CN107346019B - 一种动态定位信号高精度模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子侦察领域和导航定位领域。目的是提供一种动态定位信号高精度模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：(1)建立动态定位信号模型；(2)直线阵列天线各阵元的航迹解算；(3)直线阵列天线各阵元时延加载；(4)上变频至射频信号；(5)发射模拟的射频信号。本发明能够模拟直线阵列天线的动态定位信号，在不同运动时刻模拟的各阵元信号具有不同的延时，可供测向系统进行仿真验证，能够在不进行外场实验的情况下，测向系统进行相关实验验证，有效方便，不仅缩短实验周期还极大的节省研发成本。
Description
技术领域
本发明属于电子侦察领域和导航定位领域，具体涉及一种动态定位信号高精度模拟方法。
背景技术
上世纪九十年代初，美国雷达研究机构的科研人员正式提出“电子战建模与仿真”的概念及实施规划，重点研究雷达仿真技术。而国内对信号模拟技术的研究起步较晚，一直到上世纪九十年代国内的科研部门才开始进行雷达模拟工作的研究，通过改变信号的相对时延和多普勒相对频移来模拟测向系统与未知目标之间的方向角。
但目前的技术一般为静态测向信号的模拟，当接收平台在运动状态下时，模拟此类动态接收信号的复杂度大大提升，国内的研究较少。在实际情况下，定位系统一般都是运动状态，如果在外场实验的情况下，测向系统进行相关实验验证，不仅研发周期长，而且研发成本也是非常高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种动态定位信号高精度模拟方法，该模拟方法缩短了测向系统的实验周期以及降低了研发成本。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种动态定位信号高精度模拟方法，包括以下步骤：
(1)建立动态定位信号模型，设定目标发射信号为s(t)：
其中，u(t)为基带信号，fc为信号中心频率；
(2)直线阵列天线各阵元的航迹解算，得到在k时刻下其他阵元i相对于阵元1的时延差：
其中，c为光速，dk，i为第k时刻阵元i与目标的距离，dk，1为第k时刻阵元1与目标的距离；
(3)直线阵列天线各阵元时延加载，得到各阵元每一个时刻下时延加载后信号
(4)上变频至射频信号，对每一个时刻下各阵元时延加载后输出信号进行上变频处理；
(5)发射模拟的射频信号，某一时刻接收平台的天线接收单元接收的射频信号为r(t)：
其中，τk，i为第k时刻下阵元i与阵元1之间的时延差，为载频的相位补偿参数。
优选地，所述基带信号u(t)由基带调制信号模块产生。
优选地，所述基带信号u(t)类型为雷达信号或常规通信信号。
优选地，所述步骤(3)由时延信息模块完成，将步骤(2)算出的时延差加载至相应阵元的基带信号上。
优选地，所述步骤(4)由上变频模块完成。
优选地，所述直线阵列天线阵元个数为3个。
优选地，所述步骤(2)具体包括：
第一步，用户设置航迹数据；
第二步，计算直线阵列天线每个运动时刻相对于径线的偏移角θk和相对于水平面的俯仰角
第三步，计算直线阵列天线各阵元的经度、纬度、高度：
Lonk，i＝Lonplat-k+ΔLonk，i；
Latk，i＝Latplat-k+ΔLatk，i；
hk，i＝Altk+Δlk，i；
其中，Altk指第k时刻接收平台的高度，Latplat-k和Lonplat-k分别指第k时刻接收平台的维度和经度，ΔLonk，i、ΔLatk，i、Δlk，i分别指阵元i相对于阵元1的经度、纬度、高度增量；
第四步，根据84坐标系定义分别求出目标的84坐标(Xtag，Ytag，Ztag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(Xk，i，Yk，i，Zk，i)；
第五步，计算出在k时刻下目标与各阵元i的距离：
第六步，计算其他阵元i在k时刻下相对于阵元1的时延差τk，i。
优选地，所述步骤(3)具体包括：
第一步，根据设置的参数信息调制所需基带信号；
第二步，在时刻k＝1时，从阵元i＝1开始对其基带信号进行时延加载和载波相位补偿，直至所有阵元皆完成时延加载和载波相位补偿；
第三步，根据第二步依次对每一个时刻k下的所有阵元进行时延加载和载波相位补偿。
本发明具有以下有益效果：在本发明的技术方案中，本发明能够模拟直线阵列天线的动态定位信号，在不同运动时刻模拟的各阵元信号具有不同的延时，可供测向系统进行仿真验证，能够在不进行外场实验的情况下，测向系统进行相关实验验证，有效方便，不仅缩短实验周期还极大的节省研发成本。且本发明提供的信号模拟方法既不限制信号类型，也对航迹数据要求不高，适用范围广，可为定位系统提供自适应的模拟信号。
附图说明
图1为本发明总体框图；
图2为本发明航迹场景示意图；
图3为本发明航迹解算流程图；
图4为本发明直线阵列天线示意图；
图5为本发明总体流程图；
图6为接收平台轨迹解算仿真图；
图7为各阵元轨迹解算仿真图；
图8为各阵元射频信号开始时刻仿真图；
图9为各阵元射频信号第一分钟时刻仿真图；
图10为各阵元射频信号第五分钟时刻仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1所示，一种动态定位信号高精度模拟方法包括基带调制信号模块、时延信息模块、上变频模块。所述基带调制信号模块产生天线各阵元的基带信号；所述时延信息模块根据航迹解算算法得到天线各阵元的时延信息加载至相应的基带信号上；所述上变频模块将加载着时延信息的基带信号上变频至射频，产生接收平台的天线接收单元所需射频模拟信号。
本发明产生所需射频模拟信号采用以下步骤：
(1)建立动态定位信号模型；
(2)航迹解算；
(3)时延信息加载；
(4)上变频至射频信号；
(5)发射射频模拟信号。
进一步地，所述步骤(1)的具体内容为：首先设定目标发射信号为s(t)
某一时刻接收平台的天线接收单元接收的信号为r(t)
其中，τk，i为第k时刻下阵元i与阵元1之间的时延差，fc为信号中心频率。r(t)为最终输出的射频模拟信号，u(t)为基带调制信号模块生成的基带信号，为时延信息模块经过时延信息加载后的模拟信号，u(t-τk，i)为基带信号u(t)加载时延差τk，i后的模拟信号，而为载频的相位补偿参数，为上变频模块产生的上变频信息。
进一步地，结合图2-4所示，所述步骤(2)的具体内容为：首先用户设置航迹数据。然后根据用户设置的航迹数据得到接收平台的经度、纬度、高度及航向(Latplat，Lonplat，Altplat，Yawplat)，以及目标的经度、纬度、高度(Lattag，Lontag，Alttag)，解算天线各阵元的经纬高，所述接收平台的航向Yawplat是指每个运动时刻下接收平台飞行方向与正北方向(径线)的夹角，所述接收平台的天线为直线阵列，采用N个阵元依次呈直线排列。所述天线相对于正北方向(经线)的偏移角θ和相对于水平面的俯仰角如下式表示：
θk＝Yawk-π+α
其中，Yawk是指k运动时刻下的接收平台的航向，α是指天线装机引起的偏移角误差，β是指天线装机引起的俯仰角误差。
如图4所示，可将天线视为某一直角三维面内的一个矢量，根据俯仰角和偏移角θk可直接计算天线中阵元i相对于阵元1的经度、纬度、高度增量ΔLonk，i、ΔLatk，i、Δlk，i。经线圈和纬线圈皆为圆形，将阵元1的经纬高参数设置为接收平台的经纬高参数，以阵元1作为参考，则其它阵元相对于阵元1的经度、纬度、高度增量由弧长公式求得。在k运动时刻下各阵元的高度、维度、径度分别为：
hk，i＝Altk+Δlk，i；
Latk，i＝Latplat-k+ΔLatk，i；
Lonk，i＝Lonplat-k+ΔLonk，i；
其中，Altk指第k时刻接收平台的高度，Latplat-k和Lonplat-k分别指第k时刻接收平台的维度和经度。因阵元1的经度、纬度、高度与接收平台的经度、纬度、高度设置一样，故阵元1的经度、纬度、高度为Lonplat-k、Latplat-k、Altk。
再然后，已知目标的经度、纬度、高度(Lattag，Lontag，Alttag)，以及接收平台每个运动时刻下各阵元的经度、纬度、高度(Lonk，i，Latk，i，hk，i)，根据84坐标系定义分别求出目标的84坐标(Xtag，Ytag，Ztag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(Xk，i，Yk，i，Zk，i)。所述84坐标系转换公式如下：
X＝(N+H)·cos(B)·cos(L)
Y＝(N+H)·cos(B)·sin(L)
Z＝[N·(1-e)+H]·sin(B)
其中，B指维度，L指经度，H指高度，e为偏心率平方。N通过下式计算得到：
然后，根据目标的84坐标(Xtag，Ytag，Ztag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(Xk，i，Yk，i，Zk，i)计算出在k时刻下目标与各阵元的距离：
最后，根据在k时刻下目标与各阵元的距离计算出其他阵元相对于阵元1之间的时延差：
其中，c为光速，dk，i为第k时刻阵元i与目标的距离，dk，1为第k时刻阵元1与目标的距离。
进一步地，结合图5所示，所述步骤(3)的具体内容为：首先设置基带信号参数，所述基带信号参数包括基带信号的信号类型、阵元的总个数N、各阵元之间的基线长度、天线装机引起的偏移角误差α、天线装机引起的俯仰角误差β、接收平台运动总时间Ktotal、接收平台的位置更新时间，所述基带信号类型为任意调制信号，包括雷达信号、常规通信信号等，所述直线阵列天线的阵元的个数根据实际需求设置为多个。然后基带调制信号模块根据设置的参数信息调制所需基带信号u(t)。再然后时延信息模块设置在时刻k＝1时，从阵元i＝1开始对其基带信号进行时延加载，所述阵元1的时延根据步骤(2)算出的在k＝1时刻阵元1相对于阵元1的时延差τ1,1加载到阵元1的基带信号上，同时对阵元1相应的载波相位进行补偿，补偿的参数为然后将当前阵元序号i＝1与阵元总个数N进行比较，如果当前阵元序号i小于或等于阵元总数N，则进行下一个阵元i＝i+1的时延加载以及相应的载波相位补偿，直至当前阵元序号i大于阵元总数N。再然后将当前时刻k＝1与接收平台运动总时间Ktotal进行比较，如果当前时刻k小于或等于接收平台运动总时间Ktotal，则进行下一个时刻k＝k+1，即k＝2时，对N个阵元分别进行时延加载以及相应的载波相位补偿，直至当前时刻k大于接收平台运动总时间Ktotal。最终得到接收平台运动总时间Ktotal内每一个时刻k各阵元的模拟信号使得每一个时刻下直线阵列天线的各阵元的模拟信号是准确无误的。
进一步地，所述步骤(4)的具体内容为：将步骤(3)每一个时刻下各阵元的模拟信号进行上变频处理，模拟每一个时刻下各阵元的射频信号，所述各阵元的射频信号频率为fc。所述步骤(5)将模拟完成的每一个时刻下各阵元的射频信号进行发射。所述定位系统的天线接收单元对模拟完成的每一个时刻下各阵元的射频信号进行接收。
本发明的另一种实施方式为，首先设置直线阵列天线的阵元总个数为3个，阵元1与阵元2之间的基线长度设为2m，阵元2与阵元3之间的基线长度设为1.8m，天线装机引起的偏移角误差α为0，天线装机引起的俯仰角误差β也为0；接收平台运动总时间为5分钟、接收平台的位置更新时间为40ms更新一次；基带信号类型设置为常规雷达信号，且所述常规雷达信号的中心频率fc为500MHz、脉宽τ为1us、脉冲重复周期PRI为1ms。
然后根据步骤(2)进行航迹解算，如图6所示，为步骤(2)的接收平台的仿真结果，在接收平台运动总时间5分钟内，目标来波与接收平台方向夹角从87°变化到95°，因为运动航迹为斜率不变的斜线，故接收平台做直线运动。如图7所示，为步骤(2)的各阵元间延时的仿真结果，在接收平台运动总时间5分钟内，阵元2和阵元3接收到的信号与阵元1相比先滞后再慢慢变化到超前。
然后步骤(3)根据步骤(2)解算出的每个时刻下每个阵元的时延差加载到雷达信号上，再经过步骤(4)和步骤(5)最终输出模拟完成的射频信号。如图8-10所示，为每个时刻下各阵元的时延差加载到雷达信号后得到的最终射频信号输出的仿真结果，其中，仿真结果图中只仿真出了雷达信号脉宽略宽的部分，其余皆为0，采样率为12GHz。在开始时刻，阵元2和阵元3的射频信号比阵元1的射频信号滞后，随着接收平台的运动，在第1分钟时，阵元2和阵元3的射频信号比阵元1的射频信号时延差相比开始时刻已经减小很多，最后第5分钟时，可以看出阵元2和阵元3的射频信号比阵元1的射频信号超前。结合步骤(2)的仿真结果可知，步骤(3)各阵元的射频信号时延差变化趋势与步骤(2)中对应的各阵元时延差变化趋势一致，也符合接收平台与目标之间的方向角变化趋势。
进一步地，本发明的动态定位信号模拟方法不仅适用于直线阵列天线信号模拟，还可扩展到圆形阵列天线。
本发明能够模拟直线阵列天线的动态定位信号，在不同运动时刻模拟的各阵元信号具有不同的延时，可供测向系统进行仿真验证，能够在不进行外场实验的情况下，测向系统进行相关实验验证，有效方便，不仅缩短实验周期还极大的节省研发成本。且本发明提供的信号模拟方法既不限制信号类型，也对航迹数据要求不高，适用范围广，可为定位系统提供自适应的模拟信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立动态定位信号模型，设定目标发射信号为s(t)：
其中，u(t)为基带信号，fc为信号中心频率；
(2)直线阵列天线各阵元的航迹解算，得到在k时刻下其他阵元i相对于阵元1的时延差：
其中，c为光速，dk，i为第k时刻阵元i与目标的距离，dk，1为第k时刻阵元1与目标的距离；
(3)直线阵列天线各阵元时延加载，得到各阵元每一个时刻下时延加载后信号
(4)上变频至射频信号，对每一个时刻下各阵元时延加载后输出信号进行上变频处理；
(5)发射模拟的射频信号，某一时刻接收平台的天线接收单元接收的射频信号为r(t)：
其中，τk，i为第k时刻下阵元i与阵元1之间的时延差，为载频的相位补偿参数。
2.根据权利要求1所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述基带信号u(t)由基带调制信号模块产生。
3.根据权利要求2所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述基带信号u(t)类型为雷达信号或常规通信信号。
4.根据权利要求1所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)由时延信息模块完成，所述步骤(3)将步骤(2)算出的时延差加载至相应阵元的基带信号上。
5.根据权利要求1所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤(4)由上变频模块完成。
6.根据权利要求1所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述直线阵列天线阵元个数为3个。
7.根据权利要求1所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：
第一步，用户设置航迹数据；
第二步，计算直线阵列天线每个运动时刻相对于经 线的偏移角θk和相对于水平面的俯仰角
第三步，计算直线阵列天线各阵元的经度、纬度、高度：
Lonk，i＝Lonplat-k+ΔLonk，i；
Latk，i＝Latplat-k+ΔLatk，i；
hk，i＝Altk+Δlk，i；
其中，Altk指第k时刻接收平台的高度，Latplat-k和Lonplat-k分别指第k时刻接收平台的纬度和经度，ΔLonk，i、ΔLatk，i、Δlk，i分别指阵元i相对于阵元1的经度、纬度、高度增量；
第四步，根据84坐标系定义分别求出目标的84坐标(Xtag，Ytag，Ztag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(Xk，i，Yk，i，Zk，i)；
第五步，计算出在k时刻下目标与各阵元i的距离：
第六步，计算其他阵元i在k时刻下相对于阵元1的时延差τk，i。
8.根据权利要求1所述的一种动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括：
第一步，根据设置的参数信息调制所需基带信号；
第二步，在时刻k＝1时，从阵元i＝1开始对其基带信号进行时延加载和载波相位补偿，直至所有阵元皆完成时延加载和载波相位补偿；
第三步，根据第二步依次对每一个时刻k下的所有阵元进行时延加载和载波相位补偿。
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