CN107390165B - 一种多功能动态定位信号高精度模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子侦察领域和导航定位领域。目的是提供一种多功能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)天线各阵元的航迹解算；(3)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

一种多功能动态定位信号高精度模拟方法

技术领域

本发明属于电子侦察领域和导航定位领域，具体涉及一种多功能动 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。一般定位系统的接收天线为直线阵列，但实际的定位系统的接收天线还包括交叉阵列等其他排布方式，单一的直线阵列天线接收信号模 拟，不利于更多功能的定位系统模拟实验。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种多功能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：一种多功能动 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，f_c为信号中心频率；

(2)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，d_k，i为第k时刻阵元i与目标的距离，d_k，1为第k 时刻阵元1与目标的距离；

(3)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，某一时刻移动平台的天线接收单元接 收的射频信号为r(t)：

其中，τ_k，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，所述天线为交叉阵列天线或圆形阵列天线或直线阵列天 线，所述天线阵元个数为7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，计算天线阵元与径线方向一致每个运动时刻下的偏移角 θ_k，1，计算天线阵元与径线方向垂直且在垂足点一侧的偏移角θ_k，2，计算 天线阵元与径线方向垂直且在垂足点另一侧的偏移角θ_k，3，以及相对于 水平面的俯仰角

第三步，计算天线各阵元的经度、纬度、高度：

Lon_k，i＝Lon_plat-k+ΔLon_k，i；

Lat_k，i＝Lat_plat-k+ΔLat_k，i；

h_k，i＝Alt_k+Δl_k，i；

其中，Alt_k指第k时刻接收平台的高度，Lat_plat-k和Lon_plat-k分别指 第k时刻接收平台的维度和经度，ΔLon_k，i、ΔLat_k，i、Δl_k，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(X_tag，Y_tag， Z_tag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(X_k，i，Y_k，i，Z_k，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τ_k，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，也不限制天线排列方式，适用范围广，可为多功能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为本发明交叉七元阵列天线示意图；

图5为本发明总体流程图；

图6为各阵元轨迹解算仿真图；

图7为各阵元射频信号开始时刻仿真图；

图8为各阵元射频信号第一分钟时刻仿真图；

图9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，一种多功能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，τ_k，i为第k时刻下阵元i与阵元1之间的时延差，f_c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-τ_k，i)为基带信号u(t)加载时 延差τ_k，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(Lat_plat，Lon_plat，Alt_plat，Yaw_plat)，以及 目标的经度、纬度、高度(Lat_tag，Lon_tag，Alt_tag)，解算天线各阵元 的经纬高，所述接收平台的航向Yaw_plat是指每个运动时刻下接收平台 飞行方向与正北方向(经线)的夹角，所述接收平台的天线以交叉七 元阵列为例，以阵元1为交点，阵元1、阵元2、阵元3和阵元4在 一条直线上，且与接收平台飞行方向一致，阵元1、阵元5、阵元6 和阵元7在一条直线上，且与接收平台飞行方向垂直，阵元5在阵元 1的一侧，阵元6和阵元7在阵元1的另一侧。所述交叉七元阵列天 线相对于正北方向(径线)的偏移角为θ和相对于水平面的俯仰角为 其中，阵元1、阵元2、阵元3和阵元4所在方向的偏移角为θ_k，1， 阵元1和阵元5所在方向的偏移角为θ_k，2，阵元1、阵元6和阵元7 所在方向的偏移角为θ_k，3，如下式表示：

θ_k，1＝Yaw_k+α

θ_k，2＝Yaw_k+π/2+α

θ_k，3＝Yaw_k-π/2+α

其中，k指每个运动时刻，Yaw_k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θ_k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ΔLon_k，i、ΔLat_k，i、Δl_k，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：

h_k，i＝Alt_k+Δl_k，i；

Lat_k，i＝Lat_plat-k+ΔLat_k，i；

Lon_k，i＝Lon_plat-k+ΔLon_k，i；

其中，Alt_k指第k时刻接收平台的高度，Lat_plat-k和Lon_plat-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 Lon_plat-k、Lat_plat-k、Alt_k。

再然后，已知目标的经度、纬度、高度(Lat_tag，Lon_tag，Alt_tag)， 以及接收平台每个运动时刻下各阵元的经度、纬度、高度(Lon_k，i， Lat_k，i，h_k，i)，根据84坐标系定义分别求出目标的84坐标(X_tag，Y_tag， Z_tag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(X_k，i，Y_k，i，Z_k，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(X_tag，Y_tag，Z_tag)和每个运动时刻下 各阵元的84坐标(X_k，i，Y_k，i，Z_k，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，d_k，i为第k时刻阵元i与目标的距离，d_k，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K_total、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，所述交叉阵列天线的阵元的个数根据实际需求设置为多 个，本发明设置为七个。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τ_1,1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＝7进行比较，如果当前阵元序 号i小于或等于阵元总数7，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7，则当阵元 序号i为8时进入下一个时刻。再然后将当前时刻k＝1与接收平台运动 总时间K_total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 K_total，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K_total。最终得到接收平台运动总时间K_total内每一个时刻k各阵元的模 拟信号使得每一个时刻下交叉阵列天线的各阵元 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f_c。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，首先设置交叉阵列天线的阵元总个数 为7个，阵元2与阵元1、阵元3与阵元2、阵元4与阵元3、阵元5与 阵元1、阵元6与阵元1、阵元7与阵元6之间的基线长度分别设为[0.8， 0.75,0.68,0.35,0.36,0.28]m；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连 续波信号，且所述常规雷达信号的中心频率f_c为500MHz。

然后根据步骤(2)进行航迹解算，如图6所示，为步骤(2)的各 阵元的仿真结果，在接收平台运动总时间5分钟内，因为各阵元运动航 迹为斜率不变的斜线，故接收平台做直线运动，阵元2、阵元3、阵元4 接收到的信号与阵元1相比先超前(时延差为负)然后慢慢变化到滞后 (时延差为正)，阵元5接收到的信号与阵元1相比在运动过程中一直 处于超前状态；阵元6和阵元7接收到的信号与阵元1相比在运动过程 中一直处于滞后状态。

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 差加载到常规连续波信号上，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7-9所示，为每个时刻下各阵元的时延差加载 到常规连续波信号后得到的最终射频信号输出的仿真结果，在开始时 刻，阵元3和阵元4的射频信号比阵元1的射频信号超前，随着接收平 台的运动，阵元3和阵元4的射频信号与阵元1的射频信号的时延差在 减少，最后阵元3和阵元4的射频信号比阵元1的射频信号滞后。而阵 元5和阵元7的射频信号与阵元1的射频信号的时延差固定不变。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。

进一步地，本发明的动态定位信号模拟方法不仅适用于交叉阵列天 线信号模拟，还可扩展到圆形阵列天线或直线阵列。

本发明能够模拟交叉七元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)

1.一种多功能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，f_c为信号中心频率；

(2)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，d_k，i为第k时刻阵元i与目标的距离，d_k，1为第k时刻阵元1与目标的距离；

(3)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，某一时刻移动平台的天线接收单元接收的射频信号为r(t)：

其中，τ_k，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所述的一种多功能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所述的一种多功能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所述的一种多功能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所述的一种多功能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所述的一种多功能动态定位信号高精度模拟方法，其特征在于：所述天线为交叉阵列天线或圆形阵列天线或直线阵列天线，所述天线阵元个数为7个。

7.根据权利要求1所述的一种多功能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，计算天线阵元与经线方向一致的每个运动时刻下的偏移角θ_k，1，计算天线阵元与经线方向垂直且在垂足点一侧的偏移角θ_k，2，计算天线阵元与经线方向垂直且在垂足点另一侧的偏移角θ_k，3，以及相对于水平面的俯仰角

第三步，计算天线各阵元的经度、纬度、高度：

Lon_k，i＝Lon_plat-k+ΔLon_k，i；

Lat_k，i＝Lat_plat-k+ΔLat_k，i；

h_k，i＝Alt_k+Δl_k，i；

其中，Alt_k指第k时刻移动平台的高度，Lat_plat-k和Lon_plat-k分别指第k时刻移动平台的纬度和经度，ΔLon_k，i、ΔLat_k，i、Δl_k，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(X_tag，Y_tag，Z_tag)和每个运动时刻下各阵元的84坐标(X_k，i，Y_k，i，Z_k，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τ_k，i。

8.根据权利要求1所述的一种多功能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。