雙星時差頻差定位地面測試中的同步問題研究

徐 凡

(中國西南電子技術研究所 四川 成都 610036)

0 引 言

雙星時差頻差定位(Time Difference and Frequency Difference of Arrival，TDOA/FDOA)[1-6]作為一種高精度無源定位體制，利用兩個保持一定距離的衛(wèi)星接收機同時截獲地面輻射源發(fā)出的信號，求解時差和頻差曲面，再結(jié)合輻射源位于地球表面的信息，確定目標輻射源的地理位置。

目前，關于時差頻差定位算法和定位誤差[7-10]方面的理論研究已經(jīng)比較細致和深入，但在工程交付前，為有效檢驗時差頻差定位技術的系統(tǒng)性能，需要建立具有復雜電磁環(huán)境[11]模擬能力的系統(tǒng)測試平臺，通過搭建動態(tài)測試場景，達到驗證在軌運行性能的目的。在地面測試過程中，一般采用自動測試系統(tǒng)對整個測試進程進行精確控制，確保主從接收機信號采集和測試信號施加嚴格同步，才能滿足測試方法的準確性和可靠性。文獻[12]介紹了基于多通道矢量發(fā)生器搭建動態(tài)測試場景的測試方法，但模擬場景的產(chǎn)生和測試流程控制均很復雜，不利于自動化集成測試。文獻[13]介紹了基于無線信道仿真儀的半實物仿真方法，取得了很好的仿真測試效果，但未提及實時定位過程中的同步問題和解決方法，無法在工程上實時對時差頻差動態(tài)指標進行測試。本文針對時差頻差定位技術動態(tài)測試場景下快速、精確、有效測試問題，提出了一種硬件同步和軟件觸發(fā)相結(jié)合的同步方法，并在無線信道仿真儀搭建的半實物仿真系統(tǒng)中，使用該方法完成時差頻差及定位指標的實時動態(tài)測試驗證。測試結(jié)果表明，該同步方法能夠精確地控制整個系統(tǒng)的同步誤差，達到驗證時差頻差定位技術指標的目的。

1 半實物仿真環(huán)境下的時差頻差定位測試

1.1 同步原理

文獻[5]中詳細描述了雙星時差頻差的工作原理。圖1給出了在地面構建的雙星時差頻差測試場景功能框圖。其具體過程為：從接收機將采樣數(shù)據(jù)通過線纜方式(有線連接，模擬實際主從接收機間的無線鏈路)傳遞給主接收機，主接收機對兩個接收機采集到的數(shù)據(jù)對信號分選、配對，求解時差和頻差，結(jié)合相同時刻主從接收機的位置和速度信息，利用定位算法解算輻射源位置。

圖1 時差頻差定位測試系統(tǒng)功能框圖

要保證測試場景正常工作，需具備三個條件：

① 主從接收機的采樣時鐘和工作節(jié)拍必須嚴格同步，以保證主接收機準確測量相同時刻信號的TDOA和FDOA；

② 主從接收機的導航信息(含位置、速度)和被測信號時頻特性必須隨時間同步變化；

③ 主接收機必須準確獲取當前時刻主從接收機的位置和速度信息，以便利用定位方程實時求解輻射源位置。

1.2 同步方法

在雙星時差頻差地面測試中一般采用兩種同步方法，即軟件同步[14]和硬件同步[15]。軟件同步方法簡單，對測試環(huán)境要求不高，常在靜態(tài)場景下對時差頻差指標測試，但在動態(tài)場景對時差頻差和定位指標測試時，該方法存在一個弊端，即無法確保地面測試系統(tǒng)的計時系統(tǒng)和主從接收機的工作節(jié)拍保持嚴格同步。在定位工作狀態(tài)下，主從接收機通過基準時鐘源提供的時鐘保持工作節(jié)拍同步，而地面測試系統(tǒng)的工作計時器與基準時鐘源之間并無明顯同步關系。長時間后，地面測試系統(tǒng)的計時器與主從接收機的工作節(jié)拍之間會出現(xiàn)滯后甚至跨秒等現(xiàn)象，雖不影響時差頻差的估計和測量，但會使主接收機提取錯誤的導航信息，導致信號定位位置與目標真實位置出現(xiàn)較大偏離。因此，在動態(tài)場景下必須使用硬件同步的方式。

此外，在硬件同步條件下，通過對圖1地面主控設備加以改造，配備同步信號硬件轉(zhuǎn)軟件的驅(qū)動接口，將基準時鐘源的同步信號轉(zhuǎn)換為地面測試系統(tǒng)的計時驅(qū)動。同時利用基準脈沖去觸發(fā)啟動信號模擬源，確保主從接收機的計時信息及導航信息、主從接收機工作節(jié)拍、輻射源變化信號三者在同一驅(qū)動之下。同步驅(qū)動信號導流圖如圖2所示。

圖2 同步信號驅(qū)動流圖

1.3 半實物仿真系統(tǒng)

芬蘭伊萊比特公司的EB-F8無線信道仿真儀是無線信道領域?qū)Ｓ玫摹⑾冗M的信道模擬器，可模擬多種無線傳輸信道的多徑傳輸、干擾、動態(tài)多徑衰減等特性，具有多個通道同步工作的能力。在動態(tài)仿真環(huán)境下，通過STK(Satellite Tool Kit)定義衛(wèi)星的運行軌跡和地面目標間的相對移動軌跡，得到信號經(jīng)無線信道環(huán)境到達兩顆衛(wèi)星的時延和頻移信息，應用ASO(航空及衛(wèi)星建模工具選件)模塊建立模型，可以模擬出最大1.25 MHz的多普勒頻移、最長1 500 ms的傳送遲延。圖3給出了基于EB-F8的半實物仿真測試系統(tǒng)組成。

圖3 半實物仿真測試系統(tǒng)

基準脈沖源產(chǎn)生的PPS同步信號輸出至地面主控設備接口轉(zhuǎn)換單元，在接口轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部轉(zhuǎn)換成兩路差分的脈沖同步信號，為主從接收機提供同步工作節(jié)拍，同時變換為串口輸出，在地面主控設備上運行的測試控制軟件讀取每秒一次的串口中斷，作為測試控制軟件的觸發(fā)計時信號。

1.4 半實物仿真測試系統(tǒng)中關鍵同步觸發(fā)技術

硬件同步和軟件同步信號確保了主從接收機工作節(jié)拍和地面測試系統(tǒng)計時之間的協(xié)調(diào)同步，但仍不能保證無線仿真信道的播放與其同步。EB-F8載入仿真信道模型文件后，還必須利用外部硬件脈沖，觸發(fā)啟動模型中的無線信道環(huán)境，使地面測試系統(tǒng)導航廣播和無線信道模型的信號播放嚴格同步，便于主接收機實時解算地面信號輻射源位置。

假設利用STK產(chǎn)生的仿真場景起始時刻為T0，則必須在T0-1時刻設置EB-F8為觸發(fā)等待狀態(tài)，在T0時刻由脈沖跳變沿觸發(fā)啟動EB-F8的仿真場景。EB-F8提供了LAN編程接口，利用TCP/IP接口控制其啟動方式，核心代碼如下：

Void ThreadEBF8()

{

while (true)

{

_autoReset.WaitOne();

//等待軟件觸發(fā)計時信號

if(_timeTick==_taskTime-1)

//判斷任務開始前一秒

{

EBF8.Set(“FallingEdge”);

//設置信道場景為脈沖下降沿觸發(fā)啟動

EBF8.Set(“Go”);

//信道場景處于啟動等待狀態(tài)

//待下一秒脈沖下降沿開始啟動

break;

//線程結(jié)束

}

}

}

_taskTime為測試任務的啟動時刻，也是仿真場景的啟動時刻，因?qū)崟r定位的需要，導航信息提前5秒廣播至主從接收機。利用該同步機制，可以確保整個測試系統(tǒng)能夠逼真地反映真實的測試場景。

2 應用分析

下面以一個模擬的場景來測試同步效果。假設主從接收機是位于兩個低軌太陽同步衛(wèi)星上的傳感器，兩顆衛(wèi)星軌道軌道高度均為700 km，星間距100 km，目標地面輻射源位于東經(jīng)130°，南緯55°的南印度洋海域，主要參數(shù)：EIRP為30 dBW，帶寬20 kHz，工作頻率425 MHz，調(diào)制樣式BPSK。

首先利用STK定義兩個衛(wèi)星和地面輻射源的初始位置，然后仿真計算分別得到輻射源到達主從接收機的時延和多普勒頻偏結(jié)果，如圖4所示。

圖4 無線信道模型文件

利用EB-F8無線信道仿真儀的ASO組件建立模型，導入圖4中時延和多普勒的信息，生成無線信道仿真模型。地面測試系統(tǒng)提前將模型文件載入EB-F8運行內(nèi)存，利用同步觸發(fā)功能，同步啟動信號源發(fā)射、無線信道模型播放、主從接收機采樣、計時導航信息廣播，主接收機利用文獻[1]中的算法，對主從接收機同時采集的數(shù)據(jù)進行時差、頻差測量以及信號輻射源位置解算，得到測量結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 頻差測量曲線

圖6 時差測量曲線

對整個180秒的測試結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 測試統(tǒng)計結(jié)果

對比圖5、圖6，結(jié)合表1統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，測量得到的頻差誤差控制在0.1 Hz范圍內(nèi)，時差誤差控制在100 ns附近，定位結(jié)果收斂，定位誤差在1 km以內(nèi)，測試環(huán)境滿足時差和頻差系統(tǒng)性能測試需要。

3 結(jié) 語

本文對雙星時差頻差定位測試中的同步方法進行了研究和比較，對硬件同步方法進行了適應性改進，在半實物仿真系統(tǒng)環(huán)境下，利用該同步觸發(fā)技術，結(jié)合時差頻差公開定位算法，對該同步技術可行性進行了有效驗證。該方法對于多星組網(wǎng)或者星座組網(wǎng)下的地面定位指標測試同樣具有借鑒意義。