基于半实物仿真的时差定位系统激励源设计

先登飞

(四川九洲电器集团有限责任公司，四川 绵阳 621000)

0 引 言

无源定位技术在不向外发射电磁波的条件下获取目标位置信息，具有作用距离远、隐蔽性好的优点，能有效对抗反辐射导弹、低空突防、反隐身和抗电磁干扰。基于到达时间差(TDOA)测量的多站时差无源定位系统具有定位精度高、能瞬时定位等特点[1-2]。

半实物仿真又称物理-数学仿真，准确称谓是硬件(实物)在回路中的仿真[3]，近年来半实物仿真技术已逐渐应用于无源定位系统性能仿真[3-4]。基于TDOA无源定位系统关键技术研究、算法性能优化、定位误差分析、功能性能验证等需求，提出了基于Matlab和通用仪器的半实物仿真系统。该方法时间差参数模拟精度高，能生成任意调制信号，为基于TDOA无源定位系统关键技术研究、算法性能优化、定位误差分析、功能性能验证等需求提供了一种低成本、高精度、灵活性强的激励信号模拟手段。

1 TDOA无源定位系统原理

以4个接收站为例，利用辐射源发射的电磁信号，测出目标到主站和3个副站的时延差值，利用双曲面相交进行定位。多站时差无源定位系统组成示意图如图1所示。

设目标空间坐标为(x,y,z)，主站C站坐标为(x0,y0,z0)，3个副站坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，同时设目标信号到达主站与各副站的时间差分别为Δt10、Δt20、Δt30，则通过下面的方程组可以解算出目标坐标，其中c为光速。

(1)

相对测向交叉定位，多站时差定位技术能够获取更高的精度，但其精度会受到多种因素的影响，主要包括时间差测量精度、接收站布站拓扑、目标相对定位站的空间分布等。

2 激励源系统组成

激励源系统由计算机、通用仪器组成。计算机中定位场景仿真软件设置主站、各副站和目标的空间位置，并计算场景中目标信号到达各副站与主站的时间差；波形仿真软件通过配置文件获取信号类型、时间差、采样点等仿真参数，根据仿真参数生成目标辐射信号波形和对应的IQ数据波形文件，通过网口将波形文件分别下载到4台矢量信号源中(信号源1模拟主站、信号源2模拟副站1、信号源3模拟副站2、信号源4模拟副站3)；通用仪器包括1台脉冲信号源和4台矢量信号源，脉冲信号源主动产生周期性的TTL脉冲信号，分别送入4台矢量信号源的外触发端口，触发其同步完成波形数据播放、上变频到中频、放大后输出，这样可保证4台信号源输出的中频信号之间的时间差与仿真场景一致，激励源系统组成如图2所示。

图2 激励源系统组成

3 定位场景仿真软件

定位场景仿真软件具有主站、副站1、副站2和副站3的位置坐标设置(以主站作为空间直角坐标系原点)；目标位置、目标信号类型(以战术空中导航(TACAN)询问、二次监视雷达(SSR)应答为例)、信号编码设置；主站、副站和目标位置显示；生成含到达时间差等信息的time_diff.txt文件等功能。定位场景仿真软件流程图如图3所示。

图3 仿真场景设置软件流程图

4 信号波形仿真软件

信号波形仿真软件采用Matlab开发[5]，读取目标信息文件time_diff.txt，采用80 MHz采样率，产生4路具有相对时间延时的IQ信号基带数据，通过安捷伦N5182B仪器的网络接口函数，将IQ基带数据分别下载到4台N5182B仪器中，并设置中频载波频率为60 MHz。手动设置4台N5182B仪器工作在外触发模式，并通过81 110 A仪器产生周期触发脉冲，实现4路符合仿真场景设置的具有严格时序关系的中频信号输出。信号波形仿真软件流程图如图4所示。

图4 波形文件生成软件流程图

4.1 SSR应答信号模拟

根据SSR信号格式定义、设置的SSR应答代码和相对时间延迟信息产生SSR应答信号。SSR应答信号格式如图5所示[6]。

图5 SSR应答信号格式

SSR应答信号产生流程：

(1) 根据应答码确定A1,A2,A4,B1,B2,B4,C1,C2,C4,D1,D2,D4的值；

(2) 根据SSR应答信号格式和80 MHz采样率，计算脉冲、脉冲间隔采样点数分别为36和116。按照脉冲位置顺序依次对SSR应答信号进行采样，得到SSR应答信号采样数据；

(3) 根据时间延迟信息，计算延迟时间内采样点数，将4路延迟信息分别加入SSR应答信号采样数据前面，得到具有相对时间延迟的SSR应答信号采样数据；

(4) 将具有相对时间延迟的SSR应答信号采样数据进行基带IQ调制，并按照N5182B网口数据格式产生IQ调制数据波形文件，将波形文件下载到N5182B中，设置采样率为80 MHz，中频调制频率为60 MHz，触发模式为外触发，由N5182B实现基带调制、上变频、放大后输出4路60 MHz模拟中频SSR应答信号。

4.2 TACAN询问信号模拟

根据TACAN信号格式定义和相对时间延迟信息产生TACAN询问模拟信号。TACAN基带信号为高斯脉冲对，其函数表达式如下：

(2)

(3)

式中：Pa为脉冲峰值幅度；b为脉冲中心位置(即峰值点)；Pw为脉冲宽度(50%峰值宽度，3.5 μs)。

TACAN高斯脉冲对包络波形如图6所示[7-8]。

图6 TACAN高斯脉冲对包络波形图

TACAN询问信号产生流程：

(1) 根据TACAN询问信号表达式，计算大于等于高斯脉冲50%峰值宽度部分的时间范围，时间长度为3.5 μs，TACAN高斯脉冲间隔为12 μs。

(2) 根据基带信号80 MHz采样率，计算得到脉冲和脉冲间隔的采样点数分别为280和960。按照脉冲位置顺序依次对TACAN高斯脉冲50%峰值宽度部分按照80 MHz采样率进行采样，得到TACAN询问信号采样数据。

(3) 根据时间延迟信息，计算时间延迟时间内采样点数，将4路延迟信息分别加入TACAN询问信号采样数据前面，得到具有相对时间延迟的TACAN询问信号采样数据。

(4) 将具有相对时间延迟的TACAN询问信号采样数据进行基带IQ调制，并按照N5182B网口数据格式产生IQ调制数据波形文件，将波形文件下载到N5182B中，设置采样率为80 MHz，中频调制频率为60 MHz，触发模式为外触发，由N5182B完成基带调制、上变频、放大后输出4路60 MHz模拟中频TACAN询问信号。

5 系统验证

5.1 验证框图

计算机作为综合显控计算机，完成仿真场景设置、仿真信号基带调制IQ数据文件生成功能。波形生成软件产生的多路IQ数据文件通过网口分别下载到4台矢量信号源N5182B中；81 110 A周期性输出TTL脉冲，同步输出到4台N5182B的外触发输入端口；N5182B在外触发信号控制下，周期性地调用并播放仿真信号基带调制IQ数据，生成60 MHz模拟中频信号，通过等长同轴电缆输出到四通道示波器(安捷伦DSA91 304 A)，示波器同步采集矢量信号源输出的4路模拟中频信号，并测量各副站信号与主站信号的实际到达时间差，用于对比评估信号实际到达时差与仿真场景计算得到的时间差之间的实现精度。试验系统组成原理框图如图7所示。

5.2 仿真效果

通过定位场景仿真软件设置了某一个仿真场景，计算场景中某个目标到各接收站的直线距离，进一步计算得到辐射源信号到达各副站与主站的时间差：

图7 半实物仿真验证试验框图

(1) 副站1与主站时差Δt1=1.708 μs；

(2) 副站2与主站时差Δt2=-2.205 μs；

(3) 副站3与主站时差Δt3=-3.815 μs。

根据此场景参数，生成多路波形文件数据并下载到矢量信号源，最终播放输出后的60 MHz中频信号在示波器上的时差测量截屏如图8所示。

从示波器实际测量得到的时间差与仿真场景设置的理论时间差的误差在10 ns以内，基本能够满足TDOA无源定位系统测试需求。具体误差数据如下：

(1) 通道2(副站1)与通道1(主站)时差均值Δt1=1.703 μs，与场景差-5 ns；

(2) 通道3(副站2)与通道1(主站)时差均值Δt2=-2.212 μs，与场景差-7 ns；

(3) 通道4(副站3)与通道1(主站)时差均值Δt3=-3.814 μs，与场景差1 ns。

图8 示波器实际时差参数测量

6 结束语

针对TDOA定位系统功能性能验证、算法性能优化等需求，考虑到实际外场全实物试飞验证周期长、成本高、参数调整不够灵活，以及全数字软件仿真度不够高等难题，本文提出了一种基于软件与通用仪器结合的半实物仿真方法。通过实际试验验证，该方法参数设置灵活，可实现任意调制方式的信号模拟，所生成的多路中频信号时序关系精度高，满足TDOA定位系统测试需求。