JTIDS信號仿真分析及其時差估計方法研究

邢 朦,趙 航，劉佳媛,陳遠志

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

JTIDS信號仿真分析及其時差估計方法研究

邢 朦1,趙 航2，劉佳媛1,陳遠志1

(1. 中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

在用時差定位技術對JTIDS輻射源進行定位時,由于JTIDS系統采用跳頻、擴頻等多種新的通信技術使得接收方很難獲得其準確的時差信息。討論了使用廣義相關法測時差時JTIDS信號形式和多普勒頻差對測量結果的影響。仿真結果表明:在接收JTIDS信號時應使接收機的帶寬盡量多覆蓋JTIDS的多個跳頻點;在輻射源運動速度過快時,時差定位技術不能對其進行精確定位。

JTIDS信號;時差估計;廣義相關法;時差定位

0 引 言

JTIDS(Joint Tactical Information Distribution System )是聯合戰術信息分發系統的簡稱,是美軍為了配合海、陸、空三軍聯合作戰而研制的一種具有容量大、保密性好、抗干擾能力強、時分多址的信息分發系統[1]。目前,美軍主要作戰平臺均已裝備了該系統[2]。所以,JTIDS信號作為一個重要的戰場輻射源目標,如果能夠對其發現并進行定位,將對戰場態勢的精確把握提供一個重要的手段,實現在現代戰爭中主動地位優勢。

時差定位技術因其具有定位精度高、對接收系統要求低、易于組網等優點而被廣泛應用。時差測量作為時差定位技術中一個至關重要的問題將直接影響定位的精度。目前普遍使用的時差測量方法有兩種,一種是根據信號的到達時間來計算時差,另一種是相關法計算時差[3]。

由于JTIDS系統采用了許多新的通信技術,如跳頻、跳時、擴頻等,使得接收到的JTIDS信號信噪比較低,很難提取脈沖的到達時間,所以對JTIDS信號求取時差信息時一般采用相關法。本文首先分析了JTIDS信號的通信結構,繼而對JTIDS信號進行計算機仿真,然后利用廣義相關法對JTIDS信號進行時差估計,并且分析估計性能。

1 JTIDS信號分析及仿真

1.1 JTIDS信號分析

JTIDS系統的時分多址(TDMA)技術體現在所有用戶均使用同一個信道進行消息傳輸。JTIDS系統將時間軸劃分為一個長度為12.8 min的時元,每個時元又劃分為64個長度為12 s的時幀,每個時幀又劃分為1536個長為7.8125 ms的時隙。時隙為JTIDS信號的基本單位。

JTIDS在每個時隙的傳送段內共發射129個脈沖,每個脈沖寬度為6.4 μs,脈沖重復周期為26 μs。脈沖由調制信號調制載波后在射頻形成,調制方式為MSK。各脈沖間進行跳頻。載頻在960～1215 MHz之間為隨機選擇。為了避免發生干擾,實際載頻選擇為969～1008 MHz、1053～1065 MHz、1113～1206 MHz這3個頻段[4]。JTIDS跳頻點以3 MHz為間隔,共有51個跳頻點,相鄰脈沖載頻最小間隔為30 MHz。

JTIDS系統的直序列擴頻方式是軟擴頻,即多進制編碼擴頻。軟擴頻實質上是(N,K)編碼,JTIDS系統采用(32,5)編碼,即用長為32的偽隨機碼去代表5位信息。JTIDS系統采用的偽隨機碼是M序列,即最長非線性移位寄存器序列。它由31位m序列擴展1位基碼后形成。M序列的位移位數由信息源的5 bit數據來控制。JTIDS每個基碼寬為64/32=0.2 μs。

JTIDS的每個時隙包括起始段、保護段、傳送段。由于JTIDS的作用距離為550 km(約為300 n mile),為了使兩個時隙的信息不發生干擾,保護段應不小于2 ms,所以起始段不大于2.4585 ms[5]。JTIDS系統的跳時方式體現在起始段和保護段采用人為定時抖動,使每個時隙的起始段隨著時隙的不同而發生變化。JTIDS系統的跳時方式使得對方無法掌握其脈沖發射規律,從而增強了系統的抗干擾性。

此外,來自信息源的二進制信息首先要經過檢錯編碼、RS編碼、交織編碼等來增加系統的抗干擾性。綜上所述,JTIDS信號的產生過程如圖1所示。

圖1 JTIDS信號產生過程

1.2 JTIDS信號仿真

由于JTIDS系統采用MSK調制,其調制信號的數學表達式為

(1)

其中,A=1,pn=±1,分別表示二進制信息0、1;Tb為二進制信息的時間間隔;fc為載頻。本文傳送脈沖采用單脈沖形式,取采樣頻率為200 MHz,仿真1個時隙中的傳送段部分得到如圖1所示的仿真圖。

圖2 JTIDS信號時域圖

2 時差估計算法

2.1 廣義相關法

設源信號s(t)被兩個站的接收機截獲;記主站接收到的信號為x0(t),輔站接收到的信號為xi(t)(i=1,2);ni(t)為接收系統引入的噪聲;Di為兩接收機接收到的同一信號的時差;主站與輔站接收信號的幅值比,列出下列方程:

(2)

(3)

其中Di為所需要測量的TDOA。

輔站i與主站接收信號的互相關函數為

(4)

由于源信號、兩站之間噪聲統計獨立,所以

(5)

等式右邊為源信號的自相關函數。該函數在τ-Di=0時具有最大值,所以當τ=Di時互相關函數Rx0xi(τ)達到峰值。但是,一般相關法對信噪比要求非常高,這在工程中很難實現。

廣義互相關法是一般相關法的改進,使得算法提高了抗干擾性,擴大了適用范圍。由維納-辛欽定理可知,實平穩隨機號的互相關函數與其功率譜密度之間構成一對傅里葉變換[5],即

(6)

接收信號經過濾波器后的互功率譜密度函數為

(7)

(8)

加權函數有多種選擇,這里采用ML估計器對互功率密度函數進行加權。ML估計器是一種最優處理器。它與最大似然估計器等價,可以使時差估計的方差達到克拉美-羅下界(CRLB)的最優估計方法[6]。其表達式為

(9)

其中

2.2 廣義相關法應用于JTIDS信號測時差

由于JTIDS系統利用了擴頻技術,使得對方不能獲知其編碼信息,繼而無法得到擴頻增益,導致接收站收到的JTIDS信號信噪比較低。利用相關法測時差,可以有效解決這一問題。當時差定位系統基線較長時,目標運動機動,各站測得的目標速度存在差異,此時會產生多普勒效應。由于多普勒頻差的存在,大大降低了相關法測量時差的精度。所以,在對JTIDS信號時差估計時,必須得考慮兩站之間的多普勒頻差。記兩站的信號分別為

(10)

(11)

其中，D為時差,fd為多普勒頻差,n0(t)、n1(t)分別是站1、2的噪聲。

3 仿真及結果分析

這里主要研究信號形式以及多普勒頻差對于時差估計的影響。

3.1 信號形式對時差估計的影響

由于JTIDS共有51個跳頻點,將接收機的帶寬覆蓋1個或多個頻點進行信號接收。取觀察時間為150μs,分3種情況討論信號形式對于時差估計的影響:(1)在觀察時間內接收到1個脈沖信號,(2)在觀察時間內接收到3個同頻脈沖信號,(3)在觀察時間內接收到3個不同頻率的脈沖信號。

取采樣頻率為200MHz,時差為500ns,多普勒頻差為568Hz。在信噪比分別為0、2、4、6、8、10、12、14dB下用廣義相關法進行時差估計并進行2000次蒙特卡洛實驗,得到3種信號形式的廣義互相關函數和時差的均方根誤差如圖3～6所示。

圖3 單脈沖的相關函數

圖4 3個同頻脈沖的相關函數

圖5 3個不同頻率脈沖的相關函數

圖6 時差信息的均方根誤差

比較3種信號形式下的時差均方根誤差和相關函數圖形可知,接收到的信號脈沖數越多時差估計的精度就越高;當接收到的信號為多個同頻脈沖時,會造成多普勒域的分裂而出現多個窄峰,繼而大大增加了漏檢的概率。綜合上述分析,實際情況下接收JTIDS信號時應盡量將接收機的帶寬多覆蓋JTIDS系統的跳頻點,使得在觀察時間內盡量多接收到不同頻率的脈沖信號。

3.2 多普勒頻差對時差估計的影響

假設時差定位系統的布站基線長為30km。如果機載JTIDS輻射源的飛行速度小于600m/s,則兩站之間的多普勒頻差取值為-30～30kHz。假設接收機在150μs時間內收到3個不同頻率的脈沖,取信噪比為4dB、時延為500ns,研究多普勒頻差對于時差估計的影響。表1為不同多普勒頻差下時差信息的均方根誤差情況。

表1 多普勒頻差對時差估計的影響

多普勒頻差對時差估計的影響較大。由于多普勒頻差與輻射源的運動速度成正比,在輻射源運動速度過快時,時差信息誤差較大,所以時差定位系統只能在JTIDS輻射源運動速度相對比較低時對其進行精確定位。

4 結束語

本文從JTIDS系統使用的幾個新的通信技術入手,逐一介紹了JTIDS信號產生過程中的各個環節,并用計算機仿真了1個時隙中數據傳送段的JTIDS脈沖群。采用廣義相關法對JTIDS信號進行時差估計,通過實驗證明采用該方法對接收機的帶寬要求較高,并且對輻射源運動速度有一定限制。由于機載JTIDS輻射源速度可達600 m/s,所以在目標運動速度過大時時差定位技術可能不適用。在今后的研究工作中將進一步研究在目標速度過大時的定位方法。

[1] 師文慧,張輝,賴偉林.JTIDS系統擴頻碼的優選及擴頻圖案的設計[J].現代防御技術,2005(10).

[2] 王峰,李明,傅有光.機載JTIDS輻射源的時延估計方法研究[J].現代雷達,2008(6).

[3] 胡來招.無源定位[M].北京:國防科技大學出版社,2004.

[4] 王磊,楊建波,李彥志.JTIDS信號檢測技術研究[J].通信對抗,2008(1).

[5] 蔡曉霞,陳紅,郭建蓬.JTIDS通信信號結構分析[J].艦船電子對抗,2004(12).

[6] 馬雯,黃建國.廣義相關時延估計在被動定位系統中的應用研究[J].探測與控制學報,2000(9).

Research on JTIDS signal simulation analysisand its TDOA estimation

XING Meng1, ZHAO Hang2, LIU Jia-yuan1, CHEN Yuan-zhi1

(1. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military RepresentativesOffice of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

When the JTIDS radiation source is located with the Time Difference of Arrival (TDOA) location technology, it is very difficult for the receiver to obtain the accurate TDOA information because the JTIDS adopts a variety of new communication technologies such as the frequency hopping and spread spectrum. The effect of the JTIDS signal form and the Doppler frequency difference on the measured results is discussed when the general cross correlation (GCC) method is used to measure the TDOA. The simulation results show that the bandwidth of the receiver should cover the JTIDS frequency hopping points as many as possible when the JTIDS signals are received. When the radiation source is moving too fast, it cannot be located accurately with the TDOA location technology.

JTIDS signal; TDOA estimation; GCC; TDOA location

2016-11-28;

2016-12-09

邢朦(1988-),女,工程師,碩士,研究方向:終端顯控;劉佳媛(1988-),女,工程師,碩士,研究方向:數據處理;陳遠志(1979-),男,工程師,研究方向:終端顯控。

TN911.7

A

1009-0401(2017)01-0030-04