基于多通道矢量信號源的時差定位系統(tǒng)性能測試

李文臣

(中國洛陽電子裝備試驗中心, 河南 洛陽 471003)

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·信號/數據處理·

基于多通道矢量信號源的時差定位系統(tǒng)性能測試

李文臣

(中國洛陽電子裝備試驗中心, 河南 洛陽 471003)

時差定位系統(tǒng)測試是系統(tǒng)性能評估的重要組成部分。為了測試時差定位系統(tǒng)復雜電磁信號環(huán)境適應性，可以采用半實物仿真測試模式構建多輻射源和多路徑信號環(huán)境。利用多通道矢量信號源模擬產生某定位場景下各基站的接收信號，用于時差定位系統(tǒng)測試。文中介紹了利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器構建四站時差定位測試環(huán)境，用于測試四站時差定位系統(tǒng)的時差測量精度、時差定位精度、復雜電磁信號環(huán)境適應性等系統(tǒng)性能參數。

時差定位系統(tǒng)；定位精度；半實物仿真；復雜電磁信號環(huán)境

0 引 言

時差定位系統(tǒng)在導航、遙感、航空、監(jiān)控等方面有著廣泛的應用[1-2]。時差定位系統(tǒng)依靠兩個觀測站采集到的同一輻射源信號的到達時間差確定一對雙曲面(線)，多個雙曲面(線)相交就可以得到目標輻射源的位置，為了消除模糊，平面內輻射源定位一般需要至少3個定位站，三維空間定位一般需要至少4個定位站[3-5]。由于時差定位系統(tǒng)具有反隱身性能和隱蔽性的特點，因此其發(fā)展和應用越來越受到人們的重視。

為了有效評估時差定位系統(tǒng)性能，需要建立具有復雜電磁環(huán)境模擬能力的系統(tǒng)測試平臺。時差定位系統(tǒng)測試包括真實場景測試模式和半實物仿真測試模式(虛擬場景測試模式)。真實場景測試模式按照實際定位場景部署定位基站和輻射源，在真實場景中測試時差定位性能[6-7]；半實物仿真測試模式利用多通道矢量信號源模擬產生某定位場景下各基站的接收信號，并用饋線注入到各定位基站，各基站位置采用虛擬注入方式。半實物仿真測試模式具有復雜環(huán)境構建容易、測量數據精度高、試驗重復性好、費效比低等優(yōu)點，和真實場景測試模式相比具有一定優(yōu)勢。本文分析了時差定位系統(tǒng)半實物仿真測試方法，利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器構建四站時差定位測試環(huán)境。

1 時差定位系統(tǒng)原理

設待定位的輻射源位置為R(x,y,z)，主站位置R0(x0,y0,z0)，副站位Ri(xi,yi,zi)，(i=1,2,3)，設定主站位置為坐標原點，即可(x0,y0,z0)=(0,0,0)。時差定位測量站分布如圖1所示。

圖1 四站時差定位測量站分布

目標信號到各站的時間分別為ti(i=0,1,2,3)，利用時差測量得到信號到達第i副站與主站的距離差為

di=c(ti-t0)=

(1)

式中：c為光速。4個基站可以得到3個距離差方程，可以無模糊的解算目標位置R(x,y,z)。

2 多通道矢量信號源信號環(huán)境模擬能力

2.1 多通道矢量信號源

多通道矢量信號發(fā)生器(例如R&S SMW200A)能生成高品質復雜數字調制信號，頻率范圍100 kHz～20 GHz，內置160 MHz的I/O調制帶寬，具有2個基帶模塊和4個衰落模擬模塊。2個基帶模塊最多8個基帶發(fā)生器，帶實時編碼器和ARB任意波形發(fā)生器(儲存深度1G采樣)。內置衰落模擬選件是SMW200A區(qū)別其他射頻矢量信號發(fā)生器的重要標志，使用最新FPGA技術實現最多4個衰落模擬模塊，可以模擬16個衰落通道(衰落模擬器)，每條衰落通道具有最多20條衰落節(jié)拍(20個衰落節(jié)拍分成4組，每組5個衰減節(jié)拍)，可以仿真模擬室內多路徑信號[8]。

衰落通道中衰落節(jié)拍配置示意圖如圖2所示。每個信道的延遲包括基本延遲與附加延遲，基本延遲設置范圍0 s～0.5 s，時間分辨率為10 ns，附加延遲由4組衰落節(jié)拍控制，設置范圍最大0 μs～40 μs，每組節(jié)拍中前3個節(jié)拍提供2.5 ps的精確時間分辨率，后兩個節(jié)拍提供5 ns的標準時間分辨率。

圖2 衰落通道中衰落節(jié)拍配置示意圖

SMW200A可以模擬GSM/EDGE、EDGE Evolution、3GPP FDD、CDMA2000等多種數字調制的基帶信號和任意波形編輯能力。一臺SMW200A有2路I/Q輸出，通過外連接SGS100A信號發(fā)生器，可以再產生2路射頻信號，因此SMW200A能夠逼真模擬MIMO場景，例如2*2MIMO、4*4MIMO、8*2MIMO等，當需要更多射頻路徑，可以利用多臺SMW200A和SGS100A搭建。

2.2 用儀器搭建的四站時差定位測試環(huán)境

在實際應用中，時差定位系統(tǒng)面臨空間多輻射源的復雜信號環(huán)境，輻射源信號包括常規(guī)脈沖信號、LFM信號、編碼信號、連續(xù)波信號、干擾信號等多種信號樣式，另外多類信號間存在交疊。不同信號樣式對不同體制時差測量有不同的影響。當時差定位基站瞬時帶寬內有多部輻射源信號或多路徑信號時，基站接收信號交疊會使時差定位系統(tǒng)的信號分選、識別和脈沖配對變的非常困難。因此，復雜電磁環(huán)境測試是時差定位系統(tǒng)測試的重要環(huán)節(jié)。

R&S SMW200A矢量信號源非常適用于MIMO信號測試，利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器構建四站時差定位態(tài)勢，輸出四個定位基站模擬接收信號，并用電纜分別注入到多個定位基站。通過仿真進程推進，完成時差定位系統(tǒng)半實物仿真測試。用儀器搭建的四站時差定位測試環(huán)境如圖3所示。MIMO信號環(huán)境可以利用多臺SMW200A和SGS100A組合構建，具體可以參見文獻[8]。

圖3 用儀器搭建的四站時差定位測試環(huán)境

SMW200A中4*4MIMO信號輸出配置界面如圖4所示。 基帶部分提供4個信號源和16個邏輯衰落模擬器，4個基帶信號A-D，分別經過多信道衰落調制，并合成輸出到射頻輸出端，模擬4個基站接收。SMW200A內置了雙通道矢量信號發(fā)生器，射頻A，B經過矢量信號發(fā)生器本身輸出；C，D射頻輸出端分別經過兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器產生，兩儀器間通過I/Q模擬通道或數字通道連接。最終生成所需的測試信號并對外輸出。通過儀器面板參數設置完成空間信道的傳輸時延、空間衰減、多普勒頻移以及信噪比的模擬，也可以用計算機程序控制實現。

圖4 SMW200A中4*4MIMO信號輸出配置界面

3 四站時差定位半實物仿真系統(tǒng)測試信號產生流程和關鍵控制模型

3.1 半實物仿真系統(tǒng)測試信號產生流程

時差定位半實物仿真系統(tǒng)是把數學模型、射頻模擬系統(tǒng)、時差定位系統(tǒng)聯合在一起的仿真試驗系統(tǒng)。利用數學模型和射頻模擬系統(tǒng)可以構建4個輻射源和4個接收基站的復雜電磁信號環(huán)境，半實物仿真系統(tǒng)的最小時間分辨率2.5 ps，遠小于時差定位系統(tǒng)時延測量精度，因此滿足時差定位系統(tǒng)測試環(huán)境構建需求。半實物仿真系統(tǒng)可以形成射頻閉環(huán)仿真環(huán)境，按照時差定位系統(tǒng)定位數據率設置仿真步進間隔，推進仿真進程。根據仿真時間推進，解算時差定位基準站和空間輻射源的空間位置、運動參數、系統(tǒng)參數等參數信息，產生位置和速度、信號參數、天線指向等參數，解算各定位基站接收信號的時序(路徑時延)、信號強度和多普勒等仿真控制參數，控制各信號仿真分系統(tǒng)硬件模塊，完成射頻信號的產生，并注入到時差定位各基站?；赟MW200A的時差定位系統(tǒng)半實物仿真測試信號產生流程圖如圖5所示。

圖5 時差定位系統(tǒng)半實物仿真測試信號產生流程圖

測試時半實物仿真系統(tǒng)與時差定位系統(tǒng)之間能夠數據通信，通過LAN或GPIB數據總線實時傳輸時間-時差定位基站位置信息，以滿足時差定位系統(tǒng)自身定位需求。測試獲得時差測量精度、時差定位精度、復雜電磁信號環(huán)境適應性等系統(tǒng)性能參數。

3.2 信號幅度模型

定位基站偵收到輻射源信號強度為

(2)

式中：Pr為偵收天線輸出的輻射源信號功率；Pt為輻射源輸出功率；Gt為輻射源天線增益；Gr為定位基站天線增益；λ為信號波長；R為偵收天線至輻射源的距離；Lp為偵收天線極化損耗；Lt為輻射源發(fā)射天線饋線損耗；Lr為偵收天線饋線損耗；Ft為輻射源天線方向圖因子；Fr為偵收天線方向圖因子。

3.3 時延控制模型

由于延遲系統(tǒng)存在時延量化分辨率，因此需要將時延量化成離散數字量，第i基站的時延控制量為

(3)

式中：Ri為輻射源相對于各時差定位站的徑向距離；Δτ為時延量化分辨率；c為光速；round為取整函數。

輻射源相對于各時差定位基站的徑向距離為

(4)

式中：[xs,ys,zs]為輻射源位置。[xi,yi,zi]為時差定位基站位置。

由于時差是相對的，可以求取最小時延基站編號，其他基站的時間延遲控制為

Δti=ti-tq

(5)

式中：q為最小時延基站編號，對應延遲控制為Δtq=0，其他基站延遲為正值。

4 結束語

時差定位半實物仿真系統(tǒng)具有復雜環(huán)境構建容易、測量數據精度高、試驗重復性好、費效比低等優(yōu)點，是時差定位系統(tǒng)內場試驗和定位性能測試的重要環(huán)節(jié)。本文給出了時差定位系統(tǒng)原理，以及多通道矢量信號環(huán)境需求，并介紹了多通道矢量信號源信號環(huán)境模擬能力。最后給出了時差定位系統(tǒng)半實物仿真測試控制流程和測試模型，構建了時差定位測試環(huán)境，用于測試四站時差定位系統(tǒng)時差測量精度、定位精度、復雜電磁信號環(huán)境適應性等系統(tǒng)性能參數。

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李文臣 男，1972年生，博士，高級工程師。研究方向為組網雷達對抗、無源定位試驗評估、雷達極化信號處理、電子系統(tǒng)建模仿真與評估、彈道導彈攻防對抗、信號分析處理與測試等。

TOA Location System Performance Test Based on Multichannel Vector Signal Generator

LI Wenchen

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China, Luoyang 471003, China)

The TOA location system testing is the key component of system performance evaluation. In order to test the complicated electromagnetic signal environment adaptability of TOA location system, the semi-physical simulation scheme was used to build the testing multiple signal source and the multipath signal environment. The TOA location base station received signal of determinant location situation was built by the multichannel vector signal generators. In this paper, the four stations TOA location testing environment was built based on the double-channel vector signal generators R&S SMW200A and two vector signal generators R&S SGS100A, based on which the system performance parameters such as time difference testing accuracy, TOA location accuracy and complicated electromagnetic signal environment adaptability were tested.

TOA location system; location accuracy; semi-physical simulation; complicated electromagnetic signal environment

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.006

李文臣 Email：leewench@sohu.com

2015-06-22

2015-09-10

TN957

A

1004-7859(2015)10-0021-04