N-K）个奇偶（或称之为检错）位。这些N位的块（1111000011等等）被称为代码字，而且每一个K位的原始数据块只有一个代码字。（是一对一的映射码）。因而有2^＊个代码字或在本例中是64个。然而总共有2ⁿ个可能的N位块（2¹⁰或在本例的情况下为1024个）。这意味着有2ⁿ-2^＊个N位块可以不出现。在可能出现在数据寄存器中的1024个10位块之中，只有64个将会出现。因此如上所述的陪集首序列及其补码序列将被选出使得它们决不会出现在图8的数据寄存器中。如上所述，这样在图8中用该陪集首序列来乘将确保在一组内也不会出现严重的不平衡。

适于根据本发明的方法工作的发射机系统示于图10，其中表示了图8和图5A中的数据源和编码器E把包含上述检错码的N位块即已编码的数据送到连续的劳兰-C脉冲组（GRIA，GRIB，GRIA等等）的数据寄存器（图8的＃1，＃2，＃3等等）。用于传输的已编码序列乘以陪集首序列得到一个逻辑积，以产生相应的最终数据序列，它们保证在“+”和“-”的位置调制中的平衡，在射频发射机“TMTR”中对产生的相应的劳兰-C脉冲进行调制，“TMTR”在时标控制的定时器控制下工作并从无线广播同时包含通讯数据的劳兰-C导航脉冲。如以前提到的，代表这些数据的脉位调制最好作用于脉冲P3-P8，而不调制前两个劳兰-C脉冲P1，P2（图4A和图4B）;并且不是对称地前移或延迟时间间隔，而是对在第三或俘获周期位于第六个过零点的正负两侧取样点的幅度差进行补偿，该过零点是用于导航定位的;如前所述，图4A的正常脉冲间隔为1毫秒，把脉冲P5前移一段时间T，大约1微秒，而把脉冲P8不对称地延迟稍短的一段时间fT，大约0.9到0.97微秒，这样来增加脉冲的包络以补偿上述的幅度差别。

上述专利和论文所描述的各种类型的接收机都可以使用，图6说明了一种适用的硬限幅型接收机。接收到的劳兰-C信号通过包括带通滤波器和放大器的前端，然后被硬限幅产生保留相位信息的方波。图7A说明对前移（+1）调制的输出，而图7B是延迟（-1或“0”）调制的波形，浮获采样点用叉号X标出，代表所期望的劳兰-C脉冲第六个过零点的时间。这些取样值是在一般的劳兰接收机中导航处理器中接收并监测的，并将被连续地直接送到导航处理器，就好象通讯根本不存在一样;导航处理器驱动导航显示器以确定方位。然而这些非常类似的接收取样值也分别被输入到通讯处理器，它处理第三到第八个脉冲，因为它们是被调制。如果取样值是+V，如图7A，则确定该脉冲是被前移的，并且对应于一个+1。然而如果发现取样值等于-V，如图7B，那么则确定该脉冲是被延迟的，它对应一个-1或“0”。然后这些+1和-1将通过一种处理，它与图10中的处理相反具有去掉陪集首序列的作用，处理后被送到数据寄存器供后续的解调解码器处理，以便把代码字反映射成原始数据，最后用户将把数据翻译成显示的或可读的输出。

这样，本发明通过使用这里所述的特别的编码，使用位翻转倒相，确保在四个劳兰-C的GRI之后的不平衡为零，并且可以不管输入的通讯数据的性质如何以及天波的相位移，变化或其他干扰如何;本发明还通过陪集首序列保证即使在一组劳兰-C脉冲内也没有严重的前移和延迟的不平衡。

熟悉此技术的人可能会做出进一步的改进，但其将被认为是在所附权利要求限定的本发明的精神和范围之中。