時差定位系統(tǒng)測試是系統(tǒng)性能評估的重要組成部分。為了測試時差定位系統(tǒng)復(fù)雜電磁信號環(huán)境適應(yīng)性，可以采用半實(shí)物仿真測試模式構(gòu)建多輻射源和多路徑信號環(huán)境。利用多通道矢量信號源模擬產(chǎn)生某定位場景下各基站的接收信號，用于時差定位系統(tǒng)測試。本文介紹了利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器構(gòu)建四站時差定位測試環(huán)境，測試四站時差定位系統(tǒng)的時差測量精度、時差定位精度、復(fù)雜電磁信號環(huán)境適應(yīng)性等系統(tǒng)性能參數(shù)。

1 引言

時差定位系統(tǒng)在導(dǎo)航、遙感、航空、監(jiān)控等方面有著廣泛的應(yīng)用。時差定位系統(tǒng)依靠兩個觀測站采集到的同一輻射源信號的到達(dá)時間差確定一對雙曲面（線），多個雙曲面（線）相交就可以得到目標(biāo)輻射源的位置，為了消除模糊，一般需要至少3個定位站。由于時差定位系統(tǒng)具有反隱身性能和隱蔽性的特點(diǎn)，因此其發(fā)展和應(yīng)用越來越受到人們的重視。

為了有效評估時差定位系統(tǒng)性能，需要建立具有復(fù)雜電磁環(huán)境模擬能力的系統(tǒng)測試平臺。時差定位系統(tǒng)測試包括真實(shí)場景測試模式和半實(shí)物仿真測試模式(虛擬場景測試模式)。真實(shí)場景測試模式按照實(shí)際定位場景部署定位基站和輻射源，在真實(shí)場景中測試時差定位性能；半實(shí)物仿真測試模式利用多通道矢量信號源模擬產(chǎn)生某定位場景下各基站的接收信號，并用饋線注入到各定位基站，各基站位置采用虛擬注入方式。半實(shí)物仿真測試模式具有復(fù)雜環(huán)境構(gòu)建容易、測量數(shù)據(jù)精度高、試驗(yàn)重復(fù)性好、費(fèi)效比低等優(yōu)點(diǎn)，和真實(shí)場景測試模式相比具有一定優(yōu)勢。本文分析了時差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試方法，利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器構(gòu)建四站時差定位測試環(huán)境。

2 時差定位系統(tǒng)原理

設(shè)待定位的輻射源位置為R (x, y, z), 主站位置R0 (x0, y0, z0), 副站位Ri (xi , yi , zi), (i=1, 2, 3), 設(shè)定主站位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，即可(x0 , y0 , z0)=(0, 0, 0)。時差定位測量站分布如圖1所示。

圖1 四站時差定位測量站分布

目標(biāo)信號到各站的時間分別為ti (i=0, 1, 2, 3)，利用時差測量得到信號到達(dá)第 副站與主站的距離差為：

四個基站可以得到3個距離差方程，可以無模糊的解算目標(biāo)位置 。

3 多通道矢量信號源信號環(huán)境模擬能力

3.1 多通道矢量信號源

多通道矢量信號發(fā)生器（例如R&S SMW200A）能生成高品質(zhì)復(fù)雜數(shù)字調(diào)制信號，頻率范圍100kHz~20GHz，內(nèi)置160MHz的I/O調(diào)制帶寬，具有2個基帶模塊和4個衰落模擬模塊。2個基帶模塊最多8個基帶發(fā)生器，帶實(shí)時編碼器和ARB任意波形發(fā)生器（儲存深度1G采樣）。內(nèi)置衰落模擬選件是SMW200A區(qū)別其它射頻矢量信號發(fā)生器的重要標(biāo)志，使用最新FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)最多4個衰落模擬模塊，可以模擬16個衰落通道（衰落模擬器），每條衰落通道具有最多20條衰落節(jié)拍（20個衰落節(jié)拍分成4組，每組5個衰減節(jié)拍），可以仿真模擬室內(nèi)多路徑信號。

衰落通道中衰落節(jié)拍配置示意圖如圖2。每個信道的延遲包括基本延遲與附加延遲，基本延遲設(shè)置范圍0~0.5s，時間分辨率為10ns，附加延遲由4組衰落節(jié)拍控制，設(shè)置范圍最大0~40us，每組節(jié)拍中前3個節(jié)拍提供2.5ps的精確時間分辨率，后兩個節(jié)拍提供5ns的標(biāo)準(zhǔn)時間分辨率。

圖2 衰落通道中衰落節(jié)拍配置示意圖

SMW200A可以模擬GSM/EDGE、EDGE Evolution、3GPP FDD、CDMA2000等多種數(shù)字調(diào)制的基帶信號和任意波形編輯能力。一臺SMW200A除了有兩個獨(dú)立的射頻輸出，還有2路模擬I/Q輸出，和4路數(shù)字I/Q輸出，通過外連接SGS100A信號發(fā)生器連接模擬I/Q輸出，可以再產(chǎn)生2路射頻信號，因此SMW200A能夠逼真模擬MIMO場景，例如2*2MIMO、4*4MIMO、8*2MIMO等，當(dāng)需要更多射頻路徑，可以利用多臺SMW200A和SGS100A搭建。

3.2用儀器搭建的四站時差定位測試環(huán)境

在實(shí)際應(yīng)用中，時差定位系統(tǒng)面臨空間多輻射源的復(fù)雜信號環(huán)境，輻射源信號包括常規(guī)脈沖信號、LFM信號、編碼信號、連續(xù)波信號、干擾信號等多種信號樣式，另外多類信號間存在交疊。不同信號樣式對不同體制時差測量有不同的影響。當(dāng)時差定位基站瞬時帶寬內(nèi)有多部輻射源信號或多路徑信號時，基站接收信號交疊會使時差定位系統(tǒng)的信號分選、識別和脈沖配對變的非常困難。因此復(fù)雜電磁環(huán)境測試是時差定位系統(tǒng)測試的重要環(huán)節(jié)。

R&S SMW200A矢量信號源非常適用于MIMO信號測試，利用R&S公司的雙通道SMW200A和兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器構(gòu)建四站時差定位態(tài)勢，輸出四個定位基站模擬接收信號，并用電纜分別注入到多個定位基站。通過仿真進(jìn)程推進(jìn)，完成時差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試。用儀器搭建的四站時差定位測試環(huán)境如圖3。MIMO信號環(huán)境可以利用多臺SMW200A和SGS100A組合構(gòu)建，具體可以參見文獻(xiàn)[4]。

圖3 用儀器搭建的四站時差定位測試環(huán)境

SMW200A中4*4MIMO信號輸出配置界面如圖4。 基帶部分提供4個信號源和16個邏輯衰落模擬器，四個基帶信號A-D，分別經(jīng)過多信道衰落調(diào)制，并合成輸出到射頻輸出端，模擬四個基站接收。SMW200A內(nèi)置了雙通道矢量信號發(fā)生器，射頻A，B經(jīng)過矢量信號發(fā)生器本身輸出；C，D射頻輸出段分別經(jīng)過兩個SGS100A矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生，兩儀器間通過I/Q模擬通道或數(shù)字通道連接。最終生成所需的測試信號并對外輸出。時間延遲、信號強(qiáng)度、多普勒、輻射源信號、噪聲量等參數(shù)可以通過儀器面板設(shè)置，也可以用計算機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)。

圖4 SMW200A中4*4MIMO信號輸出配置界面

4 四站時差定位半實(shí)物仿真系統(tǒng)測試信號產(chǎn)生流程和關(guān)鍵控制模型

4.1半實(shí)物仿真系統(tǒng)測試信號產(chǎn)生流程

時差定位半實(shí)物仿真系統(tǒng)是把數(shù)學(xué)模型、射頻模擬系統(tǒng)、時差定位系統(tǒng)聯(lián)合在一起的仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。利用數(shù)學(xué)模型和射頻模擬系統(tǒng)可以構(gòu)建4個輻射源和4個接收基站的復(fù)雜電磁信號環(huán)境，半實(shí)物仿真系統(tǒng)的最小時間分辨率2.5ps，遠(yuǎn)小于時差定位系統(tǒng)時延測量精度，因此滿足時差定位系統(tǒng)測試環(huán)境構(gòu)建需求。

半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以形成射頻閉環(huán)仿真環(huán)境，按照時差定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)率設(shè)置仿真步進(jìn)間隔，推進(jìn)仿真進(jìn)程。根據(jù)仿真時間推進(jìn)，解算時差定位基準(zhǔn)站和空間輻射源的空間位置、運(yùn)動參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等參數(shù)信息，產(chǎn)生位置和速度、信號參數(shù)、天線指向等參數(shù)，解算各定位基站接收信號的時序（時延）、信號強(qiáng)度和多普勒等仿真控制參數(shù)，控制各信號仿真分系統(tǒng)硬件模塊，完成射頻信號的產(chǎn)生，并注入到時差定位各基站。基于SMW200A的時差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試信號產(chǎn)生流程圖如圖5所示。

測試時半實(shí)物仿真系統(tǒng)與時差定位系統(tǒng)之間能夠數(shù)據(jù)通信，通過LAN或GPIB數(shù)據(jù)總線實(shí)時傳輸時間-時差定位基站位置信息，以滿足時差定位系統(tǒng)自身定位需求。測試獲得時差測量精度、時差定位精度、復(fù)雜電磁信號環(huán)境適應(yīng)性等系統(tǒng)性能參數(shù)。

圖5 基于SMW200A的時差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試信號產(chǎn)生流程圖

4.2 信號幅度模型

定位基站偵收到輻射源信號強(qiáng)度為：

式中：Pr為偵收天線輸出的輻射源信號功率；Pt為輻射源輸出功率；Gr為輻射源天線增益；Gt為定位基站天線增益；λ為信號波長；R為偵收天線至輻射源的距離；Lp為偵收天線極化損耗；Lt為輻射源發(fā)射天線饋線損耗；Lr為偵收天線饋線損耗；Ft為輻射源天線方向圖因子；Fr為偵收天線方向圖因子。

4.3 時延控制模型

由于延遲系統(tǒng)存在時延量化分辨率，因此需要將時延量化成離散數(shù)字量，第i基站的時延控制量為:

其中輻射源相對于各時差定位站的徑向距離Ri，時延量化分辨率Δτ，c為光速。

輻射源相對于各時差定位基站的徑向距離為：

式中：[xs , ys , zs]為輻射源位置。[xi , yi , zi]為時差定位基站位置。

由于時差是相對的，可以求取最小時延基站編號，其他基站的時間延遲控制為：

其中q為最小時延基站編號，對應(yīng)延遲控制為Δtq=0，其它基站延遲為正值。

5 結(jié)束語

時差定位半實(shí)物仿真系統(tǒng)具有復(fù)雜環(huán)境構(gòu)建容易、測量數(shù)據(jù)精度高、試驗(yàn)重復(fù)性好、費(fèi)效比低等優(yōu)點(diǎn)，是時差定位系統(tǒng)內(nèi)場試驗(yàn)和定位性能測試的重要環(huán)節(jié)。本文給出了時差定位系統(tǒng)原理，以及多通道矢量信號環(huán)境需求，并介紹了多通道矢量信號源信號環(huán)境模擬能力。最后給出了時差定位系統(tǒng)半實(shí)物仿真測試控制流程和測試模型，構(gòu)建了時差定位測試環(huán)境，測試四站時差定位系統(tǒng)時差測量精度、定位精度、復(fù)雜電磁信號環(huán)境適應(yīng)性等系統(tǒng)性能參數(shù)。