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摘要：为提升各型飞行器回收能力和效率，降低飞行器回收设备规模，本文提出了一种基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达体制、具备舰机通讯能力的高精度测量引导雷达实现方法。重点从系统组成及原理、信号的选择设计、GOLD序列码频率失谐校正和通讯信息解算准确性、仿真测试等方面介绍了如何提供系统对飞行器精密测量同时，实现与机载设备之间高速率、高准确性的信息传输。通过工程实现和试验测试表明，该方法不但保证了雷达的测量精度，而且实现了舰机高速通讯，对各类合作目标回收具有重要参考意义。
关键词：异频二次雷达；机载应答机；频率校正；精密跟踪雷达；GOLD序列伪随机编码
Abstract：In order to promote each aircraft recall capability and efficiency，lower the aircraft recall equipment scale，this text proposed a kind of GOLD array that makes according to the two - phase code false random code repeatedly two radars of differences of system，have the high definition of warship machine telecommunication capability to measure to lead radar to carry out a method. From the system of select design，GOLD array code frequency the correction and telecommunication information solve calculate accuracy，imitate true test etc. introduced how to provide system vs the aircraft nicety measure at the same time，realize and machine carry an of equipment the information transmission of the high speed rate，high accuracy. Testing enunciation through engineering realize and test，the method not only assured the measurement accuracy of radar，but also carried out warship machine top speed telecommunication and had importance reference meaning to each kind of consortium object recall.
Keyword：Difference repeatedly two radars；The machine carries reply machine；The frequency corrects；Is accurate to follow radar；The GOLD array is false to random code
1 引言
在新軍事革命条件下，航母等舰机作战平台仍被视为各国海军的核心力量，其中如何改进和提高各类飞行器回收能力是类似作战平台重点研究方向。公开资料显示，常规引导采用雷达测量和偏差解算、专用链路实现信息传输、机载数传设备完成数据收发并上报飞控的引导模式，上述各环节均配备有专用设备完成不同任务[1]。随着现今信息化技术和飞行器性能的发展，迫切需要对上述大闭环引导系统进行性能优化和效率提升，实现环节精简和设备集成，以进一步提升关键指标和舰机作战效能。
基于跟踪雷达和通信雷达原理和应用，本文提出了一种基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达精确测量体制和伪码调相通讯方法，可同时实现基于伪码的高精度测量和舰机实时数据通讯。
2 测量系统组成及原理
为了提高测距测角精度、实现无盲区跟踪引导，系统采用异频收发二次雷达体制实现，由机载应答机和地面雷达两部分组成，各部分组成及原理如图1所示[2]。二次雷达避免了测距、测角闪烁，提高测量精度和稳定性；实时转发，在硬件确定条件下可提高测距精度，避免因应答机处理造成的时间不稳定；异频，避免了同频一次回波杂波干扰，实现了无盲区测量；但该体制也带来了雷达与应答机不相参导致的频偏效应。
1）地面雷达。完成测量询问的发射和应答回波信号接收处理，得到目标相对于雷达的距离、角度信息；完成目标识别和跟踪测量，控制雷达各部分对目标保持连续跟踪；解算目标相对于立项航线的偏差信息或绝对坐标信息，并在下一帧探测电磁波中发送给机载应答机；设备状态监控、对时及系统信息交互。
2）机载应答机。实时对雷达询问信号接收及处理；完成频率校正和身份识别；对雷达通过电磁载波发送的位置或偏差信息进行解算；将准确的偏差信息上报给机载飞控系统；自身状态监控及控制。
3 调相体制通讯信号设计
3.1 系统硬件体制及难点
如图1所示，该系统中采用了基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达体制。上述设计虽提高了测量精度、解决了盲区问题，但二相编码信号是一种多普勒敏感信号，当多普勒无法忽略时将导致多普勒失谐效应[3]，影响测量处理和通信准确性。
（a）
（b）
以发射35GHz为例，目标运动速度在40m/s～110m/s时，对应多普勒频偏在9.7KHz～26KHz。127点GLOD序列，前后补零以后，采用原信号（无多普勒）做脉冲压缩自相关结果如图3（a）所示，达到127；而26KHz多普勒所引起的信号周期为38.5us，对于25.4us的编码时宽，其与发射信号自相关结果如图3（b）所示，只有53左右，大大影响积累峰值。 同理，频率失谐（频偏）在该雷达体制中不但会造成积累损失，还会导致身份识别误判、信息解码错误，对目标测量结果出现较大误差。因此，需要对频率失谐效应寻找解决方法。
3.2 基于二相码调制的伪随机编码设计
研究表明，伪随机码具有自相关性和随机性好、足够的码长和独立地址数（码分多址）、易产生控制、抗干扰侦破的特点，是跟踪测量和通信的较好选择[3]。伪随机码表达式为：
公式1
Gold码是基于m序列优选对产生的，其满足下述不等式
公式2
为了满足雷达高精度测量和信息通讯的双向要求，系统按照上述公式设计了以GOLD码为基础的“GOLD码+相位调制通讯码”的信号波形，如图3所示。其中利用GOLD码的互相关性，前部采用A、B双GLOD码，用于目标频率搜索校正、身份识别和测量；后端根据通讯协议采用二进制编码、二相码调制方式的多个通信码。每个码片宽度0.2us，GOLD码为127位码片；每个通讯码块184位码片，包括18个通讯字节和桢头、校验和等。
4 软件设计及实现方法
4.1 频率校正及补偿
在该二次雷达系统中，测量对象为运动目标、应答机和雷达之间的不相参频偏，导致系统必然存在多普勒失谐效应。为了保证应答机能够准确解算雷达的询问信号和二相载波数据，需要应答机对雷达探测信号进行频率校正。本文将发射编码直接叠加上预调多普勒，并用这个新的编码去和回波信号相关处理，处理得到较窄的准确多普勒通道，并在该通道下完成后端数据码块的信息解算。
以某系统为例，雷达发射频率为f0=24.3GHz、雷达和应答机的频率准确度均为1×10-7，则雷达和应答机频率准确度带来的最大频偏效应f0×（1×10-7）×2=4860Hz；假设目标运动速度范围为-10m/s～60m/s，则在f0频带多普勒频偏为-1620Hz～9720Hz。上述频偏叠加后，引起的多普勒频偏范围为-6480Hz～14580Hz，因此系统频偏校正需覆盖该区域。
为了最大限度节约硬件资源、提高运算效率，采用二级频率校正设计，即利用3.1章节提到的A、B双GOLD码，第一级对A码进行6通道同时处理，每个通道带宽3.6KHz，得到积累峰值最强点的通道数N1；第二级在通道N1上再次分6通道对B码进行同时处理，每个通道600Hz，得到更细分的准确通道数N2。一二级之间采用滑窗处理，仅调节第一级6各通道的频率校正系数对B码处理。利用GOLD码相关积累时，不同频率失谐其积累峰值能量的差异，可将带频偏（失谐）的信号限定在300Hz频偏校正后通道内，频率失谐效应影响将大大降低。详细流程见图4。
如图3所示，频率校正利用了频率失谐对积累幅度的影响效应，发射编码和接收编码的频差越小，积累峰值幅度越大。利用该原理，可实现以下优点：①准确的完成频偏校正，将GOLD码的处理限定在特定的频偏通道内，保证处理和后续信息解码的准确性；②提高压缩信噪比、获得较好增益，有利于提高测距精度和身份识别；③采用滑窗式处理，最大限度节约资源和时间，双级通道可将频偏确定在较窄范围，降低积累损失。
4.2 中频采样及正交变换
假设在每个码片τ=0.2us内为线性调频信号，则叠加f0载频后的实信号的形式为公式5所示。其中，f0为中心载频频率，τ为码片周期，B为信号带宽。
公式5
利用4.1章节频率校正算法确定的通道关系、预调特定多普勒后的本振信号与中频采样信号进行希尔伯特变化实现[4]。假设某信号与f0存在+10.2kHz频偏（即实际接收得到的频率为=f0+10.2kHz），通过双级频率校正后，得到预调频率=（f0+3600*N1+600*N2）kHz=f0+10.0kHz（N1=2，代表粗搜索时的通道数；N2=5，代表精搜索时的通道数），与真实信号仅相差Δf=200Hz。此时，利用sin和cos分别与相乘得到I、Q两路信号。
4.3 I/Q矢量差值比较法提取二相码
采用频率校正方法理论可将回波频偏修正到与本振无限接近，即图5所示的Δf=0Hz。要实现频率校正的绝对对准，要么通道数不变，降低每个通道的搜频宽度，使每个通道足够窄；要么搜频范围不变，增加多路搜频通道，使多级搜频后每个通道足够窄。但实际工程应用中，受资源限制和搜频范围的需要，往往无法保证Δf=0Hz，即在频偏校正后每个通道内依然存在较小的频率偏差。
如图5、图6所示，在对Δf=200Hz的回波通过中频采样和正交变换处理后发现：①其I/Q两路幅度受频差影响，幅度不如图5稳定，存在波动，影响利用门限提取二相码0、1值；②I/Q两路在圆圈A、B处相位跳变不稳定，造成符号位解析模糊，易出现信息误判。
当出现图6所示现象时，则最终解码存在如图7所示（图8为正确解码结果）的局部乱码，并最终造成后续解码错误。虽通过校验和可丢舍掉该桢数据包，但易造成丢帧较多、数据包不够的现象，影响数据实时率和准确性。
根据I/Q生成原理，I/Q复数信号是公式5实信号的分解，故I/Q绝对能量值和基本为常值。利用该特性，分别对I/Q复数信号进行矢量判断，并将I/Q能量绝对值进行叠加。上述I、Q实际采样点存在同相、反相，但不管矢量符号如何变化，其能量值得到了加强，如图9。图7中经过I/Q矢量差值处理后，其幅度值稳定、二相码相位跳变消除，对其解析可得到图8所示的正确二相码信息。
对图9所示二相码信息按照约定的协议进行处理后，若桢头桢尾及校验和均符合协议要求，则视其为正确信息，由应答机通过FPGA芯片端口发送给系统或上位机，从而实现雷达与系统的舰机通讯。
5 實例测试验证
基于本文提到的“基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达体制”和频率校正及相位差值求解方法，在某型雷达系统中进行了实测应用。该系统组成如第2章节所述，应答机主要应用了图3波形信号和第4章节处理方法；雷达主要利用了4.1章节方法，用于提高积累增益和脉压峰值的准确性。
利用图10所示，根据信号设计和通讯协议，预先编制不同的通讯和波形信息（二进制），通过计算机将该波形录入矢量信号源。通过信号源条件输出信号幅度和频率，由应答机对其进行处理计算，并将解算结果上报计算机的检测软件。由监测软件分别对比录入信号源的信息和应答机解算信息是否一致。录入信息包含了A、B码+3组不同信息的组合码，频偏设置有-10KHz、0KHz、+5KHz、+10KHz，幅度固定为-5dBm。统计监测软件记录的多次实测样本，所得通讯信息准确率达到100%，满足精密引导雷达测量及通讯引导需求。
6 结束语
本文针对精密引导雷达高精度测量和高可靠性舰机通讯需求，开展了“基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达系统体制”模型建立和研究，在硬件处理资源有限的基础提出了特殊的信息波形设计、多级频率校正、I/Q差值比较信息解析等方法，实现了对GOLD序列伪随机编码在多普勒失谐效应下的积累处理和通讯，解决了精密引导雷达测量精度提升和GOLD序列调相码信息解析之间的矛盾。通过实际建模仿真、系统外场试飞测试等数据支撑，验证了该系统及处理方法的可行性、有效性，对后续类似雷达系统研究、GOLD序列调相码信息解析具有一定指导意义。
参考文献：
[1]周煜、伍逸夫、赵峰，航母着舰引导系统概述，舰船电子工程，2011年第11期。
[2]张明友.汪学刚. 雷达系统，2006.1。
[3]【英】Clive Alabaster著，张伟、刘洪亮等译.脉冲多普勒雷达：原理、技术与应用，国防电子信息技术丛书。
[4]丁鹭飞、耿富录.雷达原理.西安电子科技大学，2004年1月。
关键词：异频二次雷达；机载应答机；频率校正；精密跟踪雷达；GOLD序列伪随机编码
Abstract：In order to promote each aircraft recall capability and efficiency，lower the aircraft recall equipment scale，this text proposed a kind of GOLD array that makes according to the two - phase code false random code repeatedly two radars of differences of system，have the high definition of warship machine telecommunication capability to measure to lead radar to carry out a method. From the system of select design，GOLD array code frequency the correction and telecommunication information solve calculate accuracy，imitate true test etc. introduced how to provide system vs the aircraft nicety measure at the same time，realize and machine carry an of equipment the information transmission of the high speed rate，high accuracy. Testing enunciation through engineering realize and test，the method not only assured the measurement accuracy of radar，but also carried out warship machine top speed telecommunication and had importance reference meaning to each kind of consortium object recall.
Keyword：Difference repeatedly two radars；The machine carries reply machine；The frequency corrects；Is accurate to follow radar；The GOLD array is false to random code
1 引言
在新軍事革命条件下，航母等舰机作战平台仍被视为各国海军的核心力量，其中如何改进和提高各类飞行器回收能力是类似作战平台重点研究方向。公开资料显示，常规引导采用雷达测量和偏差解算、专用链路实现信息传输、机载数传设备完成数据收发并上报飞控的引导模式，上述各环节均配备有专用设备完成不同任务[1]。随着现今信息化技术和飞行器性能的发展，迫切需要对上述大闭环引导系统进行性能优化和效率提升，实现环节精简和设备集成，以进一步提升关键指标和舰机作战效能。
基于跟踪雷达和通信雷达原理和应用，本文提出了一种基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达精确测量体制和伪码调相通讯方法，可同时实现基于伪码的高精度测量和舰机实时数据通讯。
2 测量系统组成及原理
为了提高测距测角精度、实现无盲区跟踪引导，系统采用异频收发二次雷达体制实现，由机载应答机和地面雷达两部分组成，各部分组成及原理如图1所示[2]。二次雷达避免了测距、测角闪烁，提高测量精度和稳定性；实时转发，在硬件确定条件下可提高测距精度，避免因应答机处理造成的时间不稳定；异频，避免了同频一次回波杂波干扰，实现了无盲区测量；但该体制也带来了雷达与应答机不相参导致的频偏效应。
1）地面雷达。完成测量询问的发射和应答回波信号接收处理，得到目标相对于雷达的距离、角度信息；完成目标识别和跟踪测量，控制雷达各部分对目标保持连续跟踪；解算目标相对于立项航线的偏差信息或绝对坐标信息，并在下一帧探测电磁波中发送给机载应答机；设备状态监控、对时及系统信息交互。
2）机载应答机。实时对雷达询问信号接收及处理；完成频率校正和身份识别；对雷达通过电磁载波发送的位置或偏差信息进行解算；将准确的偏差信息上报给机载飞控系统；自身状态监控及控制。
3 调相体制通讯信号设计
3.1 系统硬件体制及难点
如图1所示，该系统中采用了基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达体制。上述设计虽提高了测量精度、解决了盲区问题，但二相编码信号是一种多普勒敏感信号，当多普勒无法忽略时将导致多普勒失谐效应[3]，影响测量处理和通信准确性。
（a）
（b）
以发射35GHz为例，目标运动速度在40m/s～110m/s时，对应多普勒频偏在9.7KHz～26KHz。127点GLOD序列，前后补零以后，采用原信号（无多普勒）做脉冲压缩自相关结果如图3（a）所示，达到127；而26KHz多普勒所引起的信号周期为38.5us，对于25.4us的编码时宽，其与发射信号自相关结果如图3（b）所示，只有53左右，大大影响积累峰值。 同理，频率失谐（频偏）在该雷达体制中不但会造成积累损失，还会导致身份识别误判、信息解码错误，对目标测量结果出现较大误差。因此，需要对频率失谐效应寻找解决方法。
3.2 基于二相码调制的伪随机编码设计
研究表明，伪随机码具有自相关性和随机性好、足够的码长和独立地址数（码分多址）、易产生控制、抗干扰侦破的特点，是跟踪测量和通信的较好选择[3]。伪随机码表达式为：
公式1
Gold码是基于m序列优选对产生的，其满足下述不等式
公式2
为了满足雷达高精度测量和信息通讯的双向要求，系统按照上述公式设计了以GOLD码为基础的“GOLD码+相位调制通讯码”的信号波形，如图3所示。其中利用GOLD码的互相关性，前部采用A、B双GLOD码，用于目标频率搜索校正、身份识别和测量；后端根据通讯协议采用二进制编码、二相码调制方式的多个通信码。每个码片宽度0.2us，GOLD码为127位码片；每个通讯码块184位码片，包括18个通讯字节和桢头、校验和等。
4 软件设计及实现方法
4.1 频率校正及补偿
在该二次雷达系统中，测量对象为运动目标、应答机和雷达之间的不相参频偏，导致系统必然存在多普勒失谐效应。为了保证应答机能够准确解算雷达的询问信号和二相载波数据，需要应答机对雷达探测信号进行频率校正。本文将发射编码直接叠加上预调多普勒，并用这个新的编码去和回波信号相关处理，处理得到较窄的准确多普勒通道，并在该通道下完成后端数据码块的信息解算。
以某系统为例，雷达发射频率为f0=24.3GHz、雷达和应答机的频率准确度均为1×10-7，则雷达和应答机频率准确度带来的最大频偏效应f0×（1×10-7）×2=4860Hz；假设目标运动速度范围为-10m/s～60m/s，则在f0频带多普勒频偏为-1620Hz～9720Hz。上述频偏叠加后，引起的多普勒频偏范围为-6480Hz～14580Hz，因此系统频偏校正需覆盖该区域。
为了最大限度节约硬件资源、提高运算效率，采用二级频率校正设计，即利用3.1章节提到的A、B双GOLD码，第一级对A码进行6通道同时处理，每个通道带宽3.6KHz，得到积累峰值最强点的通道数N1；第二级在通道N1上再次分6通道对B码进行同时处理，每个通道600Hz，得到更细分的准确通道数N2。一二级之间采用滑窗处理，仅调节第一级6各通道的频率校正系数对B码处理。利用GOLD码相关积累时，不同频率失谐其积累峰值能量的差异，可将带频偏（失谐）的信号限定在300Hz频偏校正后通道内，频率失谐效应影响将大大降低。详细流程见图4。
如图3所示，频率校正利用了频率失谐对积累幅度的影响效应，发射编码和接收编码的频差越小，积累峰值幅度越大。利用该原理，可实现以下优点：①准确的完成频偏校正，将GOLD码的处理限定在特定的频偏通道内，保证处理和后续信息解码的准确性；②提高压缩信噪比、获得较好增益，有利于提高测距精度和身份识别；③采用滑窗式处理，最大限度节约资源和时间，双级通道可将频偏确定在较窄范围，降低积累损失。
4.2 中频采样及正交变换
假设在每个码片τ=0.2us内为线性调频信号，则叠加f0载频后的实信号的形式为公式5所示。其中，f0为中心载频频率，τ为码片周期，B为信号带宽。
公式5
利用4.1章节频率校正算法确定的通道关系、预调特定多普勒后的本振信号与中频采样信号进行希尔伯特变化实现[4]。假设某信号与f0存在+10.2kHz频偏（即实际接收得到的频率为=f0+10.2kHz），通过双级频率校正后，得到预调频率=（f0+3600*N1+600*N2）kHz=f0+10.0kHz（N1=2，代表粗搜索时的通道数；N2=5，代表精搜索时的通道数），与真实信号仅相差Δf=200Hz。此时，利用sin和cos分别与相乘得到I、Q两路信号。
4.3 I/Q矢量差值比较法提取二相码
采用频率校正方法理论可将回波频偏修正到与本振无限接近，即图5所示的Δf=0Hz。要实现频率校正的绝对对准，要么通道数不变，降低每个通道的搜频宽度，使每个通道足够窄；要么搜频范围不变，增加多路搜频通道，使多级搜频后每个通道足够窄。但实际工程应用中，受资源限制和搜频范围的需要，往往无法保证Δf=0Hz，即在频偏校正后每个通道内依然存在较小的频率偏差。
如图5、图6所示，在对Δf=200Hz的回波通过中频采样和正交变换处理后发现：①其I/Q两路幅度受频差影响，幅度不如图5稳定，存在波动，影响利用门限提取二相码0、1值；②I/Q两路在圆圈A、B处相位跳变不稳定，造成符号位解析模糊，易出现信息误判。
当出现图6所示现象时，则最终解码存在如图7所示（图8为正确解码结果）的局部乱码，并最终造成后续解码错误。虽通过校验和可丢舍掉该桢数据包，但易造成丢帧较多、数据包不够的现象，影响数据实时率和准确性。
根据I/Q生成原理，I/Q复数信号是公式5实信号的分解，故I/Q绝对能量值和基本为常值。利用该特性，分别对I/Q复数信号进行矢量判断，并将I/Q能量绝对值进行叠加。上述I、Q实际采样点存在同相、反相，但不管矢量符号如何变化，其能量值得到了加强，如图9。图7中经过I/Q矢量差值处理后，其幅度值稳定、二相码相位跳变消除，对其解析可得到图8所示的正确二相码信息。
对图9所示二相码信息按照约定的协议进行处理后，若桢头桢尾及校验和均符合协议要求，则视其为正确信息，由应答机通过FPGA芯片端口发送给系统或上位机，从而实现雷达与系统的舰机通讯。
5 實例测试验证
基于本文提到的“基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达体制”和频率校正及相位差值求解方法，在某型雷达系统中进行了实测应用。该系统组成如第2章节所述，应答机主要应用了图3波形信号和第4章节处理方法；雷达主要利用了4.1章节方法，用于提高积累增益和脉压峰值的准确性。
利用图10所示，根据信号设计和通讯协议，预先编制不同的通讯和波形信息（二进制），通过计算机将该波形录入矢量信号源。通过信号源条件输出信号幅度和频率，由应答机对其进行处理计算，并将解算结果上报计算机的检测软件。由监测软件分别对比录入信号源的信息和应答机解算信息是否一致。录入信息包含了A、B码+3组不同信息的组合码，频偏设置有-10KHz、0KHz、+5KHz、+10KHz，幅度固定为-5dBm。统计监测软件记录的多次实测样本，所得通讯信息准确率达到100%，满足精密引导雷达测量及通讯引导需求。
6 结束语
本文针对精密引导雷达高精度测量和高可靠性舰机通讯需求，开展了“基于二相码调制的GOLD序列伪随机编码异频二次雷达系统体制”模型建立和研究，在硬件处理资源有限的基础提出了特殊的信息波形设计、多级频率校正、I/Q差值比较信息解析等方法，实现了对GOLD序列伪随机编码在多普勒失谐效应下的积累处理和通讯，解决了精密引导雷达测量精度提升和GOLD序列调相码信息解析之间的矛盾。通过实际建模仿真、系统外场试飞测试等数据支撑，验证了该系统及处理方法的可行性、有效性，对后续类似雷达系统研究、GOLD序列调相码信息解析具有一定指导意义。
参考文献：
[1]周煜、伍逸夫、赵峰，航母着舰引导系统概述，舰船电子工程，2011年第11期。
[2]张明友.汪学刚. 雷达系统，2006.1。
[3]【英】Clive Alabaster著，张伟、刘洪亮等译.脉冲多普勒雷达：原理、技术与应用，国防电子信息技术丛书。
[4]丁鹭飞、耿富录.雷达原理.西安电子科技大学，2004年1月。