JTIDS信号仿真分析及其时差估计方法研究

邢 朦,赵 航，刘佳媛,陈远志

(1. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003)

JTIDS信号仿真分析及其时差估计方法研究

邢 朦1,赵 航2，刘佳媛1,陈远志1

(1. 中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153；2. 海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003)

在用时差定位技术对JTIDS辐射源进行定位时,由于JTIDS系统采用跳频、扩频等多种新的通信技术使得接收方很难获得其准确的时差信息。讨论了使用广义相关法测时差时JTIDS信号形式和多普勒频差对测量结果的影响。仿真结果表明:在接收JTIDS信号时应使接收机的带宽尽量多覆盖JTIDS的多个跳频点;在辐射源运动速度过快时,时差定位技术不能对其进行精确定位。

JTIDS信号;时差估计;广义相关法;时差定位

0 引 言

JTIDS(Joint Tactical Information Distribution System )是联合战术信息分发系统的简称,是美军为了配合海、陆、空三军联合作战而研制的一种具有容量大、保密性好、抗干扰能力强、时分多址的信息分发系统[1]。目前,美军主要作战平台均已装备了该系统[2]。所以,JTIDS信号作为一个重要的战场辐射源目标,如果能够对其发现并进行定位,将对战场态势的精确把握提供一个重要的手段,实现在现代战争中主动地位优势。

时差定位技术因其具有定位精度高、对接收系统要求低、易于组网等优点而被广泛应用。时差测量作为时差定位技术中一个至关重要的问题将直接影响定位的精度。目前普遍使用的时差测量方法有两种,一种是根据信号的到达时间来计算时差,另一种是相关法计算时差[3]。

由于JTIDS系统采用了许多新的通信技术,如跳频、跳时、扩频等,使得接收到的JTIDS信号信噪比较低,很难提取脉冲的到达时间,所以对JTIDS信号求取时差信息时一般采用相关法。本文首先分析了JTIDS信号的通信结构,继而对JTIDS信号进行计算机仿真,然后利用广义相关法对JTIDS信号进行时差估计,并且分析估计性能。

1 JTIDS信号分析及仿真

1.1 JTIDS信号分析

JTIDS系统的时分多址(TDMA)技术体现在所有用户均使用同一个信道进行消息传输。JTIDS系统将时间轴划分为一个长度为12.8 min的时元,每个时元又划分为64个长度为12 s的时帧,每个时帧又划分为1536个长为7.8125 ms的时隙。时隙为JTIDS信号的基本单位。

JTIDS在每个时隙的传送段内共发射129个脉冲,每个脉冲宽度为6.4 μs,脉冲重复周期为26 μs。脉冲由调制信号调制载波后在射频形成,调制方式为MSK。各脉冲间进行跳频。载频在960～1215 MHz之间为随机选择。为了避免发生干扰,实际载频选择为969～1008 MHz、1053～1065 MHz、1113～1206 MHz这3个频段[4]。JTIDS跳频点以3 MHz为间隔,共有51个跳频点,相邻脉冲载频最小间隔为30 MHz。

JTIDS系统的直序列扩频方式是软扩频,即多进制编码扩频。软扩频实质上是(N,K)编码,JTIDS系统采用(32,5)编码,即用长为32的伪随机码去代表5位信息。JTIDS系统采用的伪随机码是M序列,即最长非线性移位寄存器序列。它由31位m序列扩展1位基码后形成。M序列的位移位数由信息源的5 bit数据来控制。JTIDS每个基码宽为64/32=0.2 μs。

JTIDS的每个时隙包括起始段、保护段、传送段。由于JTIDS的作用距离为550 km(约为300 n mile),为了使两个时隙的信息不发生干扰,保护段应不小于2 ms,所以起始段不大于2.4585 ms[5]。JTIDS系统的跳时方式体现在起始段和保护段采用人为定时抖动,使每个时隙的起始段随着时隙的不同而发生变化。JTIDS系统的跳时方式使得对方无法掌握其脉冲发射规律,从而增强了系统的抗干扰性。

此外,来自信息源的二进制信息首先要经过检错编码、RS编码、交织编码等来增加系统的抗干扰性。综上所述,JTIDS信号的产生过程如图1所示。

图1 JTIDS信号产生过程

1.2 JTIDS信号仿真

由于JTIDS系统采用MSK调制,其调制信号的数学表达式为

(1)

其中,A=1,pn=±1,分别表示二进制信息0、1;Tb为二进制信息的时间间隔;fc为载频。本文传送脉冲采用单脉冲形式,取采样频率为200 MHz,仿真1个时隙中的传送段部分得到如图1所示的仿真图。

图2 JTIDS信号时域图

2 时差估计算法

2.1 广义相关法

设源信号s(t)被两个站的接收机截获;记主站接收到的信号为x0(t),辅站接收到的信号为xi(t)(i=1,2);ni(t)为接收系统引入的噪声;Di为两接收机接收到的同一信号的时差;主站与辅站接收信号的幅值比,列出下列方程:

(2)

(3)

其中Di为所需要测量的TDOA。

辅站i与主站接收信号的互相关函数为

(4)

由于源信号、两站之间噪声统计独立,所以

(5)

等式右边为源信号的自相关函数。该函数在τ-Di=0时具有最大值,所以当τ=Di时互相关函数Rx0xi(τ)达到峰值。但是,一般相关法对信噪比要求非常高,这在工程中很难实现。

广义互相关法是一般相关法的改进,使得算法提高了抗干扰性,扩大了适用范围。由维纳-辛钦定理可知,实平稳随机号的互相关函数与其功率谱密度之间构成一对傅里叶变换[5],即

(6)

接收信号经过滤波器后的互功率谱密度函数为

(7)

(8)

加权函数有多种选择,这里采用ML估计器对互功率密度函数进行加权。ML估计器是一种最优处理器。它与最大似然估计器等价,可以使时差估计的方差达到克拉美-罗下界(CRLB)的最优估计方法[6]。其表达式为

(9)

其中

2.2 广义相关法应用于JTIDS信号测时差

由于JTIDS系统利用了扩频技术,使得对方不能获知其编码信息,继而无法得到扩频增益,导致接收站收到的JTIDS信号信噪比较低。利用相关法测时差,可以有效解决这一问题。当时差定位系统基线较长时,目标运动机动,各站测得的目标速度存在差异,此时会产生多普勒效应。由于多普勒频差的存在,大大降低了相关法测量时差的精度。所以,在对JTIDS信号时差估计时,必须得考虑两站之间的多普勒频差。记两站的信号分别为

(10)

(11)

其中，D为时差,fd为多普勒频差,n0(t)、n1(t)分别是站1、2的噪声。

3 仿真及结果分析

这里主要研究信号形式以及多普勒频差对于时差估计的影响。

3.1 信号形式对时差估计的影响

由于JTIDS共有51个跳频点,将接收机的带宽覆盖1个或多个频点进行信号接收。取观察时间为150μs,分3种情况讨论信号形式对于时差估计的影响:(1)在观察时间内接收到1个脉冲信号,(2)在观察时间内接收到3个同频脉冲信号,(3)在观察时间内接收到3个不同频率的脉冲信号。

取采样频率为200MHz,时差为500ns,多普勒频差为568Hz。在信噪比分别为0、2、4、6、8、10、12、14dB下用广义相关法进行时差估计并进行2000次蒙特卡洛实验,得到3种信号形式的广义互相关函数和时差的均方根误差如图3～6所示。

图3 单脉冲的相关函数

图4 3个同频脉冲的相关函数

图5 3个不同频率脉冲的相关函数

图6 时差信息的均方根误差

比较3种信号形式下的时差均方根误差和相关函数图形可知,接收到的信号脉冲数越多时差估计的精度就越高;当接收到的信号为多个同频脉冲时,会造成多普勒域的分裂而出现多个窄峰,继而大大增加了漏检的概率。综合上述分析,实际情况下接收JTIDS信号时应尽量将接收机的带宽多覆盖JTIDS系统的跳频点,使得在观察时间内尽量多接收到不同频率的脉冲信号。

3.2 多普勒频差对时差估计的影响

假设时差定位系统的布站基线长为30km。如果机载JTIDS辐射源的飞行速度小于600m/s,则两站之间的多普勒频差取值为-30～30kHz。假设接收机在150μs时间内收到3个不同频率的脉冲,取信噪比为4dB、时延为500ns,研究多普勒频差对于时差估计的影响。表1为不同多普勒频差下时差信息的均方根误差情况。

表1 多普勒频差对时差估计的影响

多普勒频差对时差估计的影响较大。由于多普勒频差与辐射源的运动速度成正比,在辐射源运动速度过快时,时差信息误差较大,所以时差定位系统只能在JTIDS辐射源运动速度相对比较低时对其进行精确定位。

4 结束语

本文从JTIDS系统使用的几个新的通信技术入手,逐一介绍了JTIDS信号产生过程中的各个环节,并用计算机仿真了1个时隙中数据传送段的JTIDS脉冲群。采用广义相关法对JTIDS信号进行时差估计,通过实验证明采用该方法对接收机的带宽要求较高,并且对辐射源运动速度有一定限制。由于机载JTIDS辐射源速度可达600 m/s,所以在目标运动速度过大时时差定位技术可能不适用。在今后的研究工作中将进一步研究在目标速度过大时的定位方法。

[1] 师文慧,张辉,赖伟林.JTIDS系统扩频码的优选及扩频图案的设计[J].现代防御技术,2005(10).

[2] 王峰,李明,傅有光.机载JTIDS辐射源的时延估计方法研究[J].现代雷达,2008(6).

[3] 胡来招.无源定位[M].北京:国防科技大学出版社,2004.

[4] 王磊,杨建波,李彦志.JTIDS信号检测技术研究[J].通信对抗,2008(1).

[5] 蔡晓霞,陈红,郭建蓬.JTIDS通信信号结构分析[J].舰船电子对抗,2004(12).

[6] 马雯,黄建国.广义相关时延估计在被动定位系统中的应用研究[J].探测与控制学报,2000(9).

Research on JTIDS signal simulation analysisand its TDOA estimation

XING Meng1, ZHAO Hang2, LIU Jia-yuan1, CHEN Yuan-zhi1

(1. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military RepresentativesOffice of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)

When the JTIDS radiation source is located with the Time Difference of Arrival (TDOA) location technology, it is very difficult for the receiver to obtain the accurate TDOA information because the JTIDS adopts a variety of new communication technologies such as the frequency hopping and spread spectrum. The effect of the JTIDS signal form and the Doppler frequency difference on the measured results is discussed when the general cross correlation (GCC) method is used to measure the TDOA. The simulation results show that the bandwidth of the receiver should cover the JTIDS frequency hopping points as many as possible when the JTIDS signals are received. When the radiation source is moving too fast, it cannot be located accurately with the TDOA location technology.

JTIDS signal; TDOA estimation; GCC; TDOA location

2016-11-28;

2016-12-09

邢朦(1988-),女,工程师,硕士,研究方向:终端显控;刘佳媛(1988-),女,工程师,硕士,研究方向:数据处理;陈远志(1979-),男,工程师,研究方向:终端显控。

TN911.7

A

1009-0401(2017)01-0030-04