基于多率信號處理的測控信號動態(tài)模擬方法

李 偉， 楊釧釧， 胡 凱

(1裝備學(xué)院光電裝備系 北京 101416 2西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071)

基于多率信號處理的測控信號動態(tài)模擬方法

李 偉1， 楊釧釧2， 胡 凱1

(1裝備學(xué)院光電裝備系 北京 101416 2西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071)

針對測控信號的大動態(tài)模擬問題，提出一種基于多率信號處理的動態(tài)模擬方法。該方法采用現(xiàn)有的存儲延時方法對存儲的靜態(tài)測控信號實現(xiàn)整數(shù)倍采樣間隔延時，并結(jié)合多率信號處理技術(shù)對整點延時后的信號實現(xiàn)小數(shù)采樣間隔延時，有效地提高了動態(tài)模擬精度，解決了測控信號大動態(tài)高精度模擬問題。仿真分析表明，該方法能適用于不同體制測控信號的大動態(tài)高精度模擬，為測控設(shè)備動態(tài)性能測試過程中的動態(tài)模擬提供了一種實用方法。

多率信號處理； 動態(tài)模擬； 動態(tài)延時； 統(tǒng)一測控

引 言

在飛行器測控設(shè)備動態(tài)性能測試中，為檢驗飛行器應(yīng)答機與地面測控設(shè)備間的匹配性等特性，需要對其進行對接試驗，確保飛行器任務(wù)萬無一失。對接試驗中，動態(tài)性能測試是系統(tǒng)性能測試的一項重要指標，傳統(tǒng)的動態(tài)性能測試通過飛機掛載應(yīng)答機進行校飛試驗，但由于飛機速度偏低等局限，導(dǎo)致校飛試驗無法檢測測控系統(tǒng)在高速運動狀態(tài)下的動態(tài)性能[1]；另一種動態(tài)性能測試方法是基于硬件平臺對存儲的靜態(tài)測控信號進行延時存儲等處理，模擬飛行器在運動狀態(tài)下的動態(tài)信號，但其只能實現(xiàn)整數(shù)采樣周期的延時，模擬的動態(tài)精度較低。

為實現(xiàn)應(yīng)答機和測控設(shè)備的動態(tài)性能檢測，需對存儲的中頻數(shù)字靜態(tài)測控信號加載動態(tài)信息，模擬動態(tài)測控信號。針對此應(yīng)用，本文提出了一種基于多率信號處理的測控信號動態(tài)模擬方法，并對其進行了分析與仿真驗證。結(jié)果表明，該方法能適應(yīng)不同測控體制信號的大動態(tài)高精度模擬。

1 動態(tài)模擬方案

在理想情況下，飛行器或測控設(shè)備的接收信號Sr(t)與原發(fā)射信號Ss(t)的關(guān)系可表示為[2]：

其中，τ為信號傳輸延時，k為信號的幅度衰減。

由式(1)可知，模擬信號的動態(tài)主要就是模擬信號的功率(即幅度)變化和延時變化。功率變化主要與電磁波傳播的距離和信道特性有關(guān)，在實際的模擬中可以采用功率衰減器實現(xiàn)[3]，其實現(xiàn)方法相對簡單，因此本文重點討論延時的模擬。值得注意的是，此處的延時信息中反映了飛行器與測控站間的距離信息、相對速度信息等，因此延時τ是時變的量。

傳統(tǒng)的數(shù)字延時處理方法有存儲器延時、計數(shù)器延時、數(shù)字時域內(nèi)插、頻域線性相位加權(quán)等，其中存儲器延時方法實現(xiàn)過程較為簡單，適用于不同格式信號的動態(tài)模擬，且能解決大延時問題，優(yōu)點突出，其缺點是只能實現(xiàn)整數(shù)倍采樣間隔的延時處理，模擬的延時精度較低?？紤]到多率信號處理中的內(nèi)插能夠提高數(shù)據(jù)率[4]，降低最小延時間隔，從而可以提高延時模擬精度，因此本文結(jié)合內(nèi)插抽取與存儲延時對測控信號實現(xiàn)高精度動態(tài)模擬。

基于多率信號處理的動態(tài)信號模擬總體實現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 基于多率信號處理的動態(tài)信號模擬方案

假設(shè)原始信號A的數(shù)字化形式為Sr(nTs)，其中

式中，fs為中頻信號采樣頻率，Ts為采樣周期，n對應(yīng)為不同時刻的存儲地址，表示向下取整。對原數(shù)據(jù)進行I倍內(nèi)插、濾波處理后得到信號B，信號B的數(shù)據(jù)率為信號A的I倍，相應(yīng)的存儲地址n′及其對應(yīng)的延時M′可寫為

假設(shè)存儲器從首地址(n′＝0)開始存儲信號B，進行動態(tài)模擬時，如果從與原存儲地址相差M′個存儲單元的地址(n′-M′)中讀取信號B的數(shù)據(jù)，則相當于模擬了信號B被延遲M′個存儲單元的延時，對每個時間點都重復(fù)上述過程，即可實現(xiàn)信號B的動態(tài)模擬，最后對所得數(shù)據(jù)進行I倍抽取，還原數(shù)據(jù)率，即可得到數(shù)據(jù)率為fs的動態(tài)信號C。

2 仿真驗證

2.1 固定多普勒頻率動態(tài)模擬仿真

為驗證方案的可行性，對上述動態(tài)模擬方案進行仿真實驗。仿真中假設(shè)飛行器與測控站的相對速度為固定值(vτ＝-8km/s)，根據(jù)相關(guān)知識可知，固定速度對應(yīng)的多普勒頻率為固定值，對應(yīng)的延時τ為線性變化，為對比加載前后的效果，仿真中設(shè)置τ從0開始線性變化。仿真得到的真實延時τ、不內(nèi)插時模擬的延時τ(nτ·Ts)、內(nèi)插10倍后模擬的延時τ(n′τ·T′s)與時間的關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖2 距離延時的近似

從圖2可以看出，內(nèi)插后對各點加入的近似延時與真實延時的吻合程度較好。由圖3可以看出，內(nèi)插后對真實延時的近似效果比不內(nèi)插要好，因此采用內(nèi)插的方式模擬信號動態(tài)比直接模擬的精度高。

按上述方案對現(xiàn)廣泛應(yīng)用的標準TT＆C遙測信號、PCM_FM信號加入上述延時信息，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

TT＆C信號和PCM_FM信號的動態(tài)模擬效果如圖4和圖5所示。仿真圖中，標準動態(tài)信號是通過各信號的時域表達式直接生成，并以此信號作為判斷動態(tài)信息加載效果好壞的基準。

圖4 TT＆C信號動態(tài)模擬效果圖

圖5 PCM_FM信號動態(tài)模擬效果圖

從上述動態(tài)模擬的時域效果圖中可見，方案得到的動態(tài)信號與直接生成的動態(tài)信號基本一致。雖然無法從頻域效果圖中準確讀出PCM_FM信號的頻率偏移，但其頻率偏移與模擬的動態(tài)信息(fd＝-800kHz)基本一致，從TT＆C信號的頻域效果圖可明顯看出，動態(tài)信息加載后，信號中心頻率發(fā)生了偏移，且與加載的多普勒頻率信息一致(fd＝-800kHz)，由此證明前文所述方案能正確實現(xiàn)動態(tài)信息加載，且適應(yīng)多種體制測控信號的動態(tài)模擬。

2.2 變化多普勒頻率動態(tài)模擬仿真

為更加全面地考察方案的正確性，對加載變化多普勒頻率信息的測控信號進行模擬仿真對比。在此只選擇具有明顯峰值頻率的TT＆C信號進行仿真驗證。假設(shè)飛行器的多普勒頻率從零開始勻速變化，變化率為-200kHz/s，此處仍不考慮初始延時帶來的影響。

按照方案對原始信號加入對應(yīng)的延時后得到動態(tài)信號，并對每一段(1ms)動態(tài)數(shù)據(jù)進行FFT運算后求得動態(tài)信號的峰值頻率，將其與原靜態(tài)信號的峰值頻率、理想的多普勒頻率作對比，得到如圖6所示的結(jié)果。

圖6 TT＆C信號變化多普勒頻率加載效果

圖6(a)中，圖A給出了0～4s內(nèi)理想多普勒頻率和方案加載動態(tài)后的多普勒頻率對比效果，由于仿真時間較長，因此圖A中的加載多普勒頻率曲線是在100Hz頻率分辨率下計算得到的。從圖A中可以看出，模擬得到的多普勒頻率與理想多普勒頻率幾乎一致。為更好地顯示模擬效果，圖B給出了0～0.4s的理想多普勒頻率和動態(tài)模擬后的多普勒頻率對比效果，模擬曲線是在10Hz頻率分辨率下計算得到的。從局部放大圖C中可以看出，動態(tài)模擬得到的多普勒頻率與理想多普勒頻率之間有一定的差距，但誤差相對較小，且該誤差隨著時間的推移逐漸變小。

對模擬的多普勒頻率信息作誤差分析后得到圖6(b)所示結(jié)果。從圖中可以看出，在動態(tài)模擬開始時，多普勒頻率信息誤差比較大，但隨著加載時間的增加，誤差逐漸減小，最后穩(wěn)定在10Hz以內(nèi)，根據(jù)相應(yīng)參數(shù)可計算出此時速度信息加載精度約為0.1m/s。

綜合上述仿真結(jié)果可得出結(jié)論：采用多率信號處理方法對原信號進行延時，可正確地模擬測控信號的高動態(tài)特性。

3 精度分析

3.1距離信息加載精度

由動態(tài)模擬方案原理可知，使用前文所述方法模擬動態(tài)時，模擬的延時信息精度主要取決于數(shù)據(jù)率，內(nèi)插倍數(shù)越高，則數(shù)據(jù)率越高，從而模擬的延時信息越精確[5]。

假設(shè)原始信號經(jīng)I倍內(nèi)插和濾波處理，則數(shù)據(jù)率變?yōu)樵瓟?shù)據(jù)率的I倍，采樣點之間的間隔變?yōu)樵瓉淼?/I，可實現(xiàn)的最小延時為原來的1/I，即

其中，ΔT′和ΔT分別為內(nèi)插前、后的采樣點間隔。

假設(shè)能根據(jù)軌道數(shù)據(jù)正確計算得到整點延時數(shù)n′τ，且采用四舍五入計算，則每個數(shù)據(jù)點的延時誤差不超過半個采樣間隔，并且模擬的延時是根據(jù)軌道數(shù)據(jù)獨立計算，即前后數(shù)據(jù)點的延時誤差不會發(fā)生積累，因此使用該方法模擬動態(tài)信號，其距離信息加載精度為

由上式可知，要通過該方法達到距離精度優(yōu)于0.1m的要求，則需要內(nèi)插倍數(shù)I取滿足以下條件的整數(shù)

3.2 多普勒頻率信息加載精度

根據(jù)頻率與相位、時間的關(guān)系可知，接收信號瞬時相位φr為

其中，fRF為發(fā)射信號頻率，φ0為發(fā)射信號初始相位。多普勒頻率fd可寫為

假設(shè)動態(tài)模擬的延時誤差為Δτ，則接收信號的真實延時τ變?yōu)棣?Δτ，此時接收信號瞬時相位φ′r、多普勒頻率f′d分別為

由于動態(tài)信息加載中加載的延時信息是在中頻處理的，故上式中的fRF應(yīng)改為中頻頻率f0，因此多普勒頻率信息加載精度可表示為

將上述微分關(guān)系式轉(zhuǎn)化為差分關(guān)系式可得

根據(jù)距離信息加載精度分析可知，動態(tài)信號任意兩數(shù)據(jù)點之間的延時誤差Δτ1-Δτ2不超過ΔT′，由此可得

綜合上述結(jié)果，仿真得到多普勒頻率信息加載誤差與內(nèi)插倍數(shù)的關(guān)系，如圖7所示。仿真中假設(shè)信號中頻頻率為70MHz，內(nèi)插倍數(shù)I為1～40，Δt取速度積分時間5ms和50ms。

圖7 多普勒頻率加載精度與內(nèi)插倍數(shù)的關(guān)系

從圖7可以看出，多普勒頻率信息加載精度取決于信息加載時間以及內(nèi)插倍數(shù)。當內(nèi)插倍數(shù)一定時，多普勒頻率信息加載精度在短時間內(nèi)比較低，但由于式(6)中的延時信息加載誤差不會隨時間積累，因此隨著加載時間的延長，多普勒頻率信息加載誤差逐漸減小，精度相對提高，圖6(b)的誤差分析也證實了這一結(jié)論。當加載時間固定時，多普勒頻率信息加載誤差隨內(nèi)插倍數(shù)的增加而減小，多普勒頻率信息加載精度相應(yīng)提高。假設(shè)Δt按0.05s計算，ΔT′按滿足0.1m的距離加載精度(I＝27)計算，求得多普勒頻率信息加載精度Δf為0.93Hz，對應(yīng)的速度信息加載精度為0.93×10-2m/s。

4 結(jié)束語

本文在傳統(tǒng)存儲延時實現(xiàn)動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合多率信號處理理論，成功地實現(xiàn)了更高精度的測控信號大動態(tài)模擬，為測控設(shè)備動態(tài)性能測試中的動態(tài)信號模擬提供了一種有效的解決方案。仿真結(jié)果表明，本文方法能夠較好地實現(xiàn)測控信號大動態(tài)模擬，其動態(tài)模擬精度主要取決于數(shù)字信號處理中的內(nèi)插倍數(shù)，結(jié)果還表明，采用該方法模擬測控信號動態(tài)時，不需要限制原信號格式，相比傳統(tǒng)解調(diào)模式的動態(tài)信號模擬[6]具有更好的適應(yīng)性。

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俄羅斯“格洛納斯”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障

[據(jù)國防科技信息網(wǎng)2014年4月10日綜合報道]據(jù)每日衛(wèi)星新聞網(wǎng)站等多家媒體報道，2014年4月2日，由24顆“格洛納斯”衛(wèi)星組成的俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致服務(wù)中斷十幾個小時。

據(jù)國外媒體報道，俄羅斯官方還未就此次格洛納斯系統(tǒng)中斷事件原因進行詳細解釋。從理論上分析，此次故障可歸咎于系統(tǒng)故障、和/或軟件升級故障、因近期太陽耀斑導(dǎo)致無線電通信中斷、或者因賽博安全攻擊所致。另外，有分析稱此次故障可能是由于上載的星歷表有問題導(dǎo)致。在2010年4月，美國的GPS系統(tǒng)中的一顆衛(wèi)星曾在太陽耀斑發(fā)生后出現(xiàn)故障，不能執(zhí)行指令。

不論由什么原因引起的，“格洛納斯”衛(wèi)星系統(tǒng)在中斷近11～13個小時后才恢復(fù)。在此期間，故障影響到世界各地，尤其是專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如農(nóng)場的自動化拖拉機、采礦和重工業(yè)中的設(shè)備控制和機器人、國家基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域勘測人員以及跨國工業(yè)等。

(編輯部)

Dynam ic Simulation of TT＆C Signal Based on M ultirate Signal Processing

LiWei， Yang Chuanchuan， Hu Kai

A processingmethod，based on multirate signal processing，is proposed to implement the high dynamic simulation of TT＆C signal.It implements the integer delay of the static data by store-delay，and implements the fraction delay bymultirate signal processing，which can improve the simulation accuracy effectively and solve the problem of high dynamic simulation of TT＆C signal. The simulation results show that the method is able to realize high accuracy and high dynamic simulation of TT＆C signals with differentmodulations.The method provides a good way for the dynamic simulation in the dynamic performance test of TT＆C equipment.

Multirate signal processing； Dynamic simulation； Dynamic delay； TT＆C

V556；TN914.42

A

CN11-1780(2014)03-0013-06

李 偉 1989年生，碩士，主要研究方向為航天測控、數(shù)字信號處理等。

楊釧釧 1988年生，碩士，主要研究方向為電子設(shè)計自動化、嵌入式技術(shù)等。

胡 凱 1989年生，碩士，主要研究方向為航天測控、數(shù)字信號處理等。

2014-02-19 收修改稿日期：2014-03-03