基于多通道矢量信号源的时差定位系统性能测试

李文臣

(中国洛阳电子装备试验中心, 河南 洛阳 471003)



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基于多通道矢量信号源的时差定位系统性能测试

李文臣

(中国洛阳电子装备试验中心, 河南 洛阳 471003)

时差定位系统测试是系统性能评估的重要组成部分。为了测试时差定位系统复杂电磁信号环境适应性，可以采用半实物仿真测试模式构建多辐射源和多路径信号环境。利用多通道矢量信号源模拟产生某定位场景下各基站的接收信号，用于时差定位系统测试。文中介绍了利用R&S公司的双通道SMW200A和两个SGS100A矢量信号发生器构建四站时差定位测试环境，用于测试四站时差定位系统的时差测量精度、时差定位精度、复杂电磁信号环境适应性等系统性能参数。

时差定位系统；定位精度；半实物仿真；复杂电磁信号环境

0 引 言

时差定位系统在导航、遥感、航空、监控等方面有着广泛的应用[1-2]。时差定位系统依靠两个观测站采集到的同一辐射源信号的到达时间差确定一对双曲面(线)，多个双曲面(线)相交就可以得到目标辐射源的位置，为了消除模糊，平面内辐射源定位一般需要至少3个定位站，三维空间定位一般需要至少4个定位站[3-5]。由于时差定位系统具有反隐身性能和隐蔽性的特点，因此其发展和应用越来越受到人们的重视。

为了有效评估时差定位系统性能，需要建立具有复杂电磁环境模拟能力的系统测试平台。时差定位系统测试包括真实场景测试模式和半实物仿真测试模式(虚拟场景测试模式)。真实场景测试模式按照实际定位场景部署定位基站和辐射源，在真实场景中测试时差定位性能[6-7]；半实物仿真测试模式利用多通道矢量信号源模拟产生某定位场景下各基站的接收信号，并用馈线注入到各定位基站，各基站位置采用虚拟注入方式。半实物仿真测试模式具有复杂环境构建容易、测量数据精度高、试验重复性好、费效比低等优点，和真实场景测试模式相比具有一定优势。本文分析了时差定位系统半实物仿真测试方法，利用R&S公司的双通道SMW200A和两个SGS100A矢量信号发生器构建四站时差定位测试环境。

1 时差定位系统原理

设待定位的辐射源位置为R(x,y,z)，主站位置R0(x0,y0,z0)，副站位Ri(xi,yi,zi)，(i=1,2,3)，设定主站位置为坐标原点，即可(x0,y0,z0)=(0,0,0)。时差定位测量站分布如图1所示。

图1 四站时差定位测量站分布

目标信号到各站的时间分别为ti(i=0,1,2,3)，利用时差测量得到信号到达第i副站与主站的距离差为

di=c(ti-t0)=

(1)

式中：c为光速。4个基站可以得到3个距离差方程，可以无模糊的解算目标位置R(x,y,z)。

2 多通道矢量信号源信号环境模拟能力

2.1 多通道矢量信号源

多通道矢量信号发生器(例如R&S SMW200A)能生成高品质复杂数字调制信号，频率范围100 kHz～20 GHz，内置160 MHz的I/O调制带宽，具有2个基带模块和4个衰落模拟模块。2个基带模块最多8个基带发生器，带实时编码器和ARB任意波形发生器(储存深度1G采样)。内置衰落模拟选件是SMW200A区别其他射频矢量信号发生器的重要标志，使用最新FPGA技术实现最多4个衰落模拟模块，可以模拟16个衰落通道(衰落模拟器)，每条衰落通道具有最多20条衰落节拍(20个衰落节拍分成4组，每组5个衰减节拍)，可以仿真模拟室内多路径信号[8]。

衰落通道中衰落节拍配置示意图如图2所示。每个信道的延迟包括基本延迟与附加延迟，基本延迟设置范围0 s～0.5 s，时间分辨率为10 ns，附加延迟由4组衰落节拍控制，设置范围最大0 μs～40 μs，每组节拍中前3个节拍提供2.5 ps的精确时间分辨率，后两个节拍提供5 ns的标准时间分辨率。

图2 衰落通道中衰落节拍配置示意图

SMW200A可以模拟GSM/EDGE、EDGE Evolution、3GPP FDD、CDMA2000等多种数字调制的基带信号和任意波形编辑能力。一台SMW200A有2路I/Q输出，通过外连接SGS100A信号发生器，可以再产生2路射频信号，因此SMW200A能够逼真模拟MIMO场景，例如2*2MIMO、4*4MIMO、8*2MIMO等，当需要更多射频路径，可以利用多台SMW200A和SGS100A搭建。

2.2 用仪器搭建的四站时差定位测试环境

在实际应用中，时差定位系统面临空间多辐射源的复杂信号环境，辐射源信号包括常规脉冲信号、LFM信号、编码信号、连续波信号、干扰信号等多种信号样式，另外多类信号间存在交叠。不同信号样式对不同体制时差测量有不同的影响。当时差定位基站瞬时带宽内有多部辐射源信号或多路径信号时，基站接收信号交叠会使时差定位系统的信号分选、识别和脉冲配对变的非常困难。因此，复杂电磁环境测试是时差定位系统测试的重要环节。

R&S SMW200A矢量信号源非常适用于MIMO信号测试，利用R&S公司的双通道SMW200A和两个SGS100A矢量信号发生器构建四站时差定位态势，输出四个定位基站模拟接收信号，并用电缆分别注入到多个定位基站。通过仿真进程推进，完成时差定位系统半实物仿真测试。用仪器搭建的四站时差定位测试环境如图3所示。MIMO信号环境可以利用多台SMW200A和SGS100A组合构建，具体可以参见文献[8]。

图3 用仪器搭建的四站时差定位测试环境

SMW200A中4*4MIMO信号输出配置界面如图4所示。 基带部分提供4个信号源和16个逻辑衰落模拟器，4个基带信号A-D，分别经过多信道衰落调制，并合成输出到射频输出端，模拟4个基站接收。SMW200A内置了双通道矢量信号发生器，射频A，B经过矢量信号发生器本身输出；C，D射频输出端分别经过两个SGS100A矢量信号发生器产生，两仪器间通过I/Q模拟通道或数字通道连接。最终生成所需的测试信号并对外输出。通过仪器面板参数设置完成空间信道的传输时延、空间衰减、多普勒频移以及信噪比的模拟，也可以用计算机程序控制实现。

图4 SMW200A中4*4MIMO信号输出配置界面

3 四站时差定位半实物仿真系统测试信号产生流程和关键控制模型

3.1 半实物仿真系统测试信号产生流程

时差定位半实物仿真系统是把数学模型、射频模拟系统、时差定位系统联合在一起的仿真试验系统。利用数学模型和射频模拟系统可以构建4个辐射源和4个接收基站的复杂电磁信号环境，半实物仿真系统的最小时间分辨率2.5 ps，远小于时差定位系统时延测量精度，因此满足时差定位系统测试环境构建需求。半实物仿真系统可以形成射频闭环仿真环境，按照时差定位系统定位数据率设置仿真步进间隔，推进仿真进程。根据仿真时间推进，解算时差定位基准站和空间辐射源的空间位置、运动参数、系统参数等参数信息，产生位置和速度、信号参数、天线指向等参数，解算各定位基站接收信号的时序(路径时延)、信号强度和多普勒等仿真控制参数，控制各信号仿真分系统硬件模块，完成射频信号的产生，并注入到时差定位各基站。基于SMW200A的时差定位系统半实物仿真测试信号产生流程图如图5所示。

图5 时差定位系统半实物仿真测试信号产生流程图

测试时半实物仿真系统与时差定位系统之间能够数据通信，通过LAN或GPIB数据总线实时传输时间-时差定位基站位置信息，以满足时差定位系统自身定位需求。测试获得时差测量精度、时差定位精度、复杂电磁信号环境适应性等系统性能参数。

3.2 信号幅度模型

定位基站侦收到辐射源信号强度为

(2)

式中：Pr为侦收天线输出的辐射源信号功率；Pt为辐射源输出功率；Gt为辐射源天线增益；Gr为定位基站天线增益；λ为信号波长；R为侦收天线至辐射源的距离；Lp为侦收天线极化损耗；Lt为辐射源发射天线馈线损耗；Lr为侦收天线馈线损耗；Ft为辐射源天线方向图因子；Fr为侦收天线方向图因子。

3.3 时延控制模型

由于延迟系统存在时延量化分辨率，因此需要将时延量化成离散数字量，第i基站的时延控制量为

(3)

式中：Ri为辐射源相对于各时差定位站的径向距离；Δτ为时延量化分辨率；c为光速；round为取整函数。

辐射源相对于各时差定位基站的径向距离为

(4)

式中：[xs,ys,zs]为辐射源位置。[xi,yi,zi]为时差定位基站位置。

由于时差是相对的，可以求取最小时延基站编号，其他基站的时间延迟控制为

Δti=ti-tq

(5)

式中：q为最小时延基站编号，对应延迟控制为Δtq=0，其他基站延迟为正值。

4 结束语

时差定位半实物仿真系统具有复杂环境构建容易、测量数据精度高、试验重复性好、费效比低等优点，是时差定位系统内场试验和定位性能测试的重要环节。本文给出了时差定位系统原理，以及多通道矢量信号环境需求，并介绍了多通道矢量信号源信号环境模拟能力。最后给出了时差定位系统半实物仿真测试控制流程和测试模型，构建了时差定位测试环境，用于测试四站时差定位系统时差测量精度、定位精度、复杂电磁信号环境适应性等系统性能参数。

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李文臣 男，1972年生，博士，高级工程师。研究方向为组网雷达对抗、无源定位试验评估、雷达极化信号处理、电子系统建模仿真与评估、弹道导弹攻防对抗、信号分析处理与测试等。

TOA Location System Performance Test Based on Multichannel Vector Signal Generator

LI Wenchen

(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China, Luoyang 471003, China)

The TOA location system testing is the key component of system performance evaluation. In order to test the complicated electromagnetic signal environment adaptability of TOA location system, the semi-physical simulation scheme was used to build the testing multiple signal source and the multipath signal environment. The TOA location base station received signal of determinant location situation was built by the multichannel vector signal generators. In this paper, the four stations TOA location testing environment was built based on the double-channel vector signal generators R&S SMW200A and two vector signal generators R&S SGS100A, based on which the system performance parameters such as time difference testing accuracy, TOA location accuracy and complicated electromagnetic signal environment adaptability were tested.

TOA location system; location accuracy; semi-physical simulation; complicated electromagnetic signal environment

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.006

李文臣 Email：leewench@sohu.com

2015-06-22

2015-09-10

TN957

A

1004-7859(2015)10-0021-04