徐 凡

(中國西南電子技術(shù)研究所 四川 成都 610036)

0 引 言

雙星時差頻差定位(Time Difference and Frequency Difference of Arrival，TDOA/FDOA)[1-6]作為一種高精度無源定位體制，利用兩個保持一定距離的衛(wèi)星接收機(jī)同時截獲地面輻射源發(fā)出的信號，求解時差和頻差曲面，再結(jié)合輻射源位于地球表面的信息，確定目標(biāo)輻射源的地理位置。

目前，關(guān)于時差頻差定位算法和定位誤差[7-10]方面的理論研究已經(jīng)比較細(xì)致和深入，但在工程交付前，為有效檢驗(yàn)時差頻差定位技術(shù)的系統(tǒng)性能，需要建立具有復(fù)雜電磁環(huán)境[11]模擬能力的系統(tǒng)測試平臺，通過搭建動態(tài)測試場景，達(dá)到驗(yàn)證在軌運(yùn)行性能的目的。在地面測試過程中，一般采用自動測試系統(tǒng)對整個測試進(jìn)程進(jìn)行精確控制，確保主從接收機(jī)信號采集和測試信號施加嚴(yán)格同步，才能滿足測試方法的準(zhǔn)確性和可靠性。文獻(xiàn)[12]介紹了基于多通道矢量發(fā)生器搭建動態(tài)測試場景的測試方法，但模擬場景的產(chǎn)生和測試流程控制均很復(fù)雜，不利于自動化集成測試。文獻(xiàn)[13]介紹了基于無線信道仿真儀的半實(shí)物仿真方法，取得了很好的仿真測試效果，但未提及實(shí)時定位過程中的同步問題和解決方法，無法在工程上實(shí)時對時差頻差動態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測試。本文針對時差頻差定位技術(shù)動態(tài)測試場景下快速、精確、有效測試問題，提出了一種硬件同步和軟件觸發(fā)相結(jié)合的同步方法，并在無線信道仿真儀搭建的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，使用該方法完成時差頻差及定位指標(biāo)的實(shí)時動態(tài)測試驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，該同步方法能夠精確地控制整個系統(tǒng)的同步誤差，達(dá)到驗(yàn)證時差頻差定位技術(shù)指標(biāo)的目的。

1 半實(shí)物仿真環(huán)境下的時差頻差定位測試

1.1 同步原理

文獻(xiàn)[5]中詳細(xì)描述了雙星時差頻差的工作原理。圖1給出了在地面構(gòu)建的雙星時差頻差測試場景功能框圖。其具體過程為：從接收機(jī)將采樣數(shù)據(jù)通過線纜方式(有線連接，模擬實(shí)際主從接收機(jī)間的無線鏈路)傳遞給主接收機(jī)，主接收機(jī)對兩個接收機(jī)采集到的數(shù)據(jù)對信號分選、配對，求解時差和頻差，結(jié)合相同時刻主從接收機(jī)的位置和速度信息，利用定位算法解算輻射源位置。

圖1 時差頻差定位測試系統(tǒng)功能框圖

要保證測試場景正常工作，需具備三個條件：

① 主從接收機(jī)的采樣時鐘和工作節(jié)拍必須嚴(yán)格同步，以保證主接收機(jī)準(zhǔn)確測量相同時刻信號的TDOA和FDOA；

② 主從接收機(jī)的導(dǎo)航信息(含位置、速度)和被測信號時頻特性必須隨時間同步變化；

③ 主接收機(jī)必須準(zhǔn)確獲取當(dāng)前時刻主從接收機(jī)的位置和速度信息，以便利用定位方程實(shí)時求解輻射源位置。

1.2 同步方法

在雙星時差頻差地面測試中一般采用兩種同步方法，即軟件同步[14]和硬件同步[15]。軟件同步方法簡單，對測試環(huán)境要求不高，常在靜態(tài)場景下對時差頻差指標(biāo)測試，但在動態(tài)場景對時差頻差和定位指標(biāo)測試時，該方法存在一個弊端，即無法確保地面測試系統(tǒng)的計時系統(tǒng)和主從接收機(jī)的工作節(jié)拍保持嚴(yán)格同步。在定位工作狀態(tài)下，主從接收機(jī)通過基準(zhǔn)時鐘源提供的時鐘保持工作節(jié)拍同步，而地面測試系統(tǒng)的工作計時器與基準(zhǔn)時鐘源之間并無明顯同步關(guān)系。長時間后，地面測試系統(tǒng)的計時器與主從接收機(jī)的工作節(jié)拍之間會出現(xiàn)滯后甚至跨秒等現(xiàn)象，雖不影響時差頻差的估計和測量，但會使主接收機(jī)提取錯誤的導(dǎo)航信息，導(dǎo)致信號定位位置與目標(biāo)真實(shí)位置出現(xiàn)較大偏離。因此，在動態(tài)場景下必須使用硬件同步的方式。

此外，在硬件同步條件下，通過對圖1地面主控設(shè)備加以改造，配備同步信號硬件轉(zhuǎn)軟件的驅(qū)動接口，將基準(zhǔn)時鐘源的同步信號轉(zhuǎn)換為地面測試系統(tǒng)的計時驅(qū)動。同時利用基準(zhǔn)脈沖去觸發(fā)啟動信號模擬源，確保主從接收機(jī)的計時信息及導(dǎo)航信息、主從接收機(jī)工作節(jié)拍、輻射源變化信號三者在同一驅(qū)動之下。同步驅(qū)動信號導(dǎo)流圖如圖2所示。

圖2 同步信號驅(qū)動流圖

1.3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)

芬蘭伊萊比特公司的EB-F8無線信道仿真儀是無線信道領(lǐng)域?qū)Ｓ玫?、先進(jìn)的信道模擬器，可模擬多種無線傳輸信道的多徑傳輸、干擾、動態(tài)多徑衰減等特性，具有多個通道同步工作的能力。在動態(tài)仿真環(huán)境下，通過STK(Satellite Tool Kit)定義衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡和地面目標(biāo)間的相對移動軌跡，得到信號經(jīng)無線信道環(huán)境到達(dá)兩顆衛(wèi)星的時延和頻移信息，應(yīng)用ASO(航空及衛(wèi)星建模工具選件)模塊建立模型，可以模擬出最大1.25 MHz的多普勒頻移、最長1 500 ms的傳送遲延。圖3給出了基于EB-F8的半實(shí)物仿真測試系統(tǒng)組成。

圖3 半實(shí)物仿真測試系統(tǒng)

基準(zhǔn)脈沖源產(chǎn)生的PPS同步信號輸出至地面主控設(shè)備接口轉(zhuǎn)換單元，在接口轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部轉(zhuǎn)換成兩路差分的脈沖同步信號，為主從接收機(jī)提供同步工作節(jié)拍，同時變換為串口輸出，在地面主控設(shè)備上運(yùn)行的測試控制軟件讀取每秒一次的串口中斷，作為測試控制軟件的觸發(fā)計時信號。

1.4 半實(shí)物仿真測試系統(tǒng)中關(guān)鍵同步觸發(fā)技術(shù)

硬件同步和軟件同步信號確保了主從接收機(jī)工作節(jié)拍和地面測試系統(tǒng)計時之間的協(xié)調(diào)同步，但仍不能保證無線仿真信道的播放與其同步。EB-F8載入仿真信道模型文件后，還必須利用外部硬件脈沖，觸發(fā)啟動模型中的無線信道環(huán)境，使地面測試系統(tǒng)導(dǎo)航廣播和無線信道模型的信號播放嚴(yán)格同步，便于主接收機(jī)實(shí)時解算地面信號輻射源位置。

假設(shè)利用STK產(chǎn)生的仿真場景起始時刻為T0，則必須在T0-1時刻設(shè)置EB-F8為觸發(fā)等待狀態(tài)，在T0時刻由脈沖跳變沿觸發(fā)啟動EB-F8的仿真場景。EB-F8提供了LAN編程接口，利用TCP/IP接口控制其啟動方式，核心代碼如下：

Void ThreadEBF8()

{

while (true)

{

_autoReset.WaitOne();

//等待軟件觸發(fā)計時信號

if(_timeTick==_taskTime-1)

//判斷任務(wù)開始前一秒

{

EBF8.Set(“FallingEdge”);

//設(shè)置信道場景為脈沖下降沿觸發(fā)啟動

EBF8.Set(“Go”);

//信道場景處于啟動等待狀態(tài)

//待下一秒脈沖下降沿開始啟動

break;

//線程結(jié)束

}

}

}

_taskTime為測試任務(wù)的啟動時刻，也是仿真場景的啟動時刻，因?qū)崟r定位的需要，導(dǎo)航信息提前5秒廣播至主從接收機(jī)。利用該同步機(jī)制，可以確保整個測試系統(tǒng)能夠逼真地反映真實(shí)的測試場景。

2 應(yīng)用分析

下面以一個模擬的場景來測試同步效果。假設(shè)主從接收機(jī)是位于兩個低軌太陽同步衛(wèi)星上的傳感器，兩顆衛(wèi)星軌道軌道高度均為700 km，星間距100 km，目標(biāo)地面輻射源位于東經(jīng)130°，南緯55°的南印度洋海域，主要參數(shù)：EIRP為30 dBW，帶寬20 kHz，工作頻率425 MHz，調(diào)制樣式BPSK。

首先利用STK定義兩個衛(wèi)星和地面輻射源的初始位置，然后仿真計算分別得到輻射源到達(dá)主從接收機(jī)的時延和多普勒頻偏結(jié)果，如圖4所示。

圖4 無線信道模型文件

利用EB-F8無線信道仿真儀的ASO組件建立模型，導(dǎo)入圖4中時延和多普勒的信息，生成無線信道仿真模型。地面測試系統(tǒng)提前將模型文件載入EB-F8運(yùn)行內(nèi)存，利用同步觸發(fā)功能，同步啟動信號源發(fā)射、無線信道模型播放、主從接收機(jī)采樣、計時導(dǎo)航信息廣播，主接收機(jī)利用文獻(xiàn)[1]中的算法，對主從接收機(jī)同時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時差、頻差測量以及信號輻射源位置解算，得到測量結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 頻差測量曲線

圖6 時差測量曲線

對整個180秒的測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 測試統(tǒng)計結(jié)果

對比圖5、圖6，結(jié)合表1統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，測量得到的頻差誤差控制在0.1 Hz范圍內(nèi)，時差誤差控制在100 ns附近，定位結(jié)果收斂，定位誤差在1 km以內(nèi)，測試環(huán)境滿足時差和頻差系統(tǒng)性能測試需要。

3 結(jié) 語

本文對雙星時差頻差定位測試中的同步方法進(jìn)行了研究和比較，對硬件同步方法進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，在半實(shí)物仿真系統(tǒng)環(huán)境下，利用該同步觸發(fā)技術(shù)，結(jié)合時差頻差公開定位算法，對該同步技術(shù)可行性進(jìn)行了有效驗(yàn)證。該方法對于多星組網(wǎng)或者星座組網(wǎng)下的地面定位指標(biāo)測試同樣具有借鑒意義。