基于無線信道仿真儀的雙星定位半實物仿真

盧 鑫，董喬忠，朱曉丹

（中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

無源偵察定位中，衛(wèi)星平臺截獲地面目標(biāo)發(fā)射的信號，衛(wèi)星平臺具有較快的移動速度，且與目標(biāo)之間具有一定的加速度，信號從地面?zhèn)鞑サ竭_(dá)衛(wèi)星的路徑中涉及干擾、衰落等現(xiàn)象，以及點到點、點到多點傳播的情形。因此，對于空間電子偵察，如何在實驗室環(huán)境中，對系統(tǒng)進(jìn)行真實而準(zhǔn)確的評估、測試、優(yōu)化和驗證，是一直以來需要解決的問題。單純的數(shù)字仿真由于沒有考慮實際物理系統(tǒng)現(xiàn)場信號特征，仿真結(jié)果與實際應(yīng)用結(jié)果差別較大。為了引入研究對象實際工作時的真實場景，使得數(shù)學(xué)模型與實際系統(tǒng)相連接，理論研究與工程應(yīng)用密切聯(lián)系，可采用無線信道仿真儀，在實驗室環(huán)境下創(chuàng)立和運(yùn)行多種真實的測試場景，構(gòu)建基于數(shù)字接收機(jī)的半實物仿真平臺。采用這種半實物仿真技術(shù)，仿真環(huán)境是準(zhǔn)確而且可控的，并且盡可能地在仿真系統(tǒng)中接入實體，能夠在仿真階段最大程度上測試實際系統(tǒng)的硬件體系、軟件邏輯、數(shù)據(jù)接口、軟硬件可靠性以及核心算法的正確性及可行性。

1 雙星時差頻差偵察定位原理及其誤差來源

雙星時差頻差無源被動定位時，位于地面目標(biāo)輻射源發(fā)出的信號傳播到同軌道或者在相近的軌道同向運(yùn)行的衛(wèi)星1、衛(wèi)星2。分別對兩個衛(wèi)星上的接收信號進(jìn)行處理，于是兩個觀測平臺所接收信號的互模糊函數(shù)可以表示為：

式中，s1（t）、s2（t）分別為接收機(jī)1、接收機(jī)2接收的同一輻射源發(fā)射的信號，Δt為信號傳輸路徑不同產(chǎn)生的時差，Δf 為相對運(yùn)動速度不同產(chǎn)生的多普勒頻差。

雙星時差頻差定位處理如圖1所示，在觀測時段內(nèi)，對兩個通道接收信號進(jìn)行處理，有兩種方法：一種分兩步進(jìn)行，先相關(guān)處理提取時差、頻差參數(shù)，再進(jìn)行定位；一種直接進(jìn)行定位，將互模糊函數(shù)與位置信息匹配，尖峰所在位置即目標(biāo)所在位置。采用哪種方法取決于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及指標(biāo)要求。

定位精度是衡量定位系統(tǒng)性能的最重要指標(biāo)之一，即目標(biāo)估計位置與真實位置之間的誤差，一般用圓概率誤差來表示。定位誤差分為兩類，一類是由于信號因素產(chǎn)生的誤差，包括信號載頻、帶寬、調(diào)制方式、信噪比以及環(huán)境因素對信號的影響；一類是非信號因素產(chǎn)生的誤差，包括目標(biāo)和偵察平臺的相對位置，定位處理系統(tǒng)的硬件指標(biāo)等。

圖1 時差頻差定位處理框圖

2 半實物仿真平臺

對定位誤差進(jìn)行分析是一項非常復(fù)雜的過程，本文構(gòu)建半實物仿真平臺，對影響因素進(jìn)行深入研究。

半實物仿真平臺如圖2所示，由信號源模擬地面目標(biāo)發(fā)射信號，經(jīng)無線信道仿真儀，模擬地面至空間衛(wèi)星傳輸路徑，產(chǎn)生含有時延及頻移信息的到達(dá)信號，再通過數(shù)字接收機(jī)對到達(dá)信號進(jìn)行接收處理，獲取目標(biāo)特征及其位置信息。

信號源頻率分辨率為0.001Hz，通 過 功 分 器 一 分 為二，分別輸入無線信道仿真儀的兩個衰落信道，對無線信道仿真儀的ASO 模塊（航空及衛(wèi)星建模工具選件）進(jìn)行設(shè)置及編程，模擬產(chǎn)生到達(dá)信號。無線信道仿真儀射頻頻率范圍350MHz～6GHz，射 頻 帶 寬65MHz，路徑時延分辨率0.1ns，傳播時延最大6.4ms，多普勒分辨率0.30mHz，多普勒頻移最大1.25MHz，相對路徑損耗0～60dB。無線信道仿真儀衰落信道產(chǎn)生的兩路到達(dá)信號分別由數(shù)字接收機(jī)的兩塊板卡進(jìn)行接收處理，采樣率100MHz，時間同步精度優(yōu)于1ns，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-11。

2.1 衛(wèi)星運(yùn)動仿真

使用無線信道仿真儀產(chǎn)生到達(dá)信號，需要對ASO模塊進(jìn)行建模，有兩種方式，一種是設(shè)置時延和頻移參數(shù)，一種是輸入衛(wèi)星運(yùn)動軌跡和目標(biāo)位置。前一種方式適用于參數(shù)固定不變或是按照一定規(guī)律變化的情況，后一種方式適用于衛(wèi)星運(yùn)動真實動態(tài)場景模擬。

STK 衛(wèi)星工具軟件運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法可以迅速準(zhǔn)確地計算出衛(wèi)星任意時刻的位置、姿態(tài)，產(chǎn)生模擬衛(wèi)星運(yùn)動飛行軌跡。半實物仿真試驗中，雙星飛行軌跡初始時刻坐標(biāo)參數(shù)（地固坐標(biāo)系）如表1所示，衛(wèi)星軌道根數(shù)如表2所示。

表1 衛(wèi)星初始坐標(biāo)

表2 軌道根數(shù)

圖2 半實物仿真平臺示意圖

2.2 基于VPX 平臺的數(shù)字接收處理機(jī)

半實物仿真試驗中的數(shù)字接收機(jī)是基于VPX 平臺的，采用VPX 總線（即VITA 46.0），模塊間高速數(shù)據(jù)傳輸采用RapidIO 協(xié)議（即VITA 46.3），支持RapidIO 4x，共5 槽SRIO Mesh互聯(lián)拓?fù)?。除了機(jī)箱、背板外，接收機(jī)配置2個A／D 模塊，1個FPGA 處理模 塊，1個DSP 模 塊，1個 控 制 模 塊，1個 電 源 模 塊。平臺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足模塊間的高速信號互連、系統(tǒng)控制、參考時鐘、秒脈沖、重構(gòu)、管理等互連互通要求。

接收機(jī)分別對脈沖信號和連續(xù)波信號進(jìn)行處理，結(jié)構(gòu)及信息流程如圖2中的數(shù)字接收模塊所示，A／D采樣模塊完成對兩路A／D 采樣信號的預(yù)處理、脈沖信號PDW 提??；FPGA 處理模塊，使用其中一片Xilinx V6FPGA 器件，完成連續(xù)波信號的協(xié)處理；DSP處理模塊，使用一片TI C6678DSP器件，完成脈沖信號的數(shù)據(jù)處理和連續(xù)波信號的數(shù)據(jù)處理；控制模塊，使用基于Power Pc，Vxworks的控制系統(tǒng)，對脈沖和連續(xù)波處理進(jìn)行控制并完成處理結(jié)果的轉(zhuǎn)發(fā)；計算結(jié)果由網(wǎng)口傳輸至上位機(jī)顯示。

2.3 對雷達(dá)和通信輻射源的定位處理

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，接收機(jī)截獲多個同時到達(dá)信號，進(jìn)行定位最直接的方法是采用二維搜索方式計算接收信號的互模糊函數(shù)，然后在每一個信號可分辨區(qū)域內(nèi)判斷互模糊函數(shù)是否有局部最大值，并估計出是否存在真實信號。這種方法可以適應(yīng)較低的信噪比，分辨力高，但計算量太大，對硬件系統(tǒng)要求很高。為此，先對接收的多個信號進(jìn)行分選，再分別對每個信號進(jìn)行定位。

對于雷達(dá)信號，采用常規(guī)方法分選，再根據(jù)到達(dá)不同平臺的同一輻射源特征字不變的原則，進(jìn)行相關(guān)處理，找出同一輻射源的兩個脈沖序列。為了得到足夠精度的測量結(jié)果，必須積累足夠長度的樣點進(jìn)行計算。為降低計算量，針對雷達(dá)脈沖的特點，由脈沖包絡(luò)先測時差，再在頻域進(jìn)行搜索測頻差。處理流程如圖3所示。

對于通信信號，根據(jù)來自不同空間位置的信號產(chǎn)生的時差頻差不同進(jìn)行分選、配對，由粗測得到信號個數(shù)，根據(jù)估計出的信號個數(shù)依次對每一個信號進(jìn)行時差頻差精確測量和定位。處理流程如圖4所示。

3 試驗結(jié)果

半實物仿真試驗開展兩項實驗內(nèi)容，首先驗證半實物仿真模型的正確性，然后在此基礎(chǔ)上研究各種因素對定位精度的影響。

圖3 雷達(dá)信號定位處理

圖4 通信信號定位處理

實驗一：輸入發(fā)射頻率450MHz脈沖及連續(xù)波信號，通過無線信道仿真儀建模，分別對三種場景進(jìn)行測試：1）模擬理想場景，假定時延和頻移不隨時間變化；2）模擬理想時變場景，假定時延和頻移隨時間線性變化；3）根據(jù)STK 軟件產(chǎn)生的雙星軌跡，模擬真實場景，時延和頻移隨時間近似呈二次函數(shù)曲線變化。

實驗二：在各種因素影響下分析定位誤差，主要考慮信號因素、硬件數(shù)字處理系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差、幾何位置關(guān)系等幾項因素。

3.1 定位精度理論分析

各種因素的影響最終歸結(jié)為時差測量誤差、頻差測量誤差以及幾何放大因子。當(dāng)時差測量誤差25ns、載頻1GHz時頻差測量誤差1.2Hz、衛(wèi)星軌道高度800km、間距50km 時，定位精度理論分布如圖5（a）所示。當(dāng)增加基線長度，衛(wèi)星間距改變?yōu)?00km 時，定位精度理論分布如圖5（b）所示。

圖5 定位精度理論分布

3.2 半實物仿真定位精度分析

在半實物仿真三種測試場景中，第二種場景對時差頻差測量按照線性變化模型進(jìn)行處理，第三種場景按照二次曲線變化模型進(jìn)行處理，所得結(jié)果與第一種場景測試結(jié)果精度相當(dāng)，這與Matlab純數(shù)字仿真中對數(shù)學(xué)模型的預(yù)期是一致的。由此可見，建立的半實物仿真系統(tǒng)是合理的，建立的數(shù)學(xué)模型是基本正確的。以上測試分兩種情況，對于典型的通信信號和雷達(dá)信號，一是在非常高的信噪比條件下進(jìn)行測試，可以認(rèn)為沒有其他因素的影響，僅由數(shù)字處理系統(tǒng)產(chǎn)生測量誤差；二是綜合發(fā)射信號功率，路徑衰減以及GPS導(dǎo)航造成的平臺同步誤差等影響因素，進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 時差頻差測量誤差統(tǒng)計

在各種誤差影響下，考慮基線長度50km 和100km 兩種配置情況，對位于不同位置的目標(biāo)進(jìn)行定位，并統(tǒng)計定位圓概率誤差，如表4所示。

表4 不同位置目標(biāo)定位圓概率誤差

可以看出，表4中半實物仿真系統(tǒng)的定位誤差，在時差／頻差測量誤差與圖5中的仿真條件接近時，與理論誤差是趨于一致的，系統(tǒng)所采用的核心算法基本得到驗證。同時，從表4可以看出，定位精度受信號綜合因素的影響非常大，為此可以采用提高接收天線增益、提高接收機(jī)靈敏度，提高GPS 導(dǎo)航精度等措施。同樣，增加基線長度也可以提高定位精度，但是基線長度的增加不應(yīng)帶來其他因素誤差的增加，為此同樣需要采用提高天線增益、提高接收機(jī)靈敏度的措施。對于數(shù)字處理系統(tǒng)帶來的誤差，從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，如果誤差減少一半，定位誤差相應(yīng)減少一半，為此可以提高AD 采樣的時間同步精度，時鐘穩(wěn)定度，選用數(shù)字處理芯片的精度等減少誤差的影響。

4 結(jié)束語

本文對雙星時差頻差定位半實物仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)能夠真實地模擬空間偵察衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境及偵收信號場景，具有較高的仿真置信度和可靠度，對于研究雙星時差頻差定位系統(tǒng)性能具有較為重要的意義?！?/p>

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