罗兰C导航系统是一种中远程低频无线电导航系统，属于陆基、脉冲相位调制导航方式^{[ 1 ]}。导航台发射的电磁波是垂直极化波，可分为垂直电场信号和水平磁场信号两部分，二者正交传播。在空气中，垂直电场信号要强于水平磁场信号，所以传统方法都采用3米鞭状直立天线来接收垂直电场信号进行定位导航。实际上，采用磁天线接收水平磁场信号进行定位导航具有较为显著的优点，主要体现在以下几点：第一，磁天线具有更长的天线有效高度，相对于信号的波长来说，传统的鞭状天线属于电小天线，接收信号效果并不理想，而采用磁棒上绕制线圈的磁天线可以接收电磁信号中的磁场信号，在天线体积保持在使用条件下，天线的有效长度可以设计得很长，接收效果可以强于电天线；第二，罗兰C磁天线体积小、不需要良好的接地，是与北斗天线和GPS天线组合收信的最佳选择，也是罗兰C成为北斗二代卫星导航系统战略备份的发展趋势^[2,3]；第三，磁天线抗静电沉积效应强，在雷、雨、雾、雪等恶劣天气条件下具有稳定的接收性能，具有更强的环境适应能力^{[ 4 ]}。因此，研究全向磁天线具有广泛的应用领域和参考价值。

我国关于罗兰C磁天线的研究尚处于起步阶段，而国外关于磁天线的研究显著早于我国。以早在上世纪七十年代，美国就在其拖曳天线上采用了磁天线技术^{[ 5 ]}，最近十年又将磁天线技术往罗兰C接收机上移植。目前国际上新型罗兰C接收机已普遍采用高灵敏小型化磁天线，尤其是将磁天线与GPS天线组合，结合授时、测向以及ASF修正等功能，构建天地一体化的无线电导航系统，极大增加了用户设备导航定位的冗余能力^{[ 6 ]}。

单棒磁天线具有方向性，要想实现全向收信，必须采用多根磁棒同时接收信号并进行信号合成处理。而单棒磁天线在接收信号时，对立波瓣信号具有相位相反的特性，这就给信号合成带来了麻烦。本文主要针对全向磁天线设计环节中的信号合成部分展开研究。

全向磁天线两路信号合成不仅要完成信号幅度的合成，还要完成信号的相位合成。由于单棒磁天线的方向性和相位特性，使得两根磁棒接收相同台站发射信号的相位会发生180˚的改变，由此导致罗兰C台链信号的合成变得复杂^{[ 9 ]}。

针对这种情况，本文设计了基于幅度叠加的全向磁天线信号合成方法。该方法在信号合成过程中消除了相位变化的影响，只需简单改变接收机内部处理程序，就能实现合成信号的搜索、跟踪、识别和定位解算。

幅度叠加信号合成算法原理如图3所示。

两根正交放置的单棒磁天线感应到的信号经前置低噪声放大器放大、模拟带通滤波器滤波、自动增益放大器放大等信号调理过程后，对两个通道的模拟信号进行模数转换，完成双通道信号的数字量化；数字量化后的两路数字信号由高性能可编程逻辑器件FPGA进行处理，分别完成信号的数字滤波、数字陷波、数字移相等过程，完成两路信号的数字调理过程。在对信号调理的基础上，完成信号合成的第一步，对信号取绝对值，完成|dataA|和|dataB|运算，此举可将信号的相位特性消除；然后完成信号合成的第二步，幅度叠加，完成|dataA| + |dataB|运算，得到幅度叠加合成信号；合成信号输出供罗兰C接收机使用。

假设罗兰C台链分布情况及磁天线的放置情况如图4所示。主台信号、副台2信号到达磁天线时，位于磁天线的第Ⅰ象限；副台1信号到达磁天线时，位于磁天线的第Ⅳ象限。各台站发射信号的波形图和相位

图2. 全向磁天线象限分布

图3. 幅度叠加信号合成流程

图4. 台站及磁天线布置情况

编码情况如图5所示，向上突起表示载波起始相位为0 rad，为正相位编码，用“+”表示；向下突起表示载波起始相位为π rad时，为负相位编码，用“–”表示。

对于A、B磁棒来说，由于单棒磁天线的方向性和相位特性，其接收三个台站的信号的幅度和相位编码都会发生改变，其信号幅度和相位编码情况如图6所示。

信号合成的第一步：对信号取绝对值。

完成|dataA|和|dataB|运算，此举可将信号的相位特性消除，所得的结果如图7中所示。

此时罗兰C信号的波形已经发生了改变，信号的相位特性已经不再包含在信号波形中，包络形状也不再是“鱼”形，其波形如图8所示。对于现有接收机来说，这种包络形状难以完成信号的搜索、跟踪和定位解算，必须根据信号的形状设计一种新的算法，才能使用要求。

图5. 发射信号的波形图和相位编码情况图

图6. 信号dataA，dataB幅度和相位情况

图7. |dataA|和|dataB|波形图

图8. data同|data|波形比较

信号合成的第二步：幅度叠加。

完成|dataA| + |dataB|运算，所得的结果如图9中所示。

利用自制的罗兰C全向磁天线接收东海台链的导航台信号，GRI = 83900 μs，该台链的台站和接收地点的分布情况及磁天线的放置情况如图10所示。

由图中可以看出，接收信号地点距离主台——宣城台最近，距离第一副台——饶平台较远，距离第二副台——荣成台最远；磁天线接收信号时，宣城台和荣成台信号位于全向磁天线的第一象限，饶平台信号位于第二象限。

双通道采集的数据dataA和dataB的原始数据及其相位情况如图11所示，采样率为1 M，数据长度为

图9. 幅度叠加合成信号

图10. 台站、接收地点及磁天线位置分布图

图11. dataA和dataB原始信号

10 M，图中显示信号只为一个GRI的信号。由于各台链之间信号的分布关系，在该段GRI信号中，会有其他台链导航台发射的信号，如宣城台是一个双工台，既发射东海台链的主台信号，又发射北海台链的副1台信号。图中对东海台链的信号进行了标注，信号合成过程中，只是针对东海台链的信号进行处理，其他台链的信号可以不予考虑。

信号合成的第一步：对信号取绝对值。

完成|dataA|和|dataB|运算，此举可将信号的相位特性消除，所得的结果如图12中所示。

信号合成的第二步：幅度叠加。

完成|dataA| + |dataB|运算，所得的结果如图13中所示。

图12. |dataA| + |dataB|信号波形

图13. 幅度叠加合成信号波形

为了衡量合成信号定位结果的精确性，实现对幅度叠加合成信号的时差解算，本文在现有接收机时差测量程序的基础上进行修改，以满足幅度叠加合成信号的时差测量要求，采用该程序算得幅度叠加合成信号的定位时差分别为TD1 = 14988.559097 μs、TD2 = 33426.903251 μs。多种罗兰C接收机的多次试验结果表明，本地8390台链的实际测量时差为TD1 = 14988.5 μs，TD2 = 33427 μs，二者分别相差0.059097 μs与–0.096749 μs，充分证明基于幅度叠加的信号合成方法的正确性与有效性。

单棒磁天线由于其接收信号的方向性，导致其无法完成全方位接收某一台链三个导航台的信号，要实现全方位接收罗兰C信号，必须采用多根不同方向放置的磁棒接收信号，然后进行信号合成。由于单棒磁天线的相位特性，多根不同方向放置的磁棒在接收某一台站的信号时，相位会不同，如果采用模拟合成信号的方法，难以解决同一台站信号相位相反的问题，这就必须采用数字信号合成方法。本章提出了幅度叠加信号合成算法，在信号合成过程中消除了相位变化的影响，只需简单改变接收机内部处理程序，就能实现合成信号的搜索、跟踪、识别和定位解算。通过仿真数据和实测数据的验证，本章提出的信号合成算法都能获得较好的效果。该算法在FPGA中实现简单，处理过程快速，具有较强的使用价值，已经在所研制的全向磁天线中得到了使用。

[ 1 ]       王孝通. 航海基础[M]. 北京: 海潮出版社, 2006: 372.

[ 2 ]       姜弢, 郭黎利, 张朝柱等. 无线电导航系统现状与发展趋势[J]. 舰船电子工程, 2001, 126(6): 2-6.

[ 3 ]       汪捷, 李川章, 梁尔冰等. 增强罗兰技术分析及评估[J]. 舰船电子工程, 2009, 29(8): 37-41.

[ 4 ]       W. J. Pelgrum. New potential of low-frequency radio navigation in the 21st Century. Ohio University, 2006: 10-179.

[ 5 ]       P. Hannon, Z. K. Ren, P. Schick and J. Weikert. Use of a Single Analog-to-Digital (ADC) converter for dual-loop loran H-field Antenna. Chesapeake: Locus, Inc., 2000. http://www.locusinc.com

[ 6 ]       J. Schliem, L. Roth and P. Schick. Development and status of H-field Antenna and DSP-Loran receiver for FAA loran program. Federal Aviation Administration Broad Information Technology Services (BITS), 2001.

[ 7 ]       J. Galejs. Terrestrial propagation of long electromagnetic waves. New York: Pergamon Press, 1972: 299-336.

[ 8 ]       B. Michaell. Elf communication antennas. London and Northampton: Peter Peregrines Ltd Press, 1978: 167-182.

[ 9 ]       G.-H. Cui, J. N. Xu and J. Zhou. Research on signal synthesis of Loran-C omni-directional H-field antenna with high-precision digital phase shift algorithm. 2010 Second International Conference on Future Computer and Communication, Shanghai, 2010: 113- 117.