劉鵬，吳宏超，郭全

JTIDS信號陣列高分辨測向仿真?

劉鵬1，吳宏超1，郭全2

（1.空軍航空大學(xué)信息對抗系，長春130022；2.空軍航空大學(xué)仿真技術(shù)研究所，長春130022）

提出了一種對JTIDS信號的高精度測向方法。首先詳細(xì)分析了JTIDS信號的傳輸特點，利用Matlab生成的JTIDS信號，然后依據(jù)空間譜估計中MUSIC測向算法的特點，將接收到的JTIDS信號按照脈沖分段，對單個脈沖所攜帶的數(shù)據(jù)進行處理，最后通過仿真得到不同信噪比環(huán)境下多個JTIDS信號方位角和俯仰角的估計精度，驗證了該方法的有效性。

JTIDS信號；陣列處理；空間譜估計；MUSIC算法；測向；DoA估計

1 引言

JTIDS（Joint Tactical Information Distribution System）是美軍Link16數(shù)據(jù)鏈的終端，采用高跳頻、擴頻、糾錯編碼等多種抗干擾技術(shù)。由于其在近些年幾場局部戰(zhàn)爭中所體現(xiàn)出的高效整合戰(zhàn)場資源和共享信息的能力，多個國家和地區(qū)也已先后從美軍購進該終端并已裝配部分作戰(zhàn)平臺，使得對JTIDS信號偵察和干擾的研究顯得尤為迫切。

目前，國內(nèi)少有詳細(xì)針對JTIDS信號測向方面的文獻(xiàn)與資料。2008年，中國電子科技集團公司第三十六研究所的郭細(xì)平工程師提出了采用干涉儀體制對JTIDS信號進行測向［1］，在信噪比大于5 dB時測向精度基本穩(wěn)定在2°以內(nèi)。然而，多種抗干擾技術(shù)使得JTIDS信號經(jīng)常工作在負(fù)信噪比環(huán)境下，而且該方法方位分辨率不高，所以顯然無法達(dá)到實偵要求。近些年來，空間譜估計技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，其在測向領(lǐng)域的優(yōu)勢也在很多文獻(xiàn)中得以論證和體現(xiàn)。本文將利用空間譜估計技術(shù)實現(xiàn)對JTIDS信號的高精度測向。

2 JTIDS信號模型

JTIDS信號產(chǎn)生、處理和發(fā)射過程如圖1所示。CCSK軟擴頻帶來的擴頻增益為10 lg（32／5）dB。載頻在頻段969～1 008 MHz、1 053～1 065 MHz和1 113～1 206 MHz 3個子頻段之間偽隨機選擇，共51個頻點，相鄰兩跳載頻間隔30 MHz以上［2］。最后信號MSK調(diào)制后經(jīng)全向天線發(fā)射。

其數(shù)學(xué)模型可以表示為［3］

式中，ωk為每跳的載波角頻率；Tc為碼元寬度；φk為第k個碼元的載波相位常數(shù)，在該碼元持續(xù)時間內(nèi)保持不變；c（t）為加密后的CCSK擴頻碼，取值±1，分別表示二進制信息1和0；等式后面的第一項是同相分量，也稱I分量；第二項是正交分量，也cosφk是同相分量的等效數(shù)據(jù)，-c（t）cosφk是正交分量的等效數(shù)據(jù)，并且同相分量和正交分量之間相差半個載波周期。

3 空時陣列模型

基于空時陣列信號處理的空間譜估計是一種新的數(shù)字測向技術(shù)，其分辨率突破了瑞利限的限制，常稱為“超分辨率測向”［4］。為了充分發(fā)揮其特點，在針對JTIDS信號方位檢測時，不僅要考慮其方向特征，還應(yīng)具備檢測俯仰角的能力，以此為判斷網(wǎng)絡(luò)平臺屬性提供一定依據(jù)（陸基平臺或是空中平臺）。所以假設(shè)M元面陣沿x、y軸等距布放，陣元間距為d（d＜λmin／2，λmin=c／fmax），第一個陣元設(shè)為坐標(biāo)原點。N個遠(yuǎn)場窄帶平穩(wěn)信號從不同方向入射，波達(dá)方向為（θi，φi）（i=1，2，…，N），分別表示方位角和俯仰角，其中方位角表示與x軸的夾角，如圖2所示。

該陣列輸出信號為

式中，Y（t）=［y1（t），…，yM（t）］T，S（t）=［s1（t），…，sN（t）］T，N（t）=［N1（t），…，NM（t）］T；A（t）為陣列方向矩陣：

其中，τ為各陣元接收到的信號延遲，

ωi分別為信號si（t）的瞬時角頻率。假設(shè)信號互不相關(guān)，噪聲為方差σ2的零均值高斯白噪聲，又因為噪聲之間以及噪聲與信號之間互不相關(guān)，則陣列接收信號Y（t）的協(xié)方差矩陣為

4 MUSIC算法在JTIDS信號測向中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的MUSIC算法適用于遠(yuǎn)場窄帶平穩(wěn)信號的方位估計，而JTIDS信號采用的跳頻機制使得無法直接利用MUSIC算法進行測向。鑒于此，可以考慮將接收到的JTIDS信號按照脈沖分段，以單獨的脈沖作為參考信號，在時頻分布中可看作一跳，這樣跳頻信號在任意一跳就可視為窄帶信號，如圖3中陰影所示，時頻圖所顯示的頻率為降頻后頻率。

經(jīng)過分段后，為了提高硬件處理速度和算法速度，通常需要利用本振將信號載頻降到較低的頻率進行處理，然而此處本振大小的選擇需滿足降頻后的JTIDS脈沖信號為窄帶信號。若信號帶寬為B，中心頻率為fc，則窄帶信號定義為［5］：B＜＜fc，即相為3 MHz，所以降頻后的JTIDS信號載頻的中心頻率fc必須大于30 MHz，也就是說本振頻率必須小于939 MHz。

經(jīng)過這兩步處理，就能按照常規(guī)空間譜估計算法對接收到的JTIDS信號進行方位估計。對式（4）中RYY進行特征值分解有

式中，US為信號子空間，UN為噪聲子空間，之后利用信號子空間的導(dǎo)向矢量a（θ）與噪聲子空間正交的特性在譜函數(shù)中進行譜峰搜索，即

在Link16網(wǎng)絡(luò)中，多個平臺所組成正交跳頻網(wǎng)絡(luò)自身會盡量避免跳頻點的碰撞，對自身通信造成影響，所以模型中不考慮相干信號的測向算法。

5 仿真實驗

在建立仿真模型之前，首先考慮測向的應(yīng)用背景，針對陸基JTIDS平臺，由于地球曲率影響必須采用機載偵察單元才能實現(xiàn)對其有效測向，所以天線陣所占空間必須考慮在內(nèi)，同時對于方位角和俯仰角測量精度的需求不同（要求方位精度高，為干擾提供依據(jù)；俯仰僅可以對目標(biāo)識別提供一些參考），仿真中采用8×3總共24根的平面天線陣，天線間距12 cm（d＜12.44 cm）。遠(yuǎn)場JTIDS信號分別從（60°，10°）、（50°，5°）、（150°，30°）的方向入射到天線陣，統(tǒng)計采樣時間內(nèi)每個信號的5跳信息，測得每跳載頻如表1所示，仿真中隨機選取每個JTIDS信號的第2跳作為信源。本振900 MHz，采樣頻率fs=2fcmax=612 MHz，譜估計的搜索步長為0.5°，在信噪比為10 dB的環(huán)境下3個JTIDS信號的測向結(jié)果如圖4所示。

圖4中譜峰所在位置即為JTIDS信號的DoA估計值。為了驗證算法的準(zhǔn)確性，定義測量均方根誤差為

式中，θi和φi分別為方位角和俯仰角的均值，θ＾i和φ＾i分別為方位角和俯仰角的估計值。分別在-5～15 dB的信噪比環(huán)境下進行100次蒙特卡羅實驗，100測的測量結(jié)果平均值作為該信噪比下的測量結(jié)果，得到的均方根誤差隨信噪比變化的曲線如圖5所示。

從圖中可以看到，由于天線陣陣型的原因使得對方位角的估計精度高于對俯仰角的估計精度，這符合之前文中所述的應(yīng)用需求。同時通過觀察知，即使在-10 dB的信噪比下，對方位角的估計精度約為1.7°，對俯仰角的估計精度約為2.8°；當(dāng)信噪比大于10 dB時俯仰角的估計精度在0.5°以下，而方位角在信噪比大于2 dB時估計精度就已達(dá)到0.5°。

通過以上方法還可以推出，本振頻率（采樣頻率）、譜估計搜索步長、天線陣的布局等條件的不同都會影響測向精度，例如降低本振頻率（提高采樣頻率）或減小譜估計搜索步長或天線陣中采用更多的天線（增大快拍數(shù)）都可以提高測向精度，但同樣會使估計時間增長，降低測向的實時性，具體過程由于篇幅所限不進行仿真說明。

6 結(jié)束語

本文在理論和算法上實現(xiàn)了對Link16數(shù)據(jù)鏈JTIDS信號的精確測向，仿真結(jié)果說明了該方法并在較低的信噪比下依然呈現(xiàn)良好的測向性能，為偵察裝備的設(shè)計論證提供了理論依據(jù)。目前，對于通信中高速跳頻電臺的測向依然還存在很多困難，在現(xiàn)實偵收環(huán)境中還要依賴JTIDS信號檢測性能、硬件處理速度和設(shè)備兼容情況等其他條件，這也是下一步研究工作的重點所在。

［1］郭細(xì)平.一種JTIDS信號測向新方法［J］.通信對抗，2008（2）：19-21.

GUO Xi-ping.A new direction finding method for JTIDS［J］.Communication Countermeasures，2008（2）：19-21.（in Chinese）

［2］Wilson W J.Communication for Network-Centric Operations：Creating the Information Force［C］／／Proceedings of 2001 IEEE Military Communication Conference.Tysons Corner，McLean，Virginia，USA：IEEE，2001：1-7.

［3］Chi-Han Kao.Performance Analysis of a JTIDS／Link-16 -type Waveform Transmitted over Slow，F(xiàn)lat Nakagami Fading Channels in The Presence of Narrowband Interference［D］.Monterey，California：Naval Postgraduate School，2008.

［4］王永良，陳輝，彭應(yīng)寧，等.空間譜估計理論與算法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

WANG Yong-liang，CHEN Hui，PENG Ying-ning，et al. Theory and arithmetic of spatial spectrum estimation［M］. Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese）

［5］黃可生.寬帶信號陣列高分辨處理技術(shù)研究［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005：9-10.

HUANG Ke-sheng.Research on high resolution processing of wideband array signal［D］.Changsha：National University of Defense Technology Press，2005：9-10.（in Chinese）

LIU Peng was born in Dandong，Liaoning Province，in 1982. He received the M.S.degree in 2008.He is now a lecturer.His research concerns communication countermeasure technology.

Email：m-zixu-j＠163.com

吳宏超（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事電子對抗偵察方面的研究；

WU Hong-chao was born in Harbin，Heilongjiang Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2008.He is now a lecturer.His research concerns electronic countermeasure reconnaissance technology.

郭全（1982—），男，山西大同人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事軍事仿真技術(shù)研究。

GUO Quan was born in Datong，Shanxi Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2008.He is now a lecturer.His research concerns military simulation technology.

Simulation of Array High Resolution DoA Estimation of JTIDS Signals

LIU Peng1，WU Hong-chao1，GUO Quan2
（1.Information Countermeasure Department，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China；2.Institute of Simulation Technology，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

A high precision method for DoA（Direction of Arrival）estimation of JTIDS is proposed.The JTIDS signal is generated by Matlab through analysing the transmission characters.Based on the character of MUSIC arithmetic in spatial spectrum estimation，the

JTIDS signal is cut in term of pulse into subsection，and the information in the single pulse is processed.Finally，estimation precision of azimuth and pitching angle of multi-JTIDS signal at different signal-to-noise ratio is obtained by simulation，and the results validate the effectiveness of this method.

JTIDS signal；array processing；spatial spectrum estimation；MUSIC arithmetic；direction finding；DoA estimation

TN82；TN97

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.033

劉鵬（1982—），男，遼寧丹東人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事通信對抗方面的研究；

1001-893X（2012）07-1206-04

2011-08-29；

2012-03-07