基于无线信道仿真仪的双星定位半实物仿真

卢 鑫，董乔忠，朱晓丹

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京210007）

0 引言

无源侦察定位中，卫星平台截获地面目标发射的信号，卫星平台具有较快的移动速度，且与目标之间具有一定的加速度，信号从地面传播到达卫星的路径中涉及干扰、衰落等现象，以及点到点、点到多点传播的情形。因此，对于空间电子侦察，如何在实验室环境中，对系统进行真实而准确的评估、测试、优化和验证，是一直以来需要解决的问题。单纯的数字仿真由于没有考虑实际物理系统现场信号特征，仿真结果与实际应用结果差别较大。为了引入研究对象实际工作时的真实场景，使得数学模型与实际系统相连接，理论研究与工程应用密切联系，可采用无线信道仿真仪，在实验室环境下创立和运行多种真实的测试场景，构建基于数字接收机的半实物仿真平台。采用这种半实物仿真技术，仿真环境是准确而且可控的，并且尽可能地在仿真系统中接入实体，能够在仿真阶段最大程度上测试实际系统的硬件体系、软件逻辑、数据接口、软硬件可靠性以及核心算法的正确性及可行性。

1 双星时差频差侦察定位原理及其误差来源

双星时差频差无源被动定位时，位于地面目标辐射源发出的信号传播到同轨道或者在相近的轨道同向运行的卫星1、卫星2。分别对两个卫星上的接收信号进行处理，于是两个观测平台所接收信号的互模糊函数可以表示为：

式中，s1（t）、s2（t）分别为接收机1、接收机2接收的同一辐射源发射的信号，Δt为信号传输路径不同产生的时差，Δf 为相对运动速度不同产生的多普勒频差。

双星时差频差定位处理如图1所示，在观测时段内，对两个通道接收信号进行处理，有两种方法：一种分两步进行，先相关处理提取时差、频差参数，再进行定位；一种直接进行定位，将互模糊函数与位置信息匹配，尖峰所在位置即目标所在位置。采用哪种方法取决于系统的数据处理能力及指标要求。

定位精度是衡量定位系统性能的最重要指标之一，即目标估计位置与真实位置之间的误差，一般用圆概率误差来表示。定位误差分为两类，一类是由于信号因素产生的误差，包括信号载频、带宽、调制方式、信噪比以及环境因素对信号的影响；一类是非信号因素产生的误差，包括目标和侦察平台的相对位置，定位处理系统的硬件指标等。

图1 时差频差定位处理框图

2 半实物仿真平台

对定位误差进行分析是一项非常复杂的过程，本文构建半实物仿真平台，对影响因素进行深入研究。

半实物仿真平台如图2所示，由信号源模拟地面目标发射信号，经无线信道仿真仪，模拟地面至空间卫星传输路径，产生含有时延及频移信息的到达信号，再通过数字接收机对到达信号进行接收处理，获取目标特征及其位置信息。

信号源频率分辨率为0.001Hz，通 过 功 分 器 一 分 为二，分别输入无线信道仿真仪的两个衰落信道，对无线信道仿真仪的ASO 模块（航空及卫星建模工具选件）进行设置及编程，模拟产生到达信号。无线信道仿真仪射频频率范围350MHz～6GHz，射 频 带 宽65MHz，路径时延分辨率0.1ns，传播时延最大6.4ms，多普勒分辨率0.30mHz，多普勒频移最大1.25MHz，相对路径损耗0～60dB。无线信道仿真仪衰落信道产生的两路到达信号分别由数字接收机的两块板卡进行接收处理，采样率100MHz，时间同步精度优于1ns，频率稳定度优于10-11。

2.1 卫星运动仿真

使用无线信道仿真仪产生到达信号，需要对ASO模块进行建模，有两种方式，一种是设置时延和频移参数，一种是输入卫星运动轨迹和目标位置。前一种方式适用于参数固定不变或是按照一定规律变化的情况，后一种方式适用于卫星运动真实动态场景模拟。

STK 卫星工具软件运用复杂的数学算法可以迅速准确地计算出卫星任意时刻的位置、姿态，产生模拟卫星运动飞行轨迹。半实物仿真试验中，双星飞行轨迹初始时刻坐标参数（地固坐标系）如表1所示，卫星轨道根数如表2所示。

表1 卫星初始坐标

表2 轨道根数

图2 半实物仿真平台示意图

2.2 基于VPX 平台的数字接收处理机

半实物仿真试验中的数字接收机是基于VPX 平台的，采用VPX 总线（即VITA 46.0），模块间高速数据传输采用RapidIO 协议（即VITA 46.3），支持RapidIO 4x，共5 槽SRIO Mesh互联拓扑。除了机箱、背板外，接收机配置2个A／D 模块，1个FPGA 处理模 块，1个DSP 模 块，1个 控 制 模 块，1个 电 源 模 块。平台的拓扑结构满足模块间的高速信号互连、系统控制、参考时钟、秒脉冲、重构、管理等互连互通要求。

接收机分别对脉冲信号和连续波信号进行处理，结构及信息流程如图2中的数字接收模块所示，A／D采样模块完成对两路A／D 采样信号的预处理、脉冲信号PDW 提取；FPGA 处理模块，使用其中一片Xilinx V6FPGA 器件，完成连续波信号的协处理；DSP处理模块，使用一片TI C6678DSP器件，完成脉冲信号的数据处理和连续波信号的数据处理；控制模块，使用基于Power Pc，Vxworks的控制系统，对脉冲和连续波处理进行控制并完成处理结果的转发；计算结果由网口传输至上位机显示。

2.3 对雷达和通信辐射源的定位处理

在复杂电磁环境下，接收机截获多个同时到达信号，进行定位最直接的方法是采用二维搜索方式计算接收信号的互模糊函数，然后在每一个信号可分辨区域内判断互模糊函数是否有局部最大值，并估计出是否存在真实信号。这种方法可以适应较低的信噪比，分辨力高，但计算量太大，对硬件系统要求很高。为此，先对接收的多个信号进行分选，再分别对每个信号进行定位。

对于雷达信号，采用常规方法分选，再根据到达不同平台的同一辐射源特征字不变的原则，进行相关处理，找出同一辐射源的两个脉冲序列。为了得到足够精度的测量结果，必须积累足够长度的样点进行计算。为降低计算量，针对雷达脉冲的特点，由脉冲包络先测时差，再在频域进行搜索测频差。处理流程如图3所示。

对于通信信号，根据来自不同空间位置的信号产生的时差频差不同进行分选、配对，由粗测得到信号个数，根据估计出的信号个数依次对每一个信号进行时差频差精确测量和定位。处理流程如图4所示。

3 试验结果

半实物仿真试验开展两项实验内容，首先验证半实物仿真模型的正确性，然后在此基础上研究各种因素对定位精度的影响。

图3 雷达信号定位处理

图4 通信信号定位处理

实验一：输入发射频率450MHz脉冲及连续波信号，通过无线信道仿真仪建模，分别对三种场景进行测试：1）模拟理想场景，假定时延和频移不随时间变化；2）模拟理想时变场景，假定时延和频移随时间线性变化；3）根据STK 软件产生的双星轨迹，模拟真实场景，时延和频移随时间近似呈二次函数曲线变化。

实验二：在各种因素影响下分析定位误差，主要考虑信号因素、硬件数字处理系统产生的误差、几何位置关系等几项因素。

3.1 定位精度理论分析

各种因素的影响最终归结为时差测量误差、频差测量误差以及几何放大因子。当时差测量误差25ns、载频1GHz时频差测量误差1.2Hz、卫星轨道高度800km、间距50km 时，定位精度理论分布如图5（a）所示。当增加基线长度，卫星间距改变为100km 时，定位精度理论分布如图5（b）所示。

图5 定位精度理论分布

3.2 半实物仿真定位精度分析

在半实物仿真三种测试场景中，第二种场景对时差频差测量按照线性变化模型进行处理，第三种场景按照二次曲线变化模型进行处理，所得结果与第一种场景测试结果精度相当，这与Matlab纯数字仿真中对数学模型的预期是一致的。由此可见，建立的半实物仿真系统是合理的，建立的数学模型是基本正确的。以上测试分两种情况，对于典型的通信信号和雷达信号，一是在非常高的信噪比条件下进行测试，可以认为没有其他因素的影响，仅由数字处理系统产生测量误差；二是综合发射信号功率，路径衰减以及GPS导航造成的平台同步误差等影响因素，进行测试，测试结果如表3所示。

表3 时差频差测量误差统计

在各种误差影响下，考虑基线长度50km 和100km 两种配置情况，对位于不同位置的目标进行定位，并统计定位圆概率误差，如表4所示。

表4 不同位置目标定位圆概率误差

可以看出，表4中半实物仿真系统的定位误差，在时差／频差测量误差与图5中的仿真条件接近时，与理论误差是趋于一致的，系统所采用的核心算法基本得到验证。同时，从表4可以看出，定位精度受信号综合因素的影响非常大，为此可以采用提高接收天线增益、提高接收机灵敏度，提高GPS 导航精度等措施。同样，增加基线长度也可以提高定位精度，但是基线长度的增加不应带来其他因素误差的增加，为此同样需要采用提高天线增益、提高接收机灵敏度的措施。对于数字处理系统带来的误差，从统计的数据来看，如果误差减少一半，定位误差相应减少一半，为此可以提高AD 采样的时间同步精度，时钟稳定度，选用数字处理芯片的精度等减少误差的影响。

4 结束语

本文对双星时差频差定位半实物仿真系统进行研究。该系统能够真实地模拟空间侦察卫星运行环境及侦收信号场景，具有较高的仿真置信度和可靠度，对于研究双星时差频差定位系统性能具有较为重要的意义。■

［1］单家元，等.半实物仿 真［M］.北 京：国 防 工 业 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.空间电子侦察定位原理［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［4］Tsui J.宽 带 数 字 接 收 机［M］.北 京：电 子 工 业 出 版社，2013.