基于半實物仿真的時差定位系統激勵源設計

先登飛

(四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621000)

0 引 言

無源定位技術在不向外發射電磁波的條件下獲取目標位置信息，具有作用距離遠、隱蔽性好的優點，能有效對抗反輻射導彈、低空突防、反隱身和抗電磁干擾。基于到達時間差(TDOA)測量的多站時差無源定位系統具有定位精度高、能瞬時定位等特點[1-2]。

半實物仿真又稱物理-數學仿真，準確稱謂是硬件(實物)在回路中的仿真[3]，近年來半實物仿真技術已逐漸應用于無源定位系統性能仿真[3-4]。基于TDOA無源定位系統關鍵技術研究、算法性能優化、定位誤差分析、功能性能驗證等需求，提出了基于Matlab和通用儀器的半實物仿真系統。該方法時間差參數模擬精度高，能生成任意調制信號，為基于TDOA無源定位系統關鍵技術研究、算法性能優化、定位誤差分析、功能性能驗證等需求提供了一種低成本、高精度、靈活性強的激勵信號模擬手段。

1 TDOA無源定位系統原理

以4個接收站為例，利用輻射源發射的電磁信號，測出目標到主站和3個副站的時延差值，利用雙曲面相交進行定位。多站時差無源定位系統組成示意圖如圖1所示。

設目標空間坐標為(x,y,z)，主站C站坐標為(x0,y0,z0)，3個副站坐標分別為(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，同時設目標信號到達主站與各副站的時間差分別為Δt10、Δt20、Δt30，則通過下面的方程組可以解算出目標坐標，其中c為光速。

(1)

相對測向交叉定位，多站時差定位技術能夠獲取更高的精度，但其精度會受到多種因素的影響，主要包括時間差測量精度、接收站布站拓撲、目標相對定位站的空間分布等。

2 激勵源系統組成

激勵源系統由計算機、通用儀器組成。計算機中定位場景仿真軟件設置主站、各副站和目標的空間位置，并計算場景中目標信號到達各副站與主站的時間差；波形仿真軟件通過配置文件獲取信號類型、時間差、采樣點等仿真參數，根據仿真參數生成目標輻射信號波形和對應的IQ數據波形文件，通過網口將波形文件分別下載到4臺矢量信號源中(信號源1模擬主站、信號源2模擬副站1、信號源3模擬副站2、信號源4模擬副站3)；通用儀器包括1臺脈沖信號源和4臺矢量信號源，脈沖信號源主動產生周期性的TTL脈沖信號，分別送入4臺矢量信號源的外觸發端口，觸發其同步完成波形數據播放、上變頻到中頻、放大后輸出，這樣可保證4臺信號源輸出的中頻信號之間的時間差與仿真場景一致，激勵源系統組成如圖2所示。

圖2 激勵源系統組成

3 定位場景仿真軟件

定位場景仿真軟件具有主站、副站1、副站2和副站3的位置坐標設置(以主站作為空間直角坐標系原點)；目標位置、目標信號類型(以戰術空中導航(TACAN)詢問、二次監視雷達(SSR)應答為例)、信號編碼設置；主站、副站和目標位置顯示；生成含到達時間差等信息的time_diff.txt文件等功能。定位場景仿真軟件流程圖如圖3所示。

圖3 仿真場景設置軟件流程圖

4 信號波形仿真軟件

信號波形仿真軟件采用Matlab開發[5]，讀取目標信息文件time_diff.txt，采用80 MHz采樣率，產生4路具有相對時間延時的IQ信號基帶數據，通過安捷倫N5182B儀器的網絡接口函數，將IQ基帶數據分別下載到4臺N5182B儀器中，并設置中頻載波頻率為60 MHz。手動設置4臺N5182B儀器工作在外觸發模式，并通過81 110 A儀器產生周期觸發脈沖，實現4路符合仿真場景設置的具有嚴格時序關系的中頻信號輸出。信號波形仿真軟件流程圖如圖4所示。

圖4 波形文件生成軟件流程圖

4.1 SSR應答信號模擬

根據SSR信號格式定義、設置的SSR應答代碼和相對時間延遲信息產生SSR應答信號。SSR應答信號格式如圖5所示[6]。

圖5 SSR應答信號格式

SSR應答信號產生流程：

(1) 根據應答碼確定A1,A2,A4,B1,B2,B4,C1,C2,C4,D1,D2,D4的值；

(2) 根據SSR應答信號格式和80 MHz采樣率，計算脈沖、脈沖間隔采樣點數分別為36和116。按照脈沖位置順序依次對SSR應答信號進行采樣，得到SSR應答信號采樣數據；

(3) 根據時間延遲信息，計算延遲時間內采樣點數，將4路延遲信息分別加入SSR應答信號采樣數據前面，得到具有相對時間延遲的SSR應答信號采樣數據；

(4) 將具有相對時間延遲的SSR應答信號采樣數據進行基帶IQ調制，并按照N5182B網口數據格式產生IQ調制數據波形文件，將波形文件下載到N5182B中，設置采樣率為80 MHz，中頻調制頻率為60 MHz，觸發模式為外觸發，由N5182B實現基帶調制、上變頻、放大后輸出4路60 MHz模擬中頻SSR應答信號。

4.2 TACAN詢問信號模擬

根據TACAN信號格式定義和相對時間延遲信息產生TACAN詢問模擬信號。TACAN基帶信號為高斯脈沖對，其函數表達式如下：

(2)

(3)

式中：Pa為脈沖峰值幅度；b為脈沖中心位置(即峰值點)；Pw為脈沖寬度(50%峰值寬度，3.5 μs)。

TACAN高斯脈沖對包絡波形如圖6所示[7-8]。

圖6 TACAN高斯脈沖對包絡波形圖

TACAN詢問信號產生流程：

(1) 根據TACAN詢問信號表達式，計算大于等于高斯脈沖50%峰值寬度部分的時間范圍，時間長度為3.5 μs，TACAN高斯脈沖間隔為12 μs。

(2) 根據基帶信號80 MHz采樣率，計算得到脈沖和脈沖間隔的采樣點數分別為280和960。按照脈沖位置順序依次對TACAN高斯脈沖50%峰值寬度部分按照80 MHz采樣率進行采樣，得到TACAN詢問信號采樣數據。

(3) 根據時間延遲信息，計算時間延遲時間內采樣點數，將4路延遲信息分別加入TACAN詢問信號采樣數據前面，得到具有相對時間延遲的TACAN詢問信號采樣數據。

(4) 將具有相對時間延遲的TACAN詢問信號采樣數據進行基帶IQ調制，并按照N5182B網口數據格式產生IQ調制數據波形文件，將波形文件下載到N5182B中，設置采樣率為80 MHz，中頻調制頻率為60 MHz，觸發模式為外觸發，由N5182B完成基帶調制、上變頻、放大后輸出4路60 MHz模擬中頻TACAN詢問信號。

5 系統驗證

5.1 驗證框圖

計算機作為綜合顯控計算機，完成仿真場景設置、仿真信號基帶調制IQ數據文件生成功能。波形生成軟件產生的多路IQ數據文件通過網口分別下載到4臺矢量信號源N5182B中；81 110 A周期性輸出TTL脈沖，同步輸出到4臺N5182B的外觸發輸入端口；N5182B在外觸發信號控制下，周期性地調用并播放仿真信號基帶調制IQ數據，生成60 MHz模擬中頻信號，通過等長同軸電纜輸出到四通道示波器(安捷倫DSA91 304 A)，示波器同步采集矢量信號源輸出的4路模擬中頻信號，并測量各副站信號與主站信號的實際到達時間差，用于對比評估信號實際到達時差與仿真場景計算得到的時間差之間的實現精度。試驗系統組成原理框圖如圖7所示。

5.2 仿真效果

通過定位場景仿真軟件設置了某一個仿真場景，計算場景中某個目標到各接收站的直線距離，進一步計算得到輻射源信號到達各副站與主站的時間差：

圖7 半實物仿真驗證試驗框圖

(1) 副站1與主站時差Δt1=1.708 μs；

(2) 副站2與主站時差Δt2=-2.205 μs；

(3) 副站3與主站時差Δt3=-3.815 μs。

根據此場景參數，生成多路波形文件數據并下載到矢量信號源，最終播放輸出后的60 MHz中頻信號在示波器上的時差測量截屏如圖8所示。

從示波器實際測量得到的時間差與仿真場景設置的理論時間差的誤差在10 ns以內，基本能夠滿足TDOA無源定位系統測試需求。具體誤差數據如下：

(1) 通道2(副站1)與通道1(主站)時差均值Δt1=1.703 μs，與場景差-5 ns；

(2) 通道3(副站2)與通道1(主站)時差均值Δt2=-2.212 μs，與場景差-7 ns；

(3) 通道4(副站3)與通道1(主站)時差均值Δt3=-3.814 μs，與場景差1 ns。

圖8 示波器實際時差參數測量

6 結束語

針對TDOA定位系統功能性能驗證、算法性能優化等需求，考慮到實際外場全實物試飛驗證周期長、成本高、參數調整不夠靈活，以及全數字軟件仿真度不夠高等難題，本文提出了一種基于軟件與通用儀器結合的半實物仿真方法。通過實際試驗驗證，該方法參數設置靈活，可實現任意調制方式的信號模擬，所生成的多路中頻信號時序關系精度高，滿足TDOA定位系統測試需求。