• صفحه اصلی
  • استخراج پیام در استاندارد پالس نهم سیستم ناوبری eLoran

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : 1402122446154 بازدید : 179 صفحه: 174 - 184

نوع مقاله: پژوهشی

استخراج پیام در استاندارد پالس نهم سیستم ناوبری eLoran

محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر

مهری لطفعلی زاده 1 , مرتضی شفیعی نیستانک 2 , محمد باقر نظافتی 3

1 - دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، تهران، ایران
2 - دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، تهران، ایران
3 - پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1402/12/24 تاریخ پذیرش : 1403/06/13

کلید واژه: پالس نهم, شیفت ‌پوش, شیفت ‌فاز, لورن بهبودیافته (eLoran), مدولاسیون مکان پالس (PPM).,

چکیده مقاله :

در سیستم لورن بهبودیافته (eLoran) مبتنی بر پالس نهم، به‌منظور افزودن سازوکار انتقال داده به سیستم ناوبری، پالسی به گروه پالس‌های ناوبری افزوده شده که حاوی پیام است. استخراج پیام از سیگنال لورن شامل دو مرحله محاسبه تأخیر زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی آن و کدبرداری داده است. در این مقاله روشی برای استخراج پیام سیگنال لورن در استاندارد پالس نهم پیشنهاد شده است. برای این منظور تأخیر زمانی پالس داده در دو مرحله شیفت‌ پوش و شیفت ‌فاز با استفاده از فیلترهای منطبق و تأخیر کسری محاسبه می‌شود. سپس کدبردار رید سولومون (RS) بر روی سمبل‌ها اعمال و نهایتاً پیام استخراج می‌گردد. همچنین در مقاله به منظور بهبود تخمین تأخیر پالس، به‌خصوص در محیط‌های نویزی و در حضور تداخلات، پالس مرجع به صورت میانگین هشت پالس قبل از پالس داده پیشنهاد شده و به این ترتیب پالس مرجع برای استخراج هر سمبل متفاوت خواهد بود. مطابق نتایج ارزیابی، نرخ خطا قبل از کدبرداری حدود 08/0 تا 003/0 در نسبت سیگنال به نویزهای 7 تا 15 دسی‌بل است که بعد از تصحیح خطای کدبرداری به طور محسوسی کاهش می‌یابد.

چکیده انگلیسی:

In the Standard of 9th pulse enhanced Loran (eLoran) system, an additional pulse is incorporated into the navigation pulse group for data transmission. The process of extracting messages from the Loran signal involves two stages: first, determining time delay of the data pulse relative to its original position, and second, decoding the data. This paper proposes a method for message extraction using the 9th pulse standard. Time delay of the data pulse is calculated in two steps, involving envelope shift and phase shift utilizing matched and fractional filters, respectively. Following this, Reed-Solomon (RS) decoding is applied, leading to final message extraction. Furthermore, to enhance pulse delay estimation, particularly in noisy and interference conditions, the reference pulse is chosen as average of the eight pulses preceding the data pulse, resulting in a unique reference pulse for each symbol extraction. Evaluation results show that the error rate before decoding decreases from 0.08 to 0.003 as the signal-to-noise ratio increases from 7 to 15 dB, with a significant reduction in errors after RS correction.

منابع و مأخذ:

[1] Z. Zuo, X. Qiao, and Y. Wu, "Concepts of comprehensive PNT and related key technologies," in Proc. of the Int. Conf. on Modeling, Analysis, Simulation Technologies and Applications, pp. 365-370, Hangzhou, China, 26-29 2019.
[2] W. Pelgrum and C. Schue, Navigation with Low‐Frequency Radio Signals, Position, Navigation, and Timing Technologies in the 21st Century, 1st Ed, pp. 1281-1333, 2021.
[3] Y. Yang, X. Ren, X. Jia, and B. Sun, "Development trends of the national secure PNT system based on BDS," Sci. China Earth Sci., vol. 66, no. 5, pp. 929-938, May 2023.
[4] C. Yang, S. Li, and Z. Hu, "Analysis of the development status of eLoran time service system in China," Applied Sciences, vol. 13, no. 23, Article ID: 12703, Nov. 2023.
[5] J. Li and H. Wu, "The Loran-C pseudorange positioning and timing algorithm based on the vincenty formula," Remote Sensing, vol. 16, no. 17, Article ID: 3227, Aug. 2024.
[6] Available online: https://rntfnd.org/wp-content/uploads/eLoran-Definition-Document-0-1-Released.pdf International Loran Association, Enhanced Loran (eLoran) Definition Document, Version 1.0, Jan. 2007.
[7] A. P. Grunin, S. V. Sai, and B. P. Zakirov, "All-in-view time difference solution for eLoran," in Proc. Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems, 4 pp., St. Petersburg, Russia, 13 May-4 Jun. 2021.
[8] P. W. Son, S. G. Park, Y. Han, and K. Seo, "ELoran: resilient positioning, navigation, and timing infrastructure in maritime areas," IEEE Access, vol. 8, pp. 193708-193716, 2020.
[9] S. Lo, B. Peterson, P. Enge, and P. Swaszek, "Loran data modulation: extensions and examples," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 43, no. 2, pp. 628-644, Apr. 2007.
[10] B. B. Peterson, C. A. Schue, J. M. Boyer, and J. R. Betz, "Enhanced Loran-C data channel project," in Proc. of the Int. Symp. on Integration of Loran-C/Eurofix and EGNOS/Galileo, pp. 186-197, Bonn, Germany, 20-21 Feb. 2001.
[11] S. C. Lo and P. Enge, "Analysis of the enhanced loran data channel," in Proc. of the Int. Symp. on Integration of Loran-C/Eurofix and EGNOS/Galileo, pp. 159-168, Bonn, Germany, 20-21 Feb. 2001.
[12] D. Van Willigen, G. W. A. Offermans, and A. W. S. Helwig, "Eurofix: definition and current status," in Proc. of the IEEE 1998 Position Location and Navigation Symp., pp. 101-108, Palm Springs, CA, USA, 20-23 Apr. 1996.
[13] T. H. Jorgensen, "Loran-C/eurofix in europe-status and future plans," in Proc. of the 13th Int. Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, pp. 2464-2467, Salt Lake City, UT, USA, 19-22 Sept. 2000.
[14] E. E. Elsayed, "Performance enhancement in FSO relay systems with MISO via multi-hop M-ary PPM integrating and spatial modulation over gamma-gamma channels," J. Opt., vol. 2024, 16 pp., 2024.
[15] L. Hartshorn, P. Swaszek, G. Johnson, M. Wiggins, and R. Hartnett, "Performance of Loran-C 9th pulse modulation techniques," in Proc. of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation, pp. 384-395, Monterey, CA, USA, 18-20 Jan. 2006.
[16] P. W. Son and T. Hyun Fang, "Enhancing coastal air navigation: eloran 3-D positioning and cycle slip mitigation," IEEE Access, vol. 12, pp. 100230-100239, 2024.
[17] C. Yang, X. Guo, S. Li, and Z. Hu, "Design and performance evaluation of eloran monitoring system," Applied Sciences, vol. 14, no. 16, Article ID: 7350, Aug. 2024.
[18] W. Ma, J. Gao, Y. Yuan, Z. Shi, and X. Xi, "Suppression of continuous wave interference in Loran-C signal based on sparse optimization using tunable Q-factor wavelet transform and discrete cosine transform," Sensors, vol. 21, no. 21, Article ID: 7153, Oct. 2021.
[19] ا. عفیفی، ا. خرمی و س. عزیزی، "بهبود الگوريتم گيرنده داده لورن برای کانال های نويزی،" صنایع الکترونیک، سال 11، شماره 2، صص. 41-33، تابستان 1399.
[20] S. C. Lo and P. Enge, "Data transmission using Loran-C," in Proc. of the Int. Loran Association 29th Annual Meeting, 11 pp., Washington, DC, USA, Nov. 2000.
[21] S. C. Lo, B. B. Peterson, and P. K. Enge, "Loran data modulation: a primer," IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 22, no. 9, pp. 31-51, Sept. 2007.
[22] S. F. Li, Y. L. Wang, Y. Hua, and Y. L. Xu, "Research of Lloran-C data demodulation and decoding technology," Chin. J. Sci. Instrum, vol. 33, no. 6, pp. 1407-1413, Jun. 2012.
[23] J. Yuan, W. Yan, S. Li, and Y. Hua, "Demodulation method for Loran-C at low SNR based on envelope correlation-phase detection," Sensors, vol. 20, no. 16, Article ID: 4535, Aug. 2020.
[24] B. Lyu, Y. Hua, W. Yan, J. Yuan, and S. Li, "Data demodulation algorithm of enhanced Loran system," in Proc. Int. Conf. on Electronic Information Technology, Article ID: 1225434, Chengdu, China, 19-21 May 2022.
[25] K. Zhang, F. Yang, W. Wang, and X. Ye, "Eloran signal message prediction algorithm based on Alexnet‐ECA," IET Radar, Sonar & Navigation, vol. 18, no. 3, pp. 500-513, Mar. 2024.
[26] Z. Zhao, et al., "Measurement and analysis of Loran-C sky waves throughout the day," Electronics, vol. 13, no. 7, Article ID: 1240, Mar. 2024.
[27] SAE International, SAE 9990: Transmitted Enhanced Loran (eLoran) Signal Standard, 2018.
[28] Q. Liang, W. Xiong, and Y. Li, "Research on modulation technique of high-speed Loran-C data channel," in Proc. 8th In. Conf. on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 3 pp., Shanghai, China, 21-23 Sept. 2012.
[29] C. Yang, Y. Wang, S. Li, and W. Yan, "Experimental study of a signal modulation method to improve eLoran data channel communications," Sensors, vol. 20, no. 22, Article ID: 6504, Nov.- 2 2020.
[30] D. P. F. Swaszek, et al., "Improved signal processing methodologies for the loran data channel," in Proc. of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation, pp. 948-959, San Diego, CA, USA, 28-30 Jan. 2008.
[31] K. Dykstra and B. Peterson, "The Loran data channel: progress to date and future plans," in Proc. of 35th Annual Technical Symp., Int. Loran Association, Groton, 8 pp., San Diego, CA, USA, 22-25 Oct. 2006.
[32] P. W. Son, S. Lee, T. H. Fang, and K. Seo, "Analysis of LDC message reception performance of korean eLoran pilot service according to modulation methods," J. of Navigation and Port Research, vol. 46, no. 6, pp. 525-529, Dec. 2022.
[33] B. Peterson, K. Dykstra, D. Lown, and K. Shmihluk, Loran Data Channel Communications Using 9th Pulse Modulation, Peterson Integrated Geopositioning, LLC, and USCG Loran Support Unit, White Paper, Version 1.3, 20 Oct. 2006.
[34] S. Mamidi, D. Iancu, A. Iancu, M. J. Schulte, and J. Glossner, "Instruction set extensions for Reed-Solomon encoding and decoding," in Proc. IEEE Int. Conf. on Application-Specific Systems, Architecture Processors, pp. 364-369, Samos, Greece, 23-25 Jul. 2005.
[35] W. Liu, Z. Jiang, Z. Huang, L. Song, and H. Hou, Reed-Solomon Codes over Cyclic Polynomial Ring with Lower Encoding/Decoding Complexity, arXiv preprint arXiv: 2405.01043, May 2024.
[36] P. Mursanto, "Performance evaluation of Galois field arithmetic operators for optimizing Reed Solomon codec," in Proc. Int. Conf. on Instrumentation, Communication, Information Technology, and Biomedical Engineering, 6 pp., Bandung, Indonesia, 23-25 Nov. 2009.
[37] S. Nabipour, "Arithmetic Operators over Finite Field GF(2m) for Error Correction Codes Application," arXiv e-prints arXiv-2310, Oct. 2023.
[38] K. Carroll, et al., "Differential Loran-C," in Proc. of GNSS, the European Navigation Conf., 15 pp., Rotterdam, Netherland, May 2004.
[39] W. Yan, K. Zhao, S. Li, X. Wang, and Y. Hua, "Precise Loran-C signal acquisition based on envelope delay correlation method," Sensors, vol. 20, no. 8, Article ID: 2329, Apr.-2 2020.
[40] J. Safar, P. Williams, A. Grant, and F. Vejrazka, "Analysis, modeling, and mitigation of cross-rate interference in eLoran: analysis of cross-rate interference in eloran," J. Inst. Navig., vol. 63, no. 3, pp. 295-319, Sep. 2016.
[41] C. Lubeigt, F. Vincent, L. Ortega, J. Vilà-Valls, and E. Chaumette, "Approximate maximum likelihood time-delay estimation for two closely spaced sources," Signal Processing, vol. 210, no. C, Article ID: 109056, Sept. 2023.
[42] Y. Zhang, Y. Jin, Y. Wu, C. Hao, and D. Orlando, "Sparsity-based time delay estimation through the matched filter outputs," IEEE Signal Processing Letters, vol. 29, pp. 1769-1773, 2022.
[43] C. L. Boyce, J. D. Sherman Lo, and P. E. Powell, Analysis of Noise and Cycle Selection in a Loran Receiver, Stanford University, 2001.
متن کامل:
معرفي يک روش جديد خوشه‌يابي خودکار

174                                                                                                نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 22، شماره 3، پاییز 1403

مقاله پژوهشی

استخراج پیام در استاندارد پالس نهم سیستم ناوبری eLoran

مهری لطفعلی‌زاده، مرتضی شفیعی و محمدباقر نظافتی

 

 

1 

چکیده: در سیستم لورن بهبودیافته (eLoran) مبتنی بر پالس نهم، به‌منظور افزودن سازوکار انتقال داده به سیستم ناوبری، پالسی به گروه پالس‌های ناوبری افزوده شده که حاوی پیام است. استخراج پیام از سیگنال لورن شامل دو مرحله محاسبه تأخیر زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی آن و کدبرداری داده است. در این مقاله روشی برای استخراج پیام سیگنال لورن در استاندارد پالس نهم پیشنهاد شده است. برای این منظور تأخیر زمانی پالس داده در دو مرحله شیفت‌ پوش و شیفت ‌فاز با استفاده از فیلترهای منطبق و تأخیر کسری محاسبه می‌شود. سپس کدبردار رید سولومون (RS) بر روی سمبل‌ها اعمال و نهایتاً پیام استخراج می‌گردد. همچنین در مقاله به منظور بهبود تخمین تأخیر پالس، به‌خصوص در محیط‌های نویزی و در حضور تداخلات، پالس مرجع به صورت میانگین هشت پالس قبل از پالس داده پیشنهاد شده و به این ترتیب پالس مرجع برای استخراج هر سمبل متفاوت خواهد بود. مطابق نتایج ارزیابی، نرخ خطا قبل از کدبرداری حدود 08/0 تا 003/0 در نسبت سیگنال به نویزهای 7 تا 15 دسی‌بل است که بعد از تصحیح خطای کدبرداری به طور محسوسی کاهش می‌یابد.

 

کلیدواژه: پالس نهم، شیفت ‌پوش، شیفت ‌فاز، لورن بهبودیافته (eLoran)، مدولاسیون مکان پالس (PPM).

1-       مقدمه

سیستم موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌بندی 2(PNT) از زیرساخت‌های کلیدی هر کشوری است. ناوبری لورن 3(Loran)، یکی از سیستم‌های PNT زمینی با دقت مناسب است که دارای مزایای انتشار در فواصل بسیار طولانی، فرکانس کاری کم (100 کیلوهرتز) و توان ارسالی بالا (از چند صد کیلووات تا چند مگاوات) می‌باشد [1] و [2]. گرچه با توسعه سامانه‌های ناوبری ماهواره‌ای 4GNSS، ناوبری‌های زمینی به تدریج برتری خود را از دست دادند، اما در دهه‌های اخیر با ظهور جنگ‌های نوین الکترونیک مانند جنگ ناوبری و جنگ زمان‌بندی و همچنین آشکارشدن آسیب‌پذیری GNSS نسبت به اخلال و فریب، کشورهای توسعه‌یافته ناوبری زمینی خود را ارتقا داده و به عنوان پشتیبان سامانه‌های GNSS مورد استفاده قرار می‌دهند [3] تا [5]. لورن، یک سامانه ناوبری رادیویی با مجموعه‌ای از فرستنده‌های پرتوان زمینی می‌باشد که سیگنال‌های مشابه مدولاسیون دامنه (AM) را به صورت تقسیم زمانی (TDMA) ارسال می‌کند. گیرنده‌های سامانه نیز در بخش‌های دریایی، هوایی و زمینی، موقعیت خود را با دریافت و مقایسه امواج رادیویی ارسال‌شده از فرستنده‌های ثابت به‌دست می‌آورند. استاندارد لورن بهبودیافته 5(eLoran) برای افزایش قابلیت‌های سیستم Loran-C که آخرین نسخه بدون کانال داده از لورن است، توسعه یافته و در آن، کانال داده 6(LDC) نیز با نرخ محدود به سیگنال فرستنده اضافه شده است [6] تا [8].

اگرچه مدولاسیون داده در سیستم‌های مخابراتی روش‌های مختلفی دارد، ولی فقط برخی از آنها برای سیستم لورن مناسب است. در سیستم لورن، مدولاسیون داده باید با ساختار فرستنده سازگار بوده و قابلیت‌های ناوبری و زمان‌بندی سیستم را حفظ کند و از طرف دیگر با سیستم‌های قدیمی‌تر نیز سازگار باشد. برای این منظور سه روش مدولاسیون‌ قابل استفاده هستند. روش اول 7IFM نامیده می‌شود که در آن برای ایجاد شیفت فاز، فرکانس پالس‌ها تغییر می‌کند. اگرچه این روش نرخ انتقال داده و عملکرد خطای خوبی دارد، پیاده‌سازی آن در فرستنده‌های لورن چالش‌برانگیز است [9]. روش دوم، مدولاسیون مکان پالس 8(PPM) است. در این روش شیفت محدود زمانی در مکان پالس مجاز است و بنابراین نرخ انتقال داده‌ محدودی دارد. استاندارد اروپایی انتقال داده eLoran که یوروفیکس9 نامیده می‌شود، بر مبنای روش مدولاسیون 
S-PPM3 یا PPM سه‌حالته10 روی پالس‌های سوم تا هشتم هر فرستنده است. در روش سوم که 11SIM نامیده می‌شود، پالس‌های جدیدی به سیستم اضافه شده و انتقال داده به یکی از دو روش بیان‌شده انجام می‌گردد. اشکال این روش ناسازگاری آن با سیستم‌های قدیمی‌تر است [10] تا [13].

استاندارد آمریکایی انتقال داده eLoran که استاندارد پالس نهم نامیده می‌شود، با اضافه‌کردن یک پالس پس از پالس هشتم و بر مبنای روش مدولاسیون S-PPM32 یا PPM 32حالته تعریف شده است [14] و [15]. در سیستم eLoran داده‌های محدود که به صورت پیام‌های مختلف تعریف شده، قابل انتقال است. این پیام‌ها به‌منظور انتقال زمان هماهنگ جهانی 12(UTC)، بهبود دقت موقعیت‌یابی، شناسایی فرستنده و ... به کار می‌روند. فرستنده پیام‌ها را تولید و در کانال داده برای گیرنده ارسال می‌کند. گیرنده نیز به‌منظور دریافت پیام و استفاده از آن باید داده را استخراج نماید [16] و [17].

 

[1] این مقاله در تاریخ 24 اسفند ماه 1402 دریافت و در تاریخ 31 شهریور ماه 1403 بازنگری شد.

مهری لطفعلی‌زاده، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، تهران، ایران، (email: lotfalizadeh@mut.ac.ir).

مرتضی شفیعی (نویسنده مسئول)، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، تهران، ایران، (email: mshafiee@mut.ac.ir).

محمدباقر نظافتی، پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، تهران، ایران،
(email: nezafati@ipm.ir).

[2] . Positioning, Navigation, and Timing

[3] . LOng RAnge Navigation

[4] . Global Navigation Satellite Systems

[5] . Enhanced Loran

[6] . Loran Data Channel

[7] . Intra-Pulse Frequency Modulation

[8] . Pulse Position Modulation

[9] . Eurofix

[10] . Tri-State PPM

[11] . Supernumerary Inter-Pulse Modulation

[12] . Coordinated Universal Time

img0 

شکل 1:  مقایسه استانداردهای Loran-C، یوروفیکس و پالس نهم.

 

 

در این مقاله روش جدیدی برای استخراج پیام‌های ارسالی در گیرنده با استاندارد پالس نهم پیشنهاد شده است. بررسی‌ها نشان می‌دهند که روش پیشنهادی در محیط‌های نویزی دارای عملکرد مناسبی است.

در بخش دوم، فعالیت‌های پیشین مرتبط با مقاله بررسی شده است. استاندارد پالس نهم و خصوصیات پالس حاوی داده در بخش سوم معرفی می‌شود. در بخش چهارم نیز روش پیشنهادی مقاله جهت استخراج پیام، ارائه و در بخش پنجم نتایج حاصل از پیاده‌سازی روش پیشنهادی، بررسی و ارزیابی شده است. در نهایت مقاله با بخش جمع‌بندی و پیشنهادهایی برای ادامه کار در بخش ششم خاتمه می‌یابد.

2-       فعالیت‌های مرتبط

در بیشتر مطالعات حوزه لورن، توجه زیادی به تشخیص محل عبور از صفر پالس‌ها و حذف تداخلات شده است [18] و [19]. با این حال با اضافه‌شدن کانال داده، دمدولاسیون سیگنال و استخراج پیام اهمیت بیشتری پیدا کرده است.

در [20] دو روش PPM و IFM برای انتقال داده در سیستم لورن معرفی و فیلتر منطبق1 برای دمدولاسیون کانال داده لورن پیشنهاد شده است. تحلیل‌ها روی سیگنال img0تایی انجام شده و منحنی نرخ احتمال خطای بیت به دست آمده است. روش پیشنهادی این مرجع برای دمدولاسیون داده استاندارد یوروفیکس از فیلترهای منطبق روی سیگنال بدون تأخیر، سیگنال‌های با تأخیر ۱ میکروثانیه و سیگنال‌های با تقدم 
۱ میکروثانیه استفاده کرده و با مقایسه خروجی فیلترها در لحظه نمونه‌برداری، داده دمدوله شده و همچنین کران خطای روش در کانال گوسی به صورت تحلیلی به دست آمده است. در [21] سیستم مدولاسیون بیان‌شده در [20] توسعه یافته و روش SIM نیز مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین اثر تداخلات بین زنجیره‌ای2 و موج‌ آسمانی3 در عملکرد مدولاسیون‌های بیان‌شده، تحلیل گردیده است.

در [22] از تکنیک مقایسه فاز برای دمدولاسیون داده استاندارد یوروفیکس استفاده شده که در آن فاز نمونه‌های دو پالس اول به عنوان مقادیر مرجع استفاده گردیده است. سپس فاز پالس‌های حاوی داده با فاز پالس‌های مرجع مقایسه و بر اساس آن داده‌ها دمدوله می‌شوند.

در [23] دو روش مختلف برای دمدولاسیون داده یوروفیکس ارائه شده و روش دمدولاسیون مناسب‌تر برحسب سطح نویز انتخاب می‌شود. در روش اول از همبستگی متقابل4 بین پالس اول و پالس‌های داده استفاده شده و پردازش متوسط متحرک 5(MA) قبل از تابع همبستگی به کار رفته است. در روش دوم از همبستگی منطبق 6(MC) بر روی پالس مرجع اول و پالس‌های حاوی داده استفاده می‌شود. در هر دو روش با مقایسه فاز خروجی توابع همبستگی با مقادیر آستانه، داده دمدوله شده است.

در [24] دو پیاده‌سازی مختلف از روش فیلتر منطبق برای دمدولاسیون داده استاندارد یوروفیکس بیان شده است. در هر دو پیاده‌سازی، فیلتر منطبق بر اساس پالس‌های بدون تأخیر، با تأخیر و با تقدم مورد استفاده قرار گرفته و پالس حاوی داده پس از عبور از فیلترهای مذکور، نمونه‌برداری می‌شود. در روش اول با انتخاب حداکثر مقدار در خروجی فیلتر، داده دمدوله می‌شود؛ اما در روش دوم در خروجی فیلتر، تابع احتمالات برای مقادیر مختلف بیت‌ها محاسبه و با مقایسه نسبت احتمالات لگاریتمی، داده دمدوله می‌گردد.

در [25] یک الگوریتم یادگیری عمیق برای پیش‌بینی داده سیگنال eLoran پیشنهاد شده که در آن با تبدیل سیگنال یک‌بعدی به تصویر دوبعدی و استفاده از شبکه 7CNN، داده شناسایی شده است.

روش‎های ارائه‌شده در مراجع مذکور بر روی کانال داده با استاندارد یوروفیکس اعمال شده که سیگنال‌دهی متفاوتی با استاندارد پالس نهم که در این مقاله مورد نظر است، دارد. در این مقاله با توجه به استفاده از استاندارد پالس نهم در سامانه لورن بسیاری از مناطق، روش نوینی برای استخراج پیام در استاندارد پالس نهم پیشنهاد داده‌ایم.

3-       استاندارد داده پالس نهم

سامانه ناوبری eLoran زنجیره‌ای از یک فرستنده اصلی8 و چندین فرستنده ثانویه (پیرو9) است و در آن سیگنال فرستنده‌ها به صورت رشته پالسی متناوب با دوره تناوب 10img0 برابر با img0 ارسال می‌شود که در آن img0 دوره تناوب گروهی11 نامیده شده و ضریبی از ۱۰ میکروثانیه است. هر دوره دارای دو گروه پالس img0 و img0 با فاصله زمانی img0 بوده و هر گروه دارای ۸ (در فرستنده ثانویه) یا ۹ (در فرستنده اصلی) پالس ناوبری می‌باشد [26]. در استاندارد یوروفیکس، پالس‌های سوم تا هشتم هر فرستنده برای ارسال داده استفاده شده و با تأخیر ۱ میکروثانیه، تقدم ۱ میکروثانیه یا بدون تأخیر و تقدم ارسال می‌شوند. در استاندارد پالس نهم که توسط انجمن بین‌المللی 12SAE در سال ۲۰۱۸ استاندارد شده است [27]، به‌منظور جداسازی سازوکار انتقال داده از ناوبری، یک پالس به پالس‌های ناوبری افزوده شده که حاوی داده‌های مورد نیاز بوده و کاربرد ناوبری ندارد. در شکل 1 استاندارد پالس نهم با استانداردهای یوروفیکس 

[1] . Matched Filter

[2] . Cross Rate Interference

[3] . Sky Wave Interference

[4] . Cross Correlation

[5] . Moving Average

[6] . Matched Correlation

[7] . Convolutional Neural Network

[8] . Master

[9] . Slave

[10] . Phase Code Interval

[11] . Group Repetition Interval

[12] . Society of Automotive Engineers

img0 

شکل 2:  محل پالس نهم در سیگنال‌های فرستنده اصلی.

 

 

img0 

شکل 3:  فضای سمبل‌ 32‌حالته مدولاسیون PPM.

 

جدول 1: کدبندی فاز پالس حاوی داده.

 

پالس‌های ثانویه

پالس‌های اصلي

گروه

+++++­­++

++­­+­+­­+

A

+­+­++­­­

+­­++++++­

B

 

و Loran-C مقایسه گردیده است. همان طور که مشاهده می‌شود در سیگنال Loran-C که انتقال پیام وجود ندارد، تمام پالس‌ها در محل اصلی خود ارسال می‌شوند؛ اما در استاندارد یوروفیکس پالس‌های سوم تا هشتم با شیفت فازی متناسب با داده ارسال می‌شوند. در استاندارد پالس نهم، یک پالس، اضافه شده و با یکی از 32 حالت تأخیر فرستاده می‌شود. پالس داده‌ اضافه‌شده که پالس نهم نامیده می‌شود، در شکل 2 نشان داده شده است [27].

در فرستنده اصلی، پالس اضافه‌شده حداقل 1000 میکروثانیه با پالس هشتم فاصله زمانی دارد و بین دو پالس هشتم و دهم قرار می‌گیرد. در فرستنده‌های ثانویه، پالس اضافه‌شده حداقل 1000 میکروثانیه با آخرین پالس فاصله دارد. بدین ترتیب پالس‌های حاوی اطلاعات ناوبری در هیچ یک از فرستنده‌های اصلی یا ثانویه تغییر نمی‌کند. این پالس داده، مطابق جدول 1 دارای کدبندی فاز مشابه با پالس هشتم خواهد بود [28] تا [30].

برای مدولاسیون پالس داده، فضای سمبل 32حالته مطابق شکل ۳ در نظر گرفته می‌شود. این 32 حالت از 8 شیفت فاز (تأخیر کوچک) و 4 شیفت پوش (تأخیر بزرگ) سیگنال ایجاد می‌شود. اگر شیفت فاز با img0 و شیفت پوش با img0 نشان داده شوند، تأخیر پالس داده که با img0 نشان داده می‌شود در حالت img0 از (۱) به ‌دست  می‌آید  که img0 تأخیر  شیفت  پوش  و img0 

 

جدول 2: تأخیر سمبل‌ها در دو حالت ایده‌آل و پالس ساعت MHz 5.

 

سمبل

img0 ایده‌آل

img0 واقعی (MHz 5)

سمبل

img0 ایده‌آل

img0 واقعی (MHz 5)

0

۰

0

۱۶

25/101

2/101

۱

25/1

2/1

۱۷

5/102

6/102

۲

5/2

6/2

۱۸

75/103

8/103

۳

75/۳

8/3

۱۹

105

105

۴

5

5

۲۰

25/106

2/106

۵

25/6

2/6

۲۱

5/107

6/107

۶

5/7

6/7

۲۲

75/108

8/108

۷

75/8

8/8

۲۳

110

110

۸

625/50

6/50

۲۴

875/151

8/151

۹

875/51

8/51

۲۵

125/153

2/153

۱۰

125/53

2/53

۲۶

375/154

4/154

۱۱

375/54

4/54

۲۷

625/155

6/155

۱۲

625/55

6/55

۲۸

875/156

8/156

۱۳

875/56

8/56

۲۹

125/158

2/158

۱۴

125/58

2/58

۳۰

375/159

4/159

۱5

375/59

4/59

۳۱

625/160

6/160

 

جدول 3: ساختار پیام‌ها در کانال داده استاندارد پالس نهم.

 

بیت توازن

محموله داده

نوع پیام

 

75

41

4

تعداد بیت

119- 45

44- 4

3- 0

محل بیت

 

تأخیر شیفت فاز هستند. بنابراین فاصله زمانی سمبل حالت img0 از سمبل حالت اول img0 از (2) به‌دست خواهد آمد [31]. در واقع تأخیر هر یک از 8 حالت شیفت فاز (25/1 میکروثانیه)، یک سیکل از سیگنال (10 میکروثانیه) را به 8 قسمت مساوی تقسیم می‌کند. در صورتی که فرستنده از پالس ساعت با فرکانس MHz 5 استفاده نماید، به دلیل پایین‌بودن دقت پالس ساعت، مقادیر تأخیرها به نزدیک‌ترین مقدار ممکن گرد می‌شوند. گردشدن این تأخیرها، مقدار واقعی آنها را با مقدار ایده‌آل متفاوت می‌کند. در این صورت با فرض پالس ساعت MHz 5 در فرستنده، مقدار شیفت سمبل‌ها مطابق جدول 2 خواهد بود [31]

img0        (1)

img0        (2)

3-1 انواع پیام

طبق  جدول  3،  همه  پیام‌های  ارسالی  دارای  طول  ثابت  120 بیت شامل 

 

جدول 4: پیام‌های کانال داده لورن.

 

توضیحات پیام

کد

شماره

تصحیح فاز سایت مرجع

0000

0

تقویم (تقسیم به پیام فرعی در آینده)

0001

۱

فقط برای استفاده دولتی

0010

۲

فقط برای استفاده دولتی

0011

۳

تعریف‌نشده

1110- 0100

14- 4

شناسه ایستگاه و زمان روز

1111

15

 

بخش‌های نوع پیام، محموله1 داده و بیت‌های توازن هستند. برای تعیین نوع پیام از 4 بیت استفاده می‌شود و محموله داده 41 بیت است. 75 بیت نیز برای بررسی توازن مورد استفاده قرار می‌گیرد. از آنجا که نرخ بیت به صورت bits/GRI 5 است، برای انتقال هر پیام به 24 img0 نیاز است [31]. بنابراین نرخ کلی انتقال داده در استاندارد پالس نهم بر حسب تعداد بیت در واحد زمان با (3) مشخص می‌شود که در آن img0 طول img0 بر حسب میلی‌ثانیه است

img0        (3)

انتقال هر پیام در طولانی‌ترین img0 که برابر 99/99 میلی‌ثانیه است، حداکثر 4/2 ثانیه زمان می‌‌برد. همچنین با توجه به تخصیص 4 بیت برای نوع پیام، 16 نوع پیام قابل تعریف است که مطابق جدول 4، تعدادی از آنها تعریف شده و تعدادی دیگر به صورت تعریف‌نشده یا رزرو می‌باشند [32] و [33].

3-2 تصحیح خطا و همزمان‌سازی

یکی از بخش‌های مهم استخراج پیام، بخش بررسی توازن است که بدین منظور از کدهای تصحیح خطای 2FEC استفاده می‌شود. پیام‌های ارسالی در سمت فرستنده کدگذاری می‌شود. یکی از کدهای مورد استفاده، کد تصحیح خطای بلوکی رید سولومون 3(RS) است. این کد برای تصحیح خطاهای پی‌در‌پی که به علت تداخلات بین زنجیره‌ای به وجود می‌آید، مناسب است. کد RS مورد استفاده سه نقش تصحیح خطا، بررسی صحت پیام دریافت‌شده و همزمان‌سازی را با هم ایفا می‌کند [34] تا [37].

کد مورد استفاده در این سیستم، img0 با چندجمله‌‍‌‌ای مولد img0 روی میدان گالوای img0 است که با حذف 8 سمبل از کد img0 به دست آمده است. در کد تصحیح خطای img0، سمبل‌ها 5بیتی بوده و 9 سمبل داده (45 بیت) با 7 سمبل تمام صفر، کد شده و 15 سمبل توازن تولید می‌شود. به عبارت دیگر نرخ واقعی کد img0 است [31] و [37]؛ بنابراین نرخ مؤثر انتقال داده در استاندارد پالس نهم بر حسب تعداد بیت در واحد زمان را می‌توان با (4) مشخص کرد. این کد قابلیت تصحیح 7 سمبل خطا یا شناسایی 15 سمبل خطای پاک‌شدگی4 را دارد. اگر img0 تعداد سمبل خطای پاک‌شدگی و img0 تعداد خطاها باشد، قابلیت تصحیح خطای کد با رابطه کراندار (5) محدود می‌شود [31]

img0        (4)

img0        (5)

از آنجا که کد img0 یک کد دوره‌ای است، در صورت شیفت آن، ممکن است پیام به‌درستی کدبرداری شود، ولی پیام معتبری حاصل نخواهد شد. به عنوان مثال اگر کد به صورت بردار img0 ارسال شود، در سمت گیرنده، کد img0 به صورت یک کد معتبر 24سمبلی در نظر گرفته می‌شود که بدون خطا به پیام زمان کدبرداری می‌شود. اما اگر کد فوق به اندازه یک سمبل شیفت پیدا کند، کد img0 به دست خواهد آمد. در این صورت در سمت گیرنده، کد img0 با دو سمبل خطا می‌تواند کدبرداری شود، ولی پیام معتبری از آن حاصل نمی‌شود. به همین ترتیب img0 با دو سمبل شیفت با 4 خطا و سه سمبل شیفت با 6 خطا قابل کدبرداری بوده، ولی باز هم پیام معتبری حاصل نمی‌شود

img0        (6)

img0        (7)

برای حل این مسئله از بردار کاست5 استفاده می‌شود که یک الگوی مشخص به طول 24 سمبل است و با سمبل‌های ارسالی جمع و سپس سمبل‌های حاصل ارسال می‌شوند. در سمت گیرنده باید کاست اضافه‌شده از سمبل‌های دریافتی کم شده و سپس حاصل به‌دست‌آمده کدبرداری شود. در این سیستم کاست‌های مختلفی قابل استفاده است که یکی از آنها به صورت بردار (8) می‌باشد. بر این اساس استخراج پیام از سیگنال لورن شامل دو مرحله اصلی خواهد بود. در مرحله اول محاسبه شیفت زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی آن یا تخمین مکان پالس نهم و در مرحله دوم کدبرداری انجام می‌شود [38]

img0        (8)

3-3 پالس eLoran

سیگنال ایستگاه‌های فرستنده eLoran به‌صورت پالسی ارسال می‌شود. پالس‌های ارسالی بر اساس محدودیت پهنای باند طراحی شده و پوش آنها به صورت (9) تعریف می‌شود که در آن img0 زمانی است که پالس به حداکثر مقدار خود می‌رسد و img0 طول پالس است. پالس RF ارسالی نیز به صورت (10) خواهد بود که img0 فرکانس حامل سیگنال eLoran است [21] و [25]

img0        (9)

img0        (10)

همان طور که ذکر شد، پالس‌های eLoran به صورت گروهی با فاصله زمانی img0 ارسال می‌شوند. فاز حامل هر یک از پالس‌ها صفر یا 180 درجه  است  که  در  همزمان‌سازی  و  حذف  تداخلات  در  گیرنده  نقش  مهمی 

img0 

شکل 4:  محل اصلي و با تأخير پالس داده.

 

img0 

شکل 5:  نمایش تأخیر بزرگ سمبل‌های مختلف.

 

 

[1] . Payload

[2] . Forward Error Correction

[3] . Reed-Solomon

[4] . Erasure

[5] . Coset

img0 

شکل 6:  بلوک دیاگرام پیشنهادی دمدولاسیون PPM.

 

 

دارد. اثر کدگذاری فاز به صورت (11) در نظر گرفته می‌شود که در آن img0 کدگذاری فاز، img0 تابع دلتای دیراک، img0 فاصله  بین  پالس‌ها  و img0 و img0 تأخیر  زمانی  پالس‌های  داده 

(پالس نهم) در دو گروه img0 و img0 مطابق (1) هستند

img0        (11)

رابطه (11) یک دوره تناوب کامل سیگنال eLoran فرستنده ثانویه را نشان می‌دهد که شامل ۸ پالس ناوبری و یک پالس داده در هر دو گروه img0 و img0 است. این رابطه با استفاده از تابع دلتای دیراک تعریف شده است. دامنه هر پالس توسط کدگذاری فاز و محل پالس‌ها بر اساس تأخیر بین پالسی، مقدار img0 و تأخیر پالس داده تعیین می‌شوند. از آنجا که سیگنال eLoran دارای دوره تناوب img0 است، با استفاده از تابع کمکی (12) می‌توان ویژگی تناوب را نشان داد. بنابراین با فرض این که سیگنال eLoran با تأخیر img0 به گیرنده برسد، سیگنال دریافتی توسط گیرنده از کانولوشن خطی توابع تعریف‌شده به صورت (13) حاصل می‌شود

img0        (12)

img0        (13)

4-       پیشنهاد روش برای تخمین مکان پالس نهم

اولین مرحله در استخراج پیام از سیگنال لورن، محاسبه شیفت زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی آن است. بدین منظور ابتدا باید محل عبور از صفر پالس‌ها شناسایی شود تا مرجع محاسبه پالس داده حاصل شود [39] و [40]. در شکل 4 پالس‌های فرستنده اصلی نشان داده شده است. همان طور که مشاهده می‌شود پالس نهم که حاوی داده است، نسبت به مکان اصلی آن (علامت دایره داخل شکل) دارای شیفت زمانی است؛ در نتیجه قبل از کدبرداری داده، ابتدا باید این شیفت زمانی در هر img0 شناسایی و محاسبه شود. بنابراین برای محاسبه شیفت زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی، دو مرحله محاسبه شیفت پوش با استفاده از فیلترهای منطبق و محاسبه شیفت فاز از طریق همبستگی با فیلترهای تأخیر کسری1 را پیشنهاد می‌دهیم. از طرف دیگر استفاده از سیگنال مرجع خاص به صورت میانگین 8 پالس قبل از پالس داده نیز به منظور بهبود تخمین تأخیر پالس به‌خصوص در محیط‌های نویزی پیشنهاد می‌شود.

4-1 محاسبه شیفت پوش

شیفت پوش در واقع تأخیر بزرگی است که مطابق جدول 2 دارای گام‌های 625/50 میکروثانیه است. شکل 5 این تأخیرها را در پالس نهم نشان می‌دهد. در شکل ۶ بلوک دیاگرام کلی دمدولاسیون PPM برای روش پیشنهادی ارائه شده است. مطابق شکل برای محاسبه شیفت پوش استفاده از فیلتر منطبق را پیشنهاد می‌دهیم. بنابراین با عبور پالس داده img0 از فیلتر منطبق img0، تأخیر بزرگ پالس داده به صورت (14) و (15) محاسبه می‌شود که در آنها img0 پالس نهم، img0 تابع تبدیل فیلتر منطبق و img0 میزان شیفت پوش محاسبه‌شده هستند

img0        (14)

img0        (15)

در این صورت شکل 7 نمونه پالس داده و شکل 8 نمونه متناظر پاسخ ضربه فیلتر منطبق مورد استفاده را نشان می‌دهند و همان طور که بیان شد مطابق (15)، پس از عبور پالس داده از فیلتر منطبق، با محاسبه محل ماکسیمم  تابع خروجی img0  می‌توان  مقدار  تقریبی شیفت 

img0 

شکل 7:  پالس داده img0.

 

img0 

شکل 8:  پاسخ ضربه فيلتر منطبق.

 

 

[1] . Fractional Dealy Filter

img0 

شکل 9:  نمایش شیفت فازهای مختلف پالس نهم.

 

 

پوش حاصل را به دست آورد. پس از محاسبه شیفت پوش، این تأخیر به پالس داده اعمال شده و وارد بلوک محاسبه شیفت فاز می‌شود.

4-2 محاسبه شیفت فاز

شیفت فاز، تأخیر کوچکی است که طبق جدول ۲ دارای گام‌های 25/1 میکروثانیه است. شکل 9 این تأخیرها را در پالس نهم نشان می‌دهد. پیشنهاد ما استفاده از فیلتر تأخیر کسری برای محاسبه شیفت فاز می‌باشد. گرچه برای طراحی فیلترهای تأخیر کسری می‌توان از پالس مرجع لورن استفاده نمود، اما به‌منظور بهبود تخمین تأخیر پالس به‌خصوص در محیط‌های نویزی و در حضور تداخلات، استفاده از میانگین 8 پالس قبل از پالس داده را به عنوان پالس مرجع پیشنهاد می‌کنیم. بنابراین پالس مرجع پیشنهادی مطابق (16) تعریف می‌شود و به این ترتیب پالس مرجع برای هر img0 متفاوت خواهد بود. شکل 10 بلوک دیاگرام پیشنهادی برای محاسبه شیفت فاز را نشان می‌دهد که در آن img0 نشانگر شیفت فاز محاسبه‌شده بوده و سمبل دریافتی به صورت (17) محاسبه خواهد ‌شد. نهایتاً پس از محاسبه img0 و img0 می‌توان شیفت زمانی پالس داده را مطابق (1) محاسبه نمود

img0        (16)

img0        (17)

روش پیشنهادی محاسبه شیفت زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی که در دو مرحله محاسبه شیفت پوش با استفاده از فیلترهای منطبق و محاسبه  شیفت  فاز  از  طریق  همبستگی انجام شد، از تخمینگرهای شباهت 

img0 

شکل 10:  بلوک دیاگرام پیشنهادی برای محاسبه شيفت فاز.

 

حداکثر 1(ML) و مربعات حداقل 2(LS) بهره می‌برد. در واقع فیلتر منطبق که وجود سیگنال را از طریق حداکثرسازی نسبت سیگنال به نویز تخمین می‌زند، پیاده‌سازی تخمینگر ML و تابع همبستگی که در آن مجموع مربع اختلاف‌ها حداقل می‌شود، پیاده‌سازی تخمینگر LS را محقق کرده‌اند. بنابراین در الگوریتم پیشنهادی از این دو روش تخمین استفاده کرده‌ایم [41] و [42].

4-3 کدبرداری و تصحیح خطا

پس از محاسبه شیفت زمانی پالس داده نسبت به محل اصلی آن باید عملیات کدبرداری بر روی سمبل‌های دریافتی انجام شود. با توجه به این که در فرستنده، کدگذاری img0 بر روی هر پیام در 24 img0 متوالی انجام می‌شود، در گیرنده نیز باید کدبرداری روی 24 سمبل متوالی انجام شده و پیام از آنها استخراج ‌شود.

همان طور که ذکر گردید، کدبردار مورد استفاده قابلیت تصحیح 
تا 7 سمبل خطا را دارد. در گیرنده ابتدا از پیام دریافتی، چندجمله‌ای 
میدان گالوای img0 محاسبه می‌شود. سپس چندجمله‌ای سندروم3 از محاسبه چندجمله‌ای دریافتی با ریشه‌های چندجمله‌ای مولد به دست می‌آید. غیرصفربودن سندروم نشان‌دهنده وجود خطا در سمبل‌های دریافتی است. در صورت وجود خطا نیز چندجمله‌ای خطا محاسبه و از طریق الگوریتم‌های جستجو، محل سمبل خطا و مقدار آن تعیین می‌شوند.

5-       پیاده‌سازی و ارزیابی نتایج

در این بخش استخراج پیام سیگنال ارسالی eLoran با استفاده از روش پیشنهادی را به صورت سخت‌افزار در حلقه 4(HIL) پیاده‌سازی کرده و نتایج حاصل از آن را مورد ارزیابی قرار می‌دهیم. شکل 11 بلوک دیاگرام سخت‌افزار در حلقه شامل تولید و ارسال سیگنال eLoran، دریافت سیگنال و همچنین استخراج داده بر اساس روش پیشنهادی را نشان می‌دهد.

در سمت فرستنده برای تولید سیگنال از دستگاه شبیه‌ساز eLoran استفاده شده است. شبیه‌ساز eLoran دستگاهی است که سیگنالی مشابه سیگنال ارسالی از فرستنده‌های رادیویی eLoran را به منظور تست آزمایشگاهی گیرنده و تجهیزات یا اهداف آموزشی تولید می‌کند. این شبیه‌ساز با دریافت تنظیمات کاربر، سیگنال eLoran را همراه با تداخلات و نویزهای محیطی مد نظر کاربر شبیه‌سازی، تولید و ارسال می‌کند. بدین منظور کاربر تنظیماتی مانند مقدار img0، اختلاف‌های زمانی، تداخلات، نویز AWGN، کانال داده و ... را از طریق صفحه نمایش لمسی یا از طریق درگاه USB به شبیه‌ساز اعمال ‌کرده و در خروجی شبیه‌ساز، سیگنال آنالوگ eLoran با مشخصات مورد نظر کاربر تولید می‌شود.

در سمت گیرنده، دریافت سیگنال آنالوگ و نمونه‌برداری توسط دستگاه 5USRP مدل img0 انجام و سپس نمونه‌های دیجیتال در محیط نرم‌افزار img0 پردازش می‌شود. در شبیه‌سازی و ارزیابی از img0 و فرکانس نمونه‌برداری img0 استفاده کرده‌ایم. همچنین کانال را AWGN در نظر گرفته و برای داشتن امکان تغییرات و ارزیابی نتایج، نویز گوسی جمع‌شونده در محیط شبیه‌سازی به سیگنال اضافه شده است.

همان طور که در شکل 11 مشاهده می‌شود، ابتدا پیام ثابتی از نوع پیام زمانی انتخاب گردیده و پس از کدگذاری img0 با استفاده از مدولاسیون PPM مدوله و با رعایت دقیق زمان‌بندی به عنوان پالس نهم به سیگنال لورن اضافه می‌شود. سپس سیگنال در کانال AWGN به گیرنده ارسال شده و در سمت گیرنده پس از نمونه‌برداری، محل شروع سیگنال در بخش پردازش سیگنال لورن استخراج و سپس دمدولاسیون PPM انجام می‌شود. مطابق آنچه در (3) و (4) ذکر گردید، نرخ داده ارسالی برابر (18) و (19) خواهد بود

img0        (18)

img0        (19)

بر این اساس شکل 12- الف فریم دریافتی حاوی پالس‌های لورن و پالس داده را نشان می‌دهد. پس از استخراج محدوده پالس نهم مطابق شکل 12- ج و محاسبه تأخیر پوش و فاز با استفاده از پالس مرجع که در شکل 12- ب مشاهده می‌شود، تأخیر پالس نهم نسبت به محل اصلی آن به دست می‌آید. پس از این مرحله نیز سمبل مربوط به هر img0 محاسبه و تعیین می‌گردد.

شکل 13 نمونه‌ای از سمبل‌های استخراج‌شده در بازه‌های زمانی متوالی را نشان می‌دهد. همان طور که ذکر شد، پس از دریافت هر سمبل جدید باید کدبرداری img0 بر روی آخرین 24 سمبل دریافتی منتهی به آن سمبل انجام ‌شود. بر این اساس شکل 14 نیز چند پیام متوالی استخراج و کدبرداری شده معتبر ناشی از ارسال و دریافت داده‌های ارزیابی را نشان می‌دهد. بنابراین با توجه به استخراج و کدبرداری داده‌های پالس نهم می‌توان عملکرد گیرنده پیاده‌سازی‌شده طبق روش پیشنهادی را نیز در کانال AWGN و بر اساس نسبت‌های مختلف SNR بررسی نمود.

برای محاسبه SNR باید مقدار img0 در نقطه نمونه‌برداری استاندارد 6(SSP) سیگنال لورن نسبت به توان نویز به صورت (20) محاسبه شود که در آن SSP توان در فاصله زمانی ۲۵ میکروثانیه از ابتدای پالس که دامنه سیگنال 506/0 برابر پیک سیگنال است، می‌باشد [43]

 

[1] . Maximum Likelihood

[2] . Least Squares

[3] . Syndrome

[4] . Hardware in the Loop

[5] . Universal Software Radio Peripheral

[6] . Standard Sampling Point

img0 

شکل 11:  بلوک دیاگرام سخت‌افزار در حلقه برای ارزیابی روش پیشنهادی.

 

 

img0 img0 img0

              (الف)  (ب)  (ج)

شکل 12:  (الف) فریم حاوی 10 پالس، (ب) پالس مرجع و (ج) پالس نهم.

 

img0        (20)

همچنین باید توجه داشت که در سیستم eLoran به‌دلیل ماهیت کاربردی و سیگنال ارسالی، توان‌ فرستنده‌ها زیاد و از مرتبه مگاوات است. در سمت گیرنده نیز برای حصول دقت بالا در موقعیت‌یابی یا استخراج داده به سیگنال به نویزهای بزرگ نیاز است [8]. بر این اساس عملکرد روش پیشنهادی را در محدوده سیگنال به نویزهای dB 7 تا dB 15 بررسی و ارزیابی می‌کنیم.

شکل 15 توزیع زمانی تعداد سمبل‌های دارای خطا در سیگنال به نویزهای مختلف را نشان می‌دهد. در پیاده‌سازی آزمایشگاهی به ازای هر سیگنال به نویز، 100 پیام ارسال شده که معادل حدود 3 دقیقه است. مطابق شکل در سیگنال به نویز dB 15، تعداد سمبل‌های خطا محدود به یک یا دو سمبل است؛ اما با کاهش سیگنال به نویز، تعداد سمبل‌های خطا افزایش می‌یابد. همچنین از آنجا که کد تصحیح خطا می‌تواند تا 7 سمبل را تصحیح نماید، همه سمبل‌های خطا در سیگنال به نویزهای بیش از dB 10 تصحیح می‌‌شود.

شکل 16 نیز منحنی خطای بیت را قبل و بعد از تصحیح خطا با استفاده از کدبردار img0 نشان می‌دهد. مطابق این شکل با افزایش نسبت سیگنال به نویز از dB 7 تا dB 15، مقدار خطای بیت روش پیشنهادی از img0 تا img0 کاهش می‌یابد. همچنین تصحیح خطا، نرخ خطای بیت را به صورت قابل توجهی بهبود داده است. مثلاً در سیگنال به نویز dB 9 خطای بیت روش، قبل از تصحیح خطا img0 و بعد از آن به img0 کاهش یافته است. برای مقایسه نرخ خطای بیت حاصل از روش پیشنهادی با یک مدولاسیون مرجع، منحنی نرخ خطای بیت برای مدولاسیون استاندارد QAM32 نیز در شکل 16 رسم شده است.

در شکل 17 نتایج حاصل از روش پیشنهادی قبل از تصحیح خطا با روش ارائه‌شده در [25] در شرایط نویز AWGN و استاندارد یوروفیکس مقایسه شده است. همان طور که مشاهده می‌شود برای نسبت سیگنال به نویز dB 15 احتمال خطا در [25] برابر img0 و در روش پیشنهادی برابر img0 شده است. همچنین روش [25] به دلیل استفاده از پردازش زمان- فرکانس به صورت تصویر دوبعدی، دارای پیچیدگی پیاده‌سازی بیشتری است. از سوی دیگر استفاده از پنج لایه کانولوشن، سه لایه تمام متصل و ماژول 1ECA به پیچیدگی پیاده‌سازی آن افزوده است. در این روش، مرحله آموزش شبکه هوش مصنوعی نیز وجود دارد که به داده زیادی نیاز داشته و به پیچیدگی پیاده‌سازی روش می‌افزاید. البته اگرچه این روش نسبت به روش پیشنهادی پیچیده‌تر بوده و در کانال گوسی عملکرد ضعیف‌تری دارد، ولی ممکن است در کانال‌های پیچیده‌تر عملکرد بهتری داشته باشد که در فعالیت‌های آتی قابل بررسی خواهد بود.

6-       جمع‌بندی

در این مقاله روشی برای استخراج پیام در سامانه ناوبری eLoran مبتنی بر پالس نهم ارائه شد. استخراج پیام در دو مرحله محاسبه تأخیر زمانی پالس داده و کدبرداری پیشنهاد گردید. در مقاله برای محاسبه تأخیر زمانی پالس داده، دو مرحله محاسبه شیفت ‌پوش و شیفت ‌فاز با استفاده از فیلترهای منطبق و تأخیر کسری پیشنهاد شده و به صورت آزمایشگاهی پیاده‌سازی شد. برای بهبود عملکرد روش پیشنهادی در محیط‌های نویزی و در حضور تداخلات از میانگین هشت پالس قبل از پالس داده به عنوان پالس مرجع استفاده شد. همچنین پس از محاسبه و حذف اثر تأخیر زمانی پالس داده، کدبردار img0 برای تصحیح خطای سمبل به کار گرفته شد. نتایج پیاده‌سازی آزمایشگاهی به صورت سخت‌افزار در حلقه، نرخ خطای بیت 08/0 تا 003/0 را قبل از تصحیح خطای کدبرداری و برای نسبت سیگنال به نویزهای dB 7 تا dB 15 نشان داد. همچنین از آنجا که کدبردار img0 مورد استفاده می‌تواند تا 7 سمبل خطا را تصحیح نماید، مشاهده شد که همه سمبل‌های خطا در سیگنال به نویزهای بیش از 

[1] . Efficient Channel Attention

img0 

شکل 13:  آخرین 24 سمبل دریافتی در زمان‌های متوالي.

 

img0 

شکل 14:  پیام‌های استخراج‌شده.

 

 

img0 

شکل 15:  توزیع زمانی تعداد سمبل‌های دارای خطا.

 

img0 

شکل 16:  نرخ خطای بیت قبل و بعد از تصحیح خطا.

 

img0 

شکل 17:  مقايسه نتايج روش پیشنهادی و روش [25].

 

dB 10 تصحیح می‌شود و در سیگنال به نویزهای کمتر از dB 10 نیز نرخ خطا به طور محسوسی کاهش می‌یابد؛ به گونه‌ای که روش پیشنهادی در نسبت سیگنال به نویز dB 9 به نرخ خطای بیت 003/0 دست یافته است.

مراجع

[1]       Z. Zuo, X. Qiao, and Y. Wu, "Concepts of comprehensive PNT and related key technologies," in Proc. of the Int. Conf. on Modeling, Analysis, Simulation Technologies and Applications, pp. 365-370, Hangzhou, China, 26-29 2019.

[2]       W. Pelgrum and C. Schue, Navigation with Low‐Frequency Radio Signals, Position, Navigation, and Timing Technologies in the 21st Century, 1st Ed, pp. 1281-1333, 2021.

[3]       Y. Yang, X. Ren, X. Jia, and B. Sun, "Development trends of the national secure PNT system based on BDS," Sci. China Earth Sci., vol. 66, no. 5, pp. 929-938, May 2023.

[4]       C. Yang, S. Li, and Z. Hu, "Analysis of the development status of eLoran time service system in China," Applied Sciences, vol. 13,
no. 23, Article ID: 12703, Nov. 2023.

[5]       J. Li and H. Wu, "The Loran-C pseudorange positioning and timing algorithm based on the vincenty formula," Remote Sensing, vol. 16, no. 17, Article ID: 3227, Aug. 2024.

[6]       Available online: https://rntfnd.org/wp-content/uploads/eLoran-Definition-Document-0-1-Released.pdf International Loran Association, Enhanced Loran (eLoran) Definition Document, Version 1.0, Jan. 2007.

[7]       A. P. Grunin, S. V. Sai, and B. P. Zakirov, "All-in-view time difference solution for eLoran," in Proc. Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems, 4 pp., St. Petersburg, Russia, 13 May-4 Jun. 2021.

[8]       P. W. Son, S. G. Park, Y. Han, and K. Seo, "ELoran: resilient positioning, navigation, and timing infrastructure in maritime areas," IEEE Access, vol. 8, pp. 193708-193716, 2020.

[9]       S. Lo, B. Peterson, P. Enge, and P. Swaszek, "Loran data modulation: extensions and examples," IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., vol. 43, no. 2, pp. 628-644, Apr. 2007.

[10]       B. B. Peterson, C. A. Schue, J. M. Boyer, and J. R. Betz, "Enhanced Loran-C data channel project," in Proc. of the Int. Symp. on Integration of Loran-C/Eurofix and EGNOS/Galileo, pp. 186-197, Bonn, Germany, 20-21 Feb. 2001.

[11]       S. C. Lo and P. Enge, "Analysis of the enhanced loran data channel," in Proc. of the Int. Symp. on Integration of Loran-C/Eurofix and EGNOS/Galileo, pp. 159-168, Bonn, Germany, 20-21 Feb. 2001.

[12]       D. Van Willigen, G. W. A. Offermans, and A. W. S. Helwig, "Eurofix: definition and current status," in Proc. of the IEEE 1998 Position Location and Navigation Symp., pp. 101-108, Palm Springs, CA, USA, 20-23 Apr. 1996.

[13]       T. H. Jorgensen, "Loran-C/eurofix in europe-status and future plans," in Proc. of the 13th Int. Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, pp. 2464-2467, Salt Lake City, UT, USA, 19-22 Sept. 2000.

[14]       E. E. Elsayed, "Performance enhancement in FSO relay systems with MISO via multi-hop M-ary PPM integrating and spatial modulation over gamma-gamma channels," J. Opt., vol. 2024, 16 pp., 2024.

[15]       L. Hartshorn, P. Swaszek, G. Johnson, M. Wiggins, and R. Hartnett, "Performance of Loran-C 9th pulse modulation techniques," in Proc. of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation, pp. 384-395, Monterey, CA, USA, 18-20 Jan. 2006.

[16]       P. W. Son and T. Hyun Fang, "Enhancing coastal air navigation: eloran 3-D positioning and cycle slip mitigation," IEEE Access, vol. 12, pp. 100230-100239, 2024.

[17]       C. Yang, X. Guo, S. Li, and Z. Hu, "Design and performance evaluation of eloran monitoring system," Applied Sciences, vol. 14, no. 16, Article ID: 7350, Aug. 2024.

[18]       W. Ma, J. Gao, Y. Yuan, Z. Shi, and X. Xi, "Suppression of continuous wave interference in Loran-C signal based on sparse optimization using tunable Q-factor wavelet transform and discrete cosine transform," Sensors, vol. 21, no. 21, Article ID: 7153, Oct. 2021.

[19]       ا. عفیفی، ا. خرمی و س. عزیزی، "بهبود الگوريتم گيرنده داده لورن برای 
کانال­های نويزی،" صنایع الکترونیک، سال 11، شماره 2، صص. 41-33، تابستان 1399.

[20]       S. C. Lo and P. Enge, "Data transmission using Loran-C," in Proc. of the Int. Loran Association 29th Annual Meeting, 11 pp., Washington, DC, USA, Nov. 2000.

[21]       S. C. Lo, B. B. Peterson, and P. K. Enge, "Loran data modulation: a primer," IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 22, no. 9, pp. 31-51, Sept. 2007.

[22]       S. F. Li, Y. L. Wang, Y. Hua, and Y. L. Xu, "Research of Lloran-C data demodulation and decoding technology," Chin. J. Sci. Instrum, vol. 33, no. 6, pp. 1407-1413, Jun. 2012.

[23]       J. Yuan, W. Yan, S. Li, and Y. Hua, "Demodulation method for Loran-C at low SNR based on envelope correlation-phase detection," Sensors, vol. 20, no. 16, Article ID: 4535, Aug. 2020.

[24]       B. Lyu, Y. Hua, W. Yan, J. Yuan, and S. Li, "Data demodulation algorithm of enhanced Loran system," in Proc. Int. Conf. on Electronic Information Technology, Article ID: 1225434, Chengdu, China, 19-21 May 2022.

[25]       K. Zhang, F. Yang, W. Wang, and X. Ye, "Eloran signal message prediction algorithm based on Alexnet‐ECA," IET Radar, Sonar & Navigation, vol. 18, no. 3, pp. 500-513, Mar. 2024.

[26]       Z. Zhao, et al., "Measurement and analysis of Loran-C sky waves throughout the day," Electronics, vol. 13, no. 7, Article ID: 1240, Mar. 2024.

[27]       SAE International, SAE 9990: Transmitted Enhanced Loran (eLoran) Signal Standard, 2018.

[28]       Q. Liang, W. Xiong, and Y. Li, "Research on modulation technique of high-speed Loran-C data channel," in Proc. 8th In. Conf. on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 3 pp., Shanghai, China, 21-23 Sept. 2012.

[29]       C. Yang, Y. Wang, S. Li, and W. Yan, "Experimental study of a signal modulation method to improve eLoran data channel communications," Sensors, vol. 20, no. 22, Article ID: 6504,
Nov.- 2 2020.

[30]       D. P. F. Swaszek, et al., "Improved signal processing methodologies for the loran data channel," in Proc. of the National Technical Meeting of the Institute of Navigation, pp. 948-959, San Diego, CA, USA, 28-30 Jan. 2008.

[31]       K. Dykstra and B. Peterson, "The Loran data channel: progress to date and future plans," in Proc. of 35th Annual Technical Symp., Int. Loran Association, Groton, 8 pp., San Diego, CA, USA, 22-25 Oct. 2006.

[32]       P. W. Son, S. Lee, T. H. Fang, and K. Seo, "Analysis of LDC message reception performance of korean eLoran pilot service according to modulation methods," J. of Navigation and Port Research, vol. 46, no. 6, pp. 525-529, Dec. 2022.

[33]       B. Peterson, K. Dykstra, D. Lown, and K. Shmihluk, Loran Data Channel Communications Using 9th Pulse Modulation, Peterson Integrated Geopositioning, LLC, and USCG Loran Support Unit, White Paper, Version 1.3, 20 Oct. 2006.

[34]       S. Mamidi, D. Iancu, A. Iancu, M. J. Schulte, and J. Glossner, "Instruction set extensions for reed-solomon encoding and decoding," in Proc. IEEE Int. Conf. on Application-Specific Systems, Architecture Processors, pp. 364-369, Samos, Greece, 23-25 Jul. 2005.

[35]       W. Liu, Z. Jiang, Z. Huang, L. Song, and H. Hou, Reed-Solomon Codes over Cyclic Polynomial Ring with Lower Encoding/Decoding Complexity, arXiv preprint arXiv: 2405.01043, May 2024.

[36]       P. Mursanto, "Performance evaluation of Galois field arithmetic operators for optimizing Reed Solomon codec," in Proc. Int. Conf. on Instrumentation, Communication, Information Technology, and Biomedical Engineering, 6 pp., Bandung, Indonesia, 23-25 Nov. 2009.

[37]       S. Nabipour, "Arithmetic Operators over Finite Field GF(2m) for Error Correction Codes Application," arXiv e-prints arXiv-2310, Oct. 2023.

[38]       K. Carroll, et al., "Differential Loran-C," in Proc. of GNSS, the European Navigation Conf., 15 pp., Rotterdam, Netherland, May 2004.

[39]       W. Yan, K. Zhao, S. Li, X. Wang, and Y. Hua, "Precise Loran-C signal acquisition based on envelope delay correlation method," Sensors, vol. 20, no. 8, Article ID: 2329, Apr.-2 2020.

[40]       J. Safar, P. Williams, A. Grant, and F. Vejrazka, "Analysis, modeling, and mitigation of cross-rate interference in eLoran: analysis of cross-rate interference in eloran," J. Inst. Navig., vol. 63, no. 3, pp. 295-319, Sep. 2016.

[41]       C. Lubeigt, F. Vincent, L. Ortega, J. Vilà-Valls, and E. Chaumette, "Approximate maximum likelihood time-delay estimation for two closely spaced sources," Signal Processing, vol. 210, no. C, Article ID: 109056, Sept. 2023.

[42]       Y. Zhang, Y. Jin, Y. Wu, C. Hao, and D. Orlando, "Sparsity-based time delay estimation through the matched filter outputs," IEEE Signal Processing Letters, vol. 29, pp. 1769-1773, 2022.

[43]       C. L. Boyce, J. D. Sherman Lo, and P. E. Powell, Analysis of Noise and Cycle Selection in a Loran Receiver, Stanford University, 2001.

 

مهری لطفعلی‌زاده تحصيلات خود را در مقاطع كارشناسي و كارشناسي ارشد مهندسی برق به‌ترتيب در سال‌هاي 1385 و 1391 از دانشگاه علم و صنعت ایران و دانشگاه صنعتی مالک‌ اشتر به پايان رسانده است و هم‌اكنون دانشجوي دكتري برق الکترونیک در دانشگاه صنعتی مالک اشتر می‌باشد. زمينه‌هاي تحقيقاتي مورد علاقه ایشان عبارتند از: پردازش سیگنال، طراحي سيستم‌هاي نهفته مبتني بر‌ FPGA وSOC ، طراحی و سنتز مدارهای سخت‌افزاری دیجیتال و رادیو نرم‌افزار.

 

مرتضی شفیعی استادیار مجتمع دانشگاهی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک اشتر (MUT)، تهران، ایران است. او دکترای مهندسی برق را در سال 1397 از دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران (IUST)، تهران، ایران دریافت کرد. علایق تحقیقاتی او مخابرات طیف گسترده، مخابرات ماهواره‌ای، شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSNs)، پردازش ابری، پردازش مه و لبه (FEC)، سنجش طیف و رادیوی شناختی (CR)، پیاده‌سازی رادیوی نرم‌افزاری، مخابرات پنهان (CC) و شبکه¬های مخابرات زیرآب بوده است.

 

محمد باقر نظافتی تحصیلات خود را در رشته مخابرات سیستم در مقطع کارشناسی ارشد از دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی در سال ۱۳۸۲ به پایان رسانده است. زمينه‌هاي پژوهشی مورد علاقه ایشان عبارتند از: کدینگ کانال، مدولاسیون و دسترسی چندگانه، بهینه‌سازی و تطبیق لینک، شبکه رله‌ای، ارتباطات G5.

 

 

 

 

 


رایمگ

سامانه رایمگ تمامی فرآیندهای دریافت، ارزیابی و داوری، ویراستاری، صفحه‌آرایی و انتشار الکترونیکی نشریات علمی را به انجام می‌رساند

پیوندهای سایت

مراکز مرتبط

پشتیبانی

صفحات رسمی

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات رایمگ است.
حق نشر © 1403-1396

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره رایمگ| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]