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8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

無源偵察定位中，衛星平臺截獲地面目標發射的信號，衛星平臺具有較快的移動速度，且與目標之間具有一定的加速度，信號從地面傳播到達衛星的路徑中涉及干擾、衰落等現象，以及點到點、點到多點傳播的情形。因此，對于空間電子偵察，如何在實驗室環境中，對系統進行真實而準確的評估、測試、優化和驗證，是一直以來需要解決的問題。單純的數字仿真由于沒有考慮實際物理系統現場信號特征，仿真結果與實際應用結果差別較大。為了引入研究對象實際工作時的真實場景，使得數學模型與實際系統相連接，理論研究與工程應用密切聯系，可采用無線信道仿真儀，在實驗室環境下創立和運行多種真實的測試場景，構建基于數字接收機的半實物仿真平臺。采用這種半實物仿真技術，仿真環境是準確而且可控的，并且盡可能地在仿真系統中接入實體，能夠在仿真階段最大程度上測試實際系統的硬件體系、軟件邏輯、數據接口、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，位于地面目標輻射源發出的信號傳播到同軌道或者在相近的軌道同向運行的衛星1、衛星2。分別對兩個衛星上的接收信號進行處理，于是兩個觀測平臺所接收信號的互模糊函數可以表示為：

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

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

定位精度是衡量定位系統性能的最重要指標之一，即目標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生的誤差，包括信號載頻、帶寬、調制方式、信噪比以及環境因素對信號的影響；一類是非信號因素產生的誤差，包括目標和偵察平臺的相對位置，定位處理系統的硬件指標等。

圖1 時差頻差定位處理框圖

2 半實物仿真平臺

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

半實物仿真平臺如圖2所示，由信號源模擬地面目標發射信號，經無線信道仿真儀，模擬地面至空間衛星傳輸路徑，產生含有時延及頻移信息的到達信號，再通過數字接收機對到達信號進行接收處理，獲取目標特征及其位置信息。

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（航空及衛星建模工具選件）進行設置及編程，模擬產生到達信號。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生的兩路到達信號分別由數字接收機的兩塊板卡進行接收處理，采樣率100MHz，時間同步精度優于1ns，頻率穩定度優于10-11。

2.1 衛星運動仿真

使用無線信道仿真儀產生到達信號，需要對ASO模塊進行建模，有兩種方式，一種是設置時延和頻移參數，一種是輸入衛星運動軌跡和目標位置。前一種方式適用于參數固定不變或是按照一定規律變化的情況，后一種方式適用于衛星運動真實動態場景模擬。

STK 衛星工具軟件運用復雜的數學算法可以迅速準確地計算出衛星任意時刻的位置、姿態，產生模擬衛星運動飛行軌跡。半實物仿真試驗中，雙星飛行軌跡初始時刻坐標參數（地固坐標系）如表1所示，衛星軌道根數如表2所示。

表1 衛星初始坐標

表2 軌道根數

圖2 半實物仿真平臺示意圖

2.2 基于VPX 平臺的數字接收處理機

半實物仿真試驗中的數字接收機是基于VPX 平臺的，采用VPX 總線（即VITA 46.0），模塊間高速數據傳輸采用RapidIO 協議（即VITA 46.3），支持RapidIO 4x，共5 槽SRIO Mesh互聯拓撲。除了機箱、背板外，接收機配置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。平臺的拓撲結構滿足模塊間的高速信號互連、系統控制、參考時鐘、秒脈沖、重構、管理等互連互通要求。

接收機分別對脈沖信號和連續波信號進行處理，結構及信息流程如圖2中的數字接收模塊所示，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，完成連續波信號的協處理；DSP處理模塊，使用一片TI C6678DSP器件，完成脈沖信號的數據處理和連續波信號的數據處理；控制模塊，使用基于Power Pc，Vxworks的控制系統，對脈沖和連續波處理進行控制并完成處理結果的轉發；計算結果由網口傳輸至上位機顯示。

2.3 對雷達和通信輻射源的定位處理

在復雜電磁環境下，接收機截獲多個同時到達信號，進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，然后在每一個信號可分辨區域內判斷互模糊函數是否有局部最大值，并估計出是否存在真實信號。這種方法可以適應較低的信噪比，分辨力高，但計算量太大，對硬件系統要求很高。為此，先對接收的多個信號進行分選，再分別對每個信號進行定位。

對于雷達信號，采用常規方法分選，再根據到達不同平臺的同一輻射源特征字不變的原則，進行相關處理，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果，必須積累足夠長度的樣點進行計算。為降低計算量，針對雷達脈沖的特點，由脈沖包絡先測時差，再在頻域進行搜索測頻差。處理流程如圖3所示。

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

3 試驗結果

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

圖3 雷達信號定位處理

圖4 通信信號定位處理

實驗一：輸入發射頻率450MHz脈沖及連續波信號，通過無線信道仿真儀建模，分別對三種場景進行測試：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STK 軟件產生的雙星軌跡，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、硬件數字處理系統產生的誤差、幾何位置關系等幾項因素。

3.1 定位精度理論分析

各種因素的影響最終歸結為時差測量誤差、頻差測量誤差以及幾何放大因子。當時差測量誤差25ns、載頻1GHz時頻差測量誤差1.2Hz、衛星軌道高度800km、間距50km 時，定位精度理論分布如圖5（a）所示。當增加基線長度，衛星間距改變為100km 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行處理，第三種場景按照二次曲線變化模型進行處理，所得結果與第一種場景測試結果精度相當，這與Matlab純數字仿真中對數學模型的預期是一致的。由此可見，建立的半實物仿真系統是合理的，建立的數學模型是基本正確的。以上測試分兩種情況，對于典型的通信信號和雷達信號，一是在非常高的信噪比條件下進行測試，可以認為沒有其他因素的影響，僅由數字處理系統產生測量誤差；二是綜合發射信號功率，路徑衰減以及GPS導航造成的平臺同步誤差等影響因素，進行測試，測試結果如表3所示。

表3 時差頻差測量誤差統計

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進行定位，并統計定位圓概率誤差，如表4所示。

表4 不同位置目標定位圓概率誤差

可以看出，表4中半實物仿真系統的定位誤差，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、提高接收機靈敏度，提高GPS 導航精度等措施。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、提高接收機靈敏度的措施。對于數字處理系統帶來的誤差，從統計的數據來看，如果誤差減少一半，定位誤差相應減少一半，為此可以提高AD 采樣的時間同步精度，時鐘穩定度，選用數字處理芯片的精度等減少誤差的影響。

4 結束語

本文對雙星時差頻差定位半實物仿真系統進行研究。該系統能夠真實地模擬空間偵察衛星運行環境及偵收信號場景，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性能具有較為重要的意義?！?/p>

［1］單家元，等.半實物仿 真［M］.北 京：國 防 工 業 出 版社，2008.

［2］Stein S.Differential delay／Doppler ML estimation with unknown signals［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1993，41（8）：2717-2719.

［3］郭福成，等.空間電子偵察定位原理［M］.北京：國防工業出版社，2012.

［4］Tsui J.寬 帶 數 字 接 收 機［M］.北 京：電 子 工 業 出 版社，2013.