本發(fā)明屬于電子偵察領(lǐng)域和導(dǎo)航定位領(lǐng)域，具體涉及一種動(dòng)態(tài)定位信號(hào)高精度模擬方法。

背景技術(shù)：

上世紀(jì)九十年代初，美國(guó)雷達(dá)研究機(jī)構(gòu)的科研人員正式提出“電子戰(zhàn)建模與仿真”的概念及實(shí)施規(guī)劃，重點(diǎn)研究雷達(dá)仿真技術(shù)。而國(guó)內(nèi)對(duì)信號(hào)模擬技術(shù)的研究起步較晚，一直到上世紀(jì)九十年代國(guó)內(nèi)的科研部門(mén)才開(kāi)始進(jìn)行雷達(dá)模擬工作的研究，通過(guò)改變信號(hào)的相對(duì)時(shí)延和多普勒相對(duì)頻移來(lái)模擬測(cè)向系統(tǒng)與未知目標(biāo)之間的方向角。

但目前的技術(shù)一般為靜態(tài)測(cè)向信號(hào)的模擬，當(dāng)接收平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，模擬此類(lèi)動(dòng)態(tài)接收信號(hào)的復(fù)雜度大大提升，國(guó)內(nèi)的研究較少。在實(shí)際情況下，定位系統(tǒng)一般都是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的情況下，測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅研發(fā)周期長(zhǎng)，而且研發(fā)成本也是非常高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供的一種動(dòng)態(tài)定位信號(hào)高精度模擬方法，該模擬方法縮短了測(cè)向系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)周期以及降低了研發(fā)成本。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種動(dòng)態(tài)定位信號(hào)高精度模擬方法，包括以下步驟：

(1)建立動(dòng)態(tài)定位信號(hào)模型，設(shè)定目標(biāo)發(fā)射信號(hào)為s(t)：

其中，u(t)為基帶信號(hào)，fc為信號(hào)中心頻率；

(2)直線陣列天線各陣元的航跡解算，得到在k時(shí)刻下其他陣元i相對(duì)于陣元1的時(shí)延差：

其中，c為光速，dk，i為第k時(shí)刻陣元i與目標(biāo)的距離，dk，1為第k時(shí)刻陣元1與目標(biāo)的距離；

(3)直線陣列天線各陣元時(shí)延加載，得到各陣元每一個(gè)時(shí)刻下時(shí)延加載后信號(hào)

(4)上變頻至射頻信號(hào)，對(duì)每一個(gè)時(shí)刻下各陣元時(shí)延加載后輸出信號(hào)進(jìn)行上變頻處理；

(5)發(fā)射模擬的射頻信號(hào)，某一時(shí)刻接收平臺(tái)的天線接收單元接收的射頻信號(hào)為r(t)：

其中，τk，i為第k時(shí)刻下陣元i與陣元1之間的時(shí)延差，為載頻的相位補(bǔ)償參數(shù)。

優(yōu)選地，所述基帶信號(hào)u(t)由基帶調(diào)制信號(hào)模塊產(chǎn)生。

優(yōu)選地，所述基帶信號(hào)u(t)類(lèi)型為雷達(dá)信號(hào)或常規(guī)通信信號(hào)。

優(yōu)選地，所述步驟(3)由時(shí)延信息模塊完成，將步驟(2)算出的時(shí)延差加載至相應(yīng)陣元的基帶信號(hào)上。

優(yōu)選地，所述步驟(4)由上變頻模塊完成。

優(yōu)選地，所述直線陣列天線陣元個(gè)數(shù)為3個(gè)。

優(yōu)選地，所述步驟(2)具體包括：

第一步，用戶設(shè)置航跡數(shù)據(jù)；

第二步，計(jì)算直線陣列天線每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻相對(duì)于徑線的偏移角θk和相對(duì)于水平面的俯仰角

第三步，計(jì)算直線陣列天線各陣元的經(jīng)度、緯度、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時(shí)刻接收平臺(tái)的高度，latplat-k和lonplat-k分別指第k時(shí)刻接收平臺(tái)的維度和經(jīng)度，δlonk，i、δlatk，i、δlk，i分別指陣元i相對(duì)于陣元1的經(jīng)度、緯度、高度增量；

第四步，根據(jù)84坐標(biāo)系定義分別求出目標(biāo)的84坐標(biāo)(xtag，ytag，ztag)和每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下各陣元的84坐標(biāo)(xk，i，yk，i，zk，i)；

第五步，計(jì)算出在k時(shí)刻下目標(biāo)與各陣元i的距離：

第六步，計(jì)算其他陣元i在k時(shí)刻下相對(duì)于陣元1的時(shí)延差τk，i。

優(yōu)選地，所述步驟(3)具體包括：

第一步，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)信息調(diào)制所需基帶信號(hào)；

第二步，在時(shí)刻k＝1時(shí)，從陣元i＝1開(kāi)始對(duì)其基帶信號(hào)進(jìn)行時(shí)延加載和載波相位補(bǔ)償，直至所有陣元皆完成時(shí)延加載和載波相位補(bǔ)償；

第三步，根據(jù)第二步依次對(duì)每一個(gè)時(shí)刻k下的所有陣元進(jìn)行時(shí)延加載和載波相位補(bǔ)償。

本發(fā)明具有以下有益效果：在本發(fā)明的技術(shù)方案中，本發(fā)明能夠模擬直線陣列天線的動(dòng)態(tài)定位信號(hào)，在不同運(yùn)動(dòng)時(shí)刻模擬的各陣元信號(hào)具有不同的延時(shí)，可供測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，能夠在不進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的情況下，測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效方便，不僅縮短實(shí)驗(yàn)周期還極大的節(jié)省研發(fā)成本。且本發(fā)明提供的信號(hào)模擬方法既不限制信號(hào)類(lèi)型，也對(duì)航跡數(shù)據(jù)要求不高，適用范圍廣，可為定位系統(tǒng)提供自適應(yīng)的模擬信號(hào)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明總體框圖；

圖2為本發(fā)明航跡場(chǎng)景示意圖；

圖3為本發(fā)明航跡解算流程圖；

圖4為本發(fā)明直線陣列天線示意圖；

圖5為本發(fā)明總體流程圖；

圖6為接收平臺(tái)軌跡解算仿真圖；

圖7為各陣元軌跡解算仿真圖；

圖8為各陣元射頻信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻仿真圖；

圖9為各陣元射頻信號(hào)第一分鐘時(shí)刻仿真圖；

圖10為各陣元射頻信號(hào)第五分鐘時(shí)刻仿真圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

結(jié)合圖1所示，一種動(dòng)態(tài)定位信號(hào)高精度模擬方法包括基帶調(diào)制信號(hào)模塊、時(shí)延信息模塊、上變頻模塊。所述基帶調(diào)制信號(hào)模塊產(chǎn)生天線各陣元的基帶信號(hào)；所述時(shí)延信息模塊根據(jù)航跡解算算法得到天線各陣元的時(shí)延信息加載至相應(yīng)的基帶信號(hào)上；所述上變頻模塊將加載著時(shí)延信息的基帶信號(hào)上變頻至射頻，產(chǎn)生接收平臺(tái)的天線接收單元所需射頻模擬信號(hào)。

本發(fā)明產(chǎn)生所需射頻模擬信號(hào)采用以下步驟：

(1)建立動(dòng)態(tài)定位信號(hào)模型；

(2)航跡解算；

(3)時(shí)延信息加載；

(4)上變頻至射頻信號(hào)；

(5)發(fā)射射頻模擬信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)的具體內(nèi)容為：首先設(shè)定目標(biāo)發(fā)射信號(hào)為s(t)

某一時(shí)刻接收平臺(tái)的天線接收單元接收的信號(hào)為r(t)

其中，τk，i為第k時(shí)刻下陣元i與陣元1之間的時(shí)延差，fc為信號(hào)中心頻率。r(t)為最終輸出的射頻模擬信號(hào)，u(t)為基帶調(diào)制信號(hào)模塊生成的基帶信號(hào)，為時(shí)延信息模塊經(jīng)過(guò)時(shí)延信息加載后的模擬信號(hào)，u(t-τk，i)為基帶信號(hào)u(t)加載時(shí)延差τk，i后的模擬信號(hào)，而為載頻的相位補(bǔ)償參數(shù)，為上變頻模塊產(chǎn)生的上變頻信息。

進(jìn)一步地，結(jié)合圖2-4所示，所述步驟(2)的具體內(nèi)容為：首先用戶設(shè)置航跡數(shù)據(jù)。然后根據(jù)用戶設(shè)置的航跡數(shù)據(jù)得到接收平臺(tái)的經(jīng)度、緯度、高度及航向(latplat，lonplat，altplat，yawplat)，以及目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、高度(lattag，lontag，alttag)，解算天線各陣元的經(jīng)緯高，所述接收平臺(tái)的航向yawplat是指每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下接收平臺(tái)飛行方向與正北方向(徑線)的夾角，所述接收平臺(tái)的天線為直線陣列，采用n個(gè)陣元依次呈直線排列。所述天線相對(duì)于正北方向(經(jīng)線)的偏移角θ和相對(duì)于水平面的俯仰角如下式表示：

θk＝y(tǒng)awk-π+α

其中，yawk是指k運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下的接收平臺(tái)的航向，α是指天線裝機(jī)引起的偏移角誤差，β是指天線裝機(jī)引起的俯仰角誤差。

如圖4所示，可將天線視為某一直角三維面內(nèi)的一個(gè)矢量，根據(jù)俯仰角和偏移角θk可直接計(jì)算天線中陣元i相對(duì)于陣元1的經(jīng)度、緯度、高度增量δlonk，i、δlatk，i、δlk，i。經(jīng)線圈和緯線圈皆為圓形，將陣元1的經(jīng)緯高參數(shù)設(shè)置為接收平臺(tái)的經(jīng)緯高參數(shù)，以陣元1作為參考，則其它陣元相對(duì)于陣元1的經(jīng)度、緯度、高度增量由弧長(zhǎng)公式求得。在k運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下各陣元的高度、維度、徑度分別為：

hk，i＝altk+δlk，i；

latk，i＝latplat-k+δlatk，i；

lonk，i＝lonplat-k+δlonk，i；

其中，altk指第k時(shí)刻接收平臺(tái)的高度，latplat-k和lonplat-k分別指第k時(shí)刻接收平臺(tái)的維度和經(jīng)度。因陣元1的經(jīng)度、緯度、高度與接收平臺(tái)的經(jīng)度、緯度、高度設(shè)置一樣，故陣元1的經(jīng)度、緯度、高度為lonplat-k、latplat-k、altk。

再然后，已知目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、高度(lattag，lontag，alttag)，以及接收平臺(tái)每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下各陣元的經(jīng)度、緯度、高度(lonk，i，latk，i，hk，i)，根據(jù)84坐標(biāo)系定義分別求出目標(biāo)的84坐標(biāo)(xtag，ytag，ztag)和每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下各陣元的84坐標(biāo)(xk，i，yk，i，zk，i)。所述84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式如下：

x＝(n+h)·cos(b)·cos(l)

y＝(n+h)·cos(b)·sin(l)

z＝[n·(1-e)+h]·sin(b)

其中，b指維度，l指經(jīng)度，h指高度，e為偏心率平方。n通過(guò)下式計(jì)算得到：

然后，根據(jù)目標(biāo)的84坐標(biāo)(xtag，ytag，ztag)和每個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下各陣元的84坐標(biāo)(xk，i，yk，i，zk，i)計(jì)算出在k時(shí)刻下目標(biāo)與各陣元的距離：

最后，根據(jù)在k時(shí)刻下目標(biāo)與各陣元的距離計(jì)算出其他陣元相對(duì)于陣元1之間的時(shí)延差：

其中，c為光速，dk，i為第k時(shí)刻陣元i與目標(biāo)的距離，dk，1為第k時(shí)刻陣元1與目標(biāo)的距離。

進(jìn)一步地，結(jié)合圖5所示，所述步驟(3)的具體內(nèi)容為：首先設(shè)置基帶信號(hào)參數(shù)，所述基帶信號(hào)參數(shù)包括基帶信號(hào)的信號(hào)類(lèi)型、陣元的總個(gè)數(shù)n、各陣元之間的基線長(zhǎng)度、天線裝機(jī)引起的偏移角誤差α、天線裝機(jī)引起的俯仰角誤差β、接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間ktotal、接收平臺(tái)的位置更新時(shí)間，所述基帶信號(hào)類(lèi)型為任意調(diào)制信號(hào)，包括雷達(dá)信號(hào)、常規(guī)通信信號(hào)等，所述直線陣列天線的陣元的個(gè)數(shù)根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置為多個(gè)。然后基帶調(diào)制信號(hào)模塊根據(jù)設(shè)置的參數(shù)信息調(diào)制所需基帶信號(hào)u(t)。再然后時(shí)延信息模塊設(shè)置在時(shí)刻k＝1時(shí)，從陣元i＝1開(kāi)始對(duì)其基帶信號(hào)進(jìn)行時(shí)延加載，所述陣元1的時(shí)延根據(jù)步驟(2)算出的在k＝1時(shí)刻陣元1相對(duì)于陣元1的時(shí)延差τ1,1加載到陣元1的基帶信號(hào)上，同時(shí)對(duì)陣元1相應(yīng)的載波相位進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)膮?shù)為然后將當(dāng)前陣元序號(hào)i＝1與陣元總個(gè)數(shù)n進(jìn)行比較，如果當(dāng)前陣元序號(hào)i小于或等于陣元總數(shù)n，則進(jìn)行下一個(gè)陣元i＝i+1的時(shí)延加載以及相應(yīng)的載波相位補(bǔ)償，直至當(dāng)前陣元序號(hào)i大于陣元總數(shù)n。再然后將當(dāng)前時(shí)刻k＝1與接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間ktotal進(jìn)行比較，如果當(dāng)前時(shí)刻k小于或等于接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間ktotal，則進(jìn)行下一個(gè)時(shí)刻k＝k+1，即k＝2時(shí)，對(duì)n個(gè)陣元分別進(jìn)行時(shí)延加載以及相應(yīng)的載波相位補(bǔ)償，直至當(dāng)前時(shí)刻k大于接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間ktotal。最終得到接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間ktotal內(nèi)每一個(gè)時(shí)刻k各陣元的模擬信號(hào)使得每一個(gè)時(shí)刻下直線陣列天線的各陣元的模擬信號(hào)是準(zhǔn)確無(wú)誤的。

進(jìn)一步地，所述步驟(4)的具體內(nèi)容為：將步驟(3)每一個(gè)時(shí)刻下各陣元的模擬信號(hào)進(jìn)行上變頻處理，模擬每一個(gè)時(shí)刻下各陣元的射頻信號(hào)，所述各陣元的射頻信號(hào)頻率為fc。所述步驟(5)將模擬完成的每一個(gè)時(shí)刻下各陣元的射頻信號(hào)進(jìn)行發(fā)射。所述定位系統(tǒng)的天線接收單元對(duì)模擬完成的每一個(gè)時(shí)刻下各陣元的射頻信號(hào)進(jìn)行接收。

本發(fā)明的另一種實(shí)施方式為，首先設(shè)置直線陣列天線的陣元總個(gè)數(shù)為3個(gè)，陣元1與陣元2之間的基線長(zhǎng)度設(shè)為2m，陣元2與陣元3之間的基線長(zhǎng)度設(shè)為1.8m，天線裝機(jī)引起的偏移角誤差α為0，天線裝機(jī)引起的俯仰角誤差β也為0；接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為5分鐘、接收平臺(tái)的位置更新時(shí)間為40ms更新一次；基帶信號(hào)類(lèi)型設(shè)置為常規(guī)雷達(dá)信號(hào)，且所述常規(guī)雷達(dá)信號(hào)的中心頻率fc為500mhz、脈寬τ為1us、脈沖重復(fù)周期pri為1ms。

然后根據(jù)步驟(2)進(jìn)行航跡解算，如圖6所示，為步驟(2)的接收平臺(tái)的仿真結(jié)果，在接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間5分鐘內(nèi)，目標(biāo)來(lái)波與接收平臺(tái)方向夾角從87°變化到95°，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)航跡為斜率不變的斜線，故接收平臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng)。如圖7所示，為步驟(2)的各陣元間延時(shí)的仿真結(jié)果，在接收平臺(tái)運(yùn)動(dòng)總時(shí)間5分鐘內(nèi)，陣元2和陣元3接收到的信號(hào)與陣元1相比先滯后再慢慢變化到超前。

然后步驟(3)根據(jù)步驟(2)解算出的每個(gè)時(shí)刻下每個(gè)陣元的時(shí)延差加載到雷達(dá)信號(hào)上，再經(jīng)過(guò)步驟(4)和步驟(5)最終輸出模擬完成的射頻信號(hào)。如圖8-10所示，為每個(gè)時(shí)刻下各陣元的時(shí)延差加載到雷達(dá)信號(hào)后得到的最終射頻信號(hào)輸出的仿真結(jié)果，其中，仿真結(jié)果圖中只仿真出了雷達(dá)信號(hào)脈寬略寬的部分，其余皆為0，采樣率為12ghz。在開(kāi)始時(shí)刻，陣元2和陣元3的射頻信號(hào)比陣元1的射頻信號(hào)滯后，隨著接收平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，在第1分鐘時(shí)，陣元2和陣元3的射頻信號(hào)比陣元1的射頻信號(hào)時(shí)延差相比開(kāi)始時(shí)刻已經(jīng)減小很多，最后第5分鐘時(shí)，可以看出陣元2和陣元3的射頻信號(hào)比陣元1的射頻信號(hào)超前。結(jié)合步驟(2)的仿真結(jié)果可知，步驟(3)各陣元的射頻信號(hào)時(shí)延差變化趨勢(shì)與步驟(2)中對(duì)應(yīng)的各陣元時(shí)延差變化趨勢(shì)一致，也符合接收平臺(tái)與目標(biāo)之間的方向角變化趨勢(shì)。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的動(dòng)態(tài)定位信號(hào)模擬方法不僅適用于直線陣列天線信號(hào)模擬，還可擴(kuò)展到圓形陣列天線。

本發(fā)明能夠模擬直線陣列天線的動(dòng)態(tài)定位信號(hào)，在不同運(yùn)動(dòng)時(shí)刻模擬的各陣元信號(hào)具有不同的延時(shí)，可供測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，能夠在不進(jìn)行外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的情況下，測(cè)向系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，有效方便，不僅縮短實(shí)驗(yàn)周期還極大的節(jié)省研發(fā)成本。且本發(fā)明提供的信號(hào)模擬方法既不限制信號(hào)類(lèi)型，也對(duì)航跡數(shù)據(jù)要求不高，適用范圍廣，可為定位系統(tǒng)提供自適應(yīng)的模擬信號(hào)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。