李文臣

(中國(guó)洛陽電子裝備試驗(yàn)中心, 河南 洛陽 471003)

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·信號(hào)/數(shù)據(jù)處理·

基于多通道矢量信號(hào)源的時(shí)差定位系統(tǒng)性能測(cè)試

李文臣

(中國(guó)洛陽電子裝備試驗(yàn)中心, 河南 洛陽 471003)

時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試是系統(tǒng)性能評(píng)估的重要組成部分。為了測(cè)試時(shí)差定位系統(tǒng)復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境適應(yīng)性，可以采用半實(shí)物仿真測(cè)試模式構(gòu)建多輻射源和多路徑信號(hào)環(huán)境。利用多通道矢量信號(hào)源模擬產(chǎn)生某定位場(chǎng)景下各基站的接收信號(hào)，用于時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試。文中介紹了利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個(gè)SGS100A矢量信號(hào)發(fā)生器構(gòu)建四站時(shí)差定位測(cè)試環(huán)境，用于測(cè)試四站時(shí)差定位系統(tǒng)的時(shí)差測(cè)量精度、時(shí)差定位精度、復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境適應(yīng)性等系統(tǒng)性能參數(shù)。

時(shí)差定位系統(tǒng)；定位精度；半實(shí)物仿真；復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境

0 引 言

時(shí)差定位系統(tǒng)在導(dǎo)航、遙感、航空、監(jiān)控等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。時(shí)差定位系統(tǒng)依靠?jī)蓚€(gè)觀測(cè)站采集到的同一輻射源信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差確定一對(duì)雙曲面(線)，多個(gè)雙曲面(線)相交就可以得到目標(biāo)輻射源的位置，為了消除模糊，平面內(nèi)輻射源定位一般需要至少3個(gè)定位站，三維空間定位一般需要至少4個(gè)定位站[3-5]。由于時(shí)差定位系統(tǒng)具有反隱身性能和隱蔽性的特點(diǎn)，因此其發(fā)展和應(yīng)用越來越受到人們的重視。

為了有效評(píng)估時(shí)差定位系統(tǒng)性能，需要建立具有復(fù)雜電磁環(huán)境模擬能力的系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試包括真實(shí)場(chǎng)景測(cè)試模式和半實(shí)物仿真測(cè)試模式(虛擬場(chǎng)景測(cè)試模式)。真實(shí)場(chǎng)景測(cè)試模式按照實(shí)際定位場(chǎng)景部署定位基站和輻射源，在真實(shí)場(chǎng)景中測(cè)試時(shí)差定位性能[6-7]；半實(shí)物仿真測(cè)試模式利用多通道矢量信號(hào)源模擬產(chǎn)生某定位場(chǎng)景下各基站的接收信號(hào)，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(shí)物仿真測(cè)試模式具有復(fù)雜環(huán)境構(gòu)建容易、測(cè)量數(shù)據(jù)精度高、試驗(yàn)重復(fù)性好、費(fèi)效比低等優(yōu)點(diǎn)，和真實(shí)場(chǎng)景測(cè)試模式相比具有一定優(yōu)勢(shì)。本文分析了時(shí)差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試方法，利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個(gè)SGS100A矢量信號(hào)發(fā)生器構(gòu)建四站時(shí)差定位測(cè)試環(huán)境。

1 時(shí)差定位系統(tǒng)原理

設(shè)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(shè)定主站位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，即可(x0,y0,z0)=(0,0,0)。時(shí)差定位測(cè)量站分布如圖1所示。

圖1 四站時(shí)差定位測(cè)量站分布

目標(biāo)信號(hào)到各站的時(shí)間分別為ti(i=0,1,2,3)，利用時(shí)差測(cè)量得到信號(hào)到達(dá)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(gè)基站可以得到3個(gè)距離差方程，可以無模糊的解算目標(biāo)位置R(x,y,z)。

2 多通道矢量信號(hào)源信號(hào)環(huán)境模擬能力

2.1 多通道矢量信號(hào)源

多通道矢量信號(hào)發(fā)生器(例如R&S SMW200A)能生成高品質(zhì)復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號(hào)，頻率范圍100 kHz～20 GHz，內(nèi)置160 MHz的I/O調(diào)制帶寬，具有2個(gè)基帶模塊和4個(gè)衰落模擬模塊。2個(gè)基帶模塊最多8個(gè)基帶發(fā)生器，帶實(shí)時(shí)編碼器和ARB任意波形發(fā)生器(儲(chǔ)存深度1G采樣)。內(nèi)置衰落模擬選件是SMW200A區(qū)別其他射頻矢量信號(hào)發(fā)生器的重要標(biāo)志，使用最新FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)最多4個(gè)衰落模擬模塊，可以模擬16個(gè)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(gè)衰落節(jié)拍分成4組，每組5個(gè)衰減節(jié)拍)，可以仿真模擬室內(nèi)多路徑信號(hào)[8]。

衰落通道中衰落節(jié)拍配置示意圖如圖2所示。每個(gè)信道的延遲包括基本延遲與附加延遲，基本延遲設(shè)置范圍0 s～0.5 s，時(shí)間分辨率為10 ns，附加延遲由4組衰落節(jié)拍控制，設(shè)置范圍最大0 μs～40 μs，每組節(jié)拍中前3個(gè)節(jié)拍提供2.5 ps的精確時(shí)間分辨率，后兩個(gè)節(jié)拍提供5 ns的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(shù)字調(diào)制的基帶信號(hào)和任意波形編輯能力。一臺(tái)SMW200A有2路I/Q輸出，通過外連接SGS100A信號(hào)發(fā)生器，可以再產(chǎn)生2路射頻信號(hào)，因此SMW200A能夠逼真模擬MIMO場(chǎng)景，例如2*2MIMO、4*4MIMO、8*2MIMO等，當(dāng)需要更多射頻路徑，可以利用多臺(tái)SMW200A和SGS100A搭建。

2.2 用儀器搭建的四站時(shí)差定位測(cè)試環(huán)境

在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)差定位系統(tǒng)面臨空間多輻射源的復(fù)雜信號(hào)環(huán)境，輻射源信號(hào)包括常規(guī)脈沖信號(hào)、LFM信號(hào)、編碼信號(hào)、連續(xù)波信號(hào)、干擾信號(hào)等多種信號(hào)樣式，另外多類信號(hào)間存在交疊。不同信號(hào)樣式對(duì)不同體制時(shí)差測(cè)量有不同的影響。當(dāng)時(shí)差定位基站瞬時(shí)帶寬內(nèi)有多部輻射源信號(hào)或多路徑信號(hào)時(shí)，基站接收信號(hào)交疊會(huì)使時(shí)差定位系統(tǒng)的信號(hào)分選、識(shí)別和脈沖配對(duì)變的非常困難。因此，復(fù)雜電磁環(huán)境測(cè)試是時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試的重要環(huán)節(jié)。

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

圖3 用儀器搭建的四站時(shí)差定位測(cè)試環(huán)境

SMW200A中4*4MIMO信號(hào)輸出配置界面如圖4所示。 基帶部分提供4個(gè)信號(hào)源和16個(gè)邏輯衰落模擬器，4個(gè)基帶信號(hào)A-D，分別經(jīng)過多信道衰落調(diào)制，并合成輸出到射頻輸出端，模擬4個(gè)基站接收。SMW200A內(nèi)置了雙通道矢量信號(hào)發(fā)生器，射頻A，B經(jīng)過矢量信號(hào)發(fā)生器本身輸出；C，D射頻輸出端分別經(jīng)過兩個(gè)SGS100A矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，兩儀器間通過I/Q模擬通道或數(shù)字通道連接。最終生成所需的測(cè)試信號(hào)并對(duì)外輸出。通過儀器面板參數(shù)設(shè)置完成空間信道的傳輸時(shí)延、空間衰減、多普勒頻移以及信噪比的模擬，也可以用計(jì)算機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)。

圖4 SMW200A中4*4MIMO信號(hào)輸出配置界面

3 四站時(shí)差定位半實(shí)物仿真系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生流程和關(guān)鍵控制模型

3.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生流程

時(shí)差定位半實(shí)物仿真系統(tǒng)是把數(shù)學(xué)模型、射頻模擬系統(tǒng)、時(shí)差定位系統(tǒng)聯(lián)合在一起的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。利用數(shù)學(xué)模型和射頻模擬系統(tǒng)可以構(gòu)建4個(gè)輻射源和4個(gè)接收基站的復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境，半實(shí)物仿真系統(tǒng)的最小時(shí)間分辨率2.5 ps，遠(yuǎn)小于時(shí)差定位系統(tǒng)時(shí)延測(cè)量精度，因此滿足時(shí)差定位系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境構(gòu)建需求。半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以形成射頻閉環(huán)仿真環(huán)境，按照時(shí)差定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)率設(shè)置仿真步進(jìn)間隔，推進(jìn)仿真進(jìn)程。根據(jù)仿真時(shí)間推進(jìn)，解算時(shí)差定位基準(zhǔn)站和空間輻射源的空間位置、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等參數(shù)信息，產(chǎn)生位置和速度、信號(hào)參數(shù)、天線指向等參數(shù)，解算各定位基站接收信號(hào)的時(shí)序(路徑時(shí)延)、信號(hào)強(qiáng)度和多普勒等仿真控制參數(shù)，控制各信號(hào)仿真分系統(tǒng)硬件模塊，完成射頻信號(hào)的產(chǎn)生，并注入到時(shí)差定位各基站?；赟MW200A的時(shí)差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生流程圖如圖5所示。

圖5 時(shí)差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生流程圖

測(cè)試時(shí)半實(shí)物仿真系統(tǒng)與時(shí)差定位系統(tǒng)之間能夠數(shù)據(jù)通信，通過LAN或GPIB數(shù)據(jù)總線實(shí)時(shí)傳輸時(shí)間-時(shí)差定位基站位置信息，以滿足時(shí)差定位系統(tǒng)自身定位需求。測(cè)試獲得時(shí)差測(cè)量精度、時(shí)差定位精度、復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境適應(yīng)性等系統(tǒng)性能參數(shù)。

3.2 信號(hào)幅度模型

定位基站偵收到輻射源信號(hào)強(qiáng)度為

(2)

式中：Pr為偵收天線輸出的輻射源信號(hào)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(hào)波長(zhǎng)；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(shí)延控制模型

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

(3)

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

輻射源相對(duì)于各時(shí)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(shí)差定位基站位置。

由于時(shí)差是相對(duì)的，可以求取最小時(shí)延基站編號(hào)，其他基站的時(shí)間延遲控制為

Δti=ti-tq

(5)

式中：q為最小時(shí)延基站編號(hào)，對(duì)應(yīng)延遲控制為Δtq=0，其他基站延遲為正值。

4 結(jié)束語

時(shí)差定位半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有復(fù)雜環(huán)境構(gòu)建容易、測(cè)量數(shù)據(jù)精度高、試驗(yàn)重復(fù)性好、費(fèi)效比低等優(yōu)點(diǎn)，是時(shí)差定位系統(tǒng)內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)和定位性能測(cè)試的重要環(huán)節(jié)。本文給出了時(shí)差定位系統(tǒng)原理，以及多通道矢量信號(hào)環(huán)境需求，并介紹了多通道矢量信號(hào)源信號(hào)環(huán)境模擬能力。最后給出了時(shí)差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試控制流程和測(cè)試模型，構(gòu)建了時(shí)差定位測(cè)試環(huán)境，用于測(cè)試四站時(shí)差定位系統(tǒng)時(shí)差測(cè)量精度、定位精度、復(fù)雜電磁信號(hào)環(huán)境適應(yīng)性等系統(tǒng)性能參數(shù)。

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李文臣 男，1972年生，博士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)榻M網(wǎng)雷達(dá)對(duì)抗、無源定位試驗(yàn)評(píng)估、雷達(dá)極化信號(hào)處理、電子系統(tǒng)建模仿真與評(píng)估、彈道導(dǎo)彈攻防對(duì)抗、信號(hào)分析處理與測(cè)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