邢 朦,趙 航,劉佳媛,陳遠(yuǎn)志
(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153;2. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003)
JTIDS信號(hào)仿真分析及其時(shí)差估計(jì)方法研究
邢 朦1,趙 航2,劉佳媛1,陳遠(yuǎn)志1
(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153;2. 海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京 210003)
在用時(shí)差定位技術(shù)對(duì)JTIDS輻射源進(jìn)行定位時(shí),由于JTIDS系統(tǒng)采用跳頻、擴(kuò)頻等多種新的通信技術(shù)使得接收方很難獲得其準(zhǔn)確的時(shí)差信息。討論了使用廣義相關(guān)法測(cè)時(shí)差時(shí)JTIDS信號(hào)形式和多普勒頻差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。仿真結(jié)果表明:在接收J(rèn)TIDS信號(hào)時(shí)應(yīng)使接收機(jī)的帶寬盡量多覆蓋JTIDS的多個(gè)跳頻點(diǎn);在輻射源運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快時(shí),時(shí)差定位技術(shù)不能對(duì)其進(jìn)行精確定位。
JTIDS信號(hào);時(shí)差估計(jì);廣義相關(guān)法;時(shí)差定位
JTIDS(Joint Tactical Information Distribution System )是聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,是美軍為了配合海、陸、空三軍聯(lián)合作戰(zhàn)而研制的一種具有容量大、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、時(shí)分多址的信息分發(fā)系統(tǒng)[1]。目前,美軍主要作戰(zhàn)平臺(tái)均已裝備了該系統(tǒng)[2]。所以,JTIDS信號(hào)作為一個(gè)重要的戰(zhàn)場(chǎng)輻射源目標(biāo),如果能夠?qū)ζ浒l(fā)現(xiàn)并進(jìn)行定位,將對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的精確把握提供一個(gè)重要的手段,實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中主動(dòng)地位優(yōu)勢(shì)。
時(shí)差定位技術(shù)因其具有定位精度高、對(duì)接收系統(tǒng)要求低、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。時(shí)差測(cè)量作為時(shí)差定位技術(shù)中一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題將直接影響定位的精度。目前普遍使用的時(shí)差測(cè)量方法有兩種,一種是根據(jù)信號(hào)的到達(dá)時(shí)間來(lái)計(jì)算時(shí)差,另一種是相關(guān)法計(jì)算時(shí)差[3]。
由于JTIDS系統(tǒng)采用了許多新的通信技術(shù),如跳頻、跳時(shí)、擴(kuò)頻等,使得接收到的JTIDS信號(hào)信噪比較低,很難提取脈沖的到達(dá)時(shí)間,所以對(duì)JTIDS信號(hào)求取時(shí)差信息時(shí)一般采用相關(guān)法。本文首先分析了JTIDS信號(hào)的通信結(jié)構(gòu),繼而對(duì)JTIDS信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,然后利用廣義相關(guān)法對(duì)JTIDS信號(hào)進(jìn)行時(shí)差估計(jì),并且分析估計(jì)性能。
1.1 JTIDS信號(hào)分析
JTIDS系統(tǒng)的時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)體現(xiàn)在所有用戶均使用同一個(gè)信道進(jìn)行消息傳輸。JTIDS系統(tǒng)將時(shí)間軸劃分為一個(gè)長(zhǎng)度為12.8 min的時(shí)元,每個(gè)時(shí)元又劃分為64個(gè)長(zhǎng)度為12 s的時(shí)幀,每個(gè)時(shí)幀又劃分為1536個(gè)長(zhǎng)為7.8125 ms的時(shí)隙。時(shí)隙為JTIDS信號(hào)的基本單位。
JTIDS在每個(gè)時(shí)隙的傳送段內(nèi)共發(fā)射129個(gè)脈沖,每個(gè)脈沖寬度為6.4 μs,脈沖重復(fù)周期為26 μs。脈沖由調(diào)制信號(hào)調(diào)制載波后在射頻形成,調(diào)制方式為MSK。各脈沖間進(jìn)行跳頻。載頻在960~1215 MHz之間為隨機(jī)選擇。為了避免發(fā)生干擾,實(shí)際載頻選擇為969~1008 MHz、1053~1065 MHz、1113~1206 MHz這3個(gè)頻段[4]。JTIDS跳頻點(diǎn)以3 MHz為間隔,共有51個(gè)跳頻點(diǎn),相鄰脈沖載頻最小間隔為30 MHz。
JTIDS系統(tǒng)的直序列擴(kuò)頻方式是軟擴(kuò)頻,即多進(jìn)制編碼擴(kuò)頻。軟擴(kuò)頻實(shí)質(zhì)上是(N,K)編碼,JTIDS系統(tǒng)采用(32,5)編碼,即用長(zhǎng)為32的偽隨機(jī)碼去代表5位信息。JTIDS系統(tǒng)采用的偽隨機(jī)碼是M序列,即最長(zhǎng)非線性移位寄存器序列。它由31位m序列擴(kuò)展1位基碼后形成。M序列的位移位數(shù)由信息源的5 bit數(shù)據(jù)來(lái)控制。JTIDS每個(gè)基碼寬為64/32=0.2 μs。
JTIDS的每個(gè)時(shí)隙包括起始段、保護(hù)段、傳送段。由于JTIDS的作用距離為550 km(約為300 n mile),為了使兩個(gè)時(shí)隙的信息不發(fā)生干擾,保護(hù)段應(yīng)不小于2 ms,所以起始段不大于2.4585 ms[5]。JTIDS系統(tǒng)的跳時(shí)方式體現(xiàn)在起始段和保護(hù)段采用人為定時(shí)抖動(dòng),使每個(gè)時(shí)隙的起始段隨著時(shí)隙的不同而發(fā)生變化。JTIDS系統(tǒng)的跳時(shí)方式使得對(duì)方無(wú)法掌握其脈沖發(fā)射規(guī)律,從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。
此外,來(lái)自信息源的二進(jìn)制信息首先要經(jīng)過(guò)檢錯(cuò)編碼、RS編碼、交織編碼等來(lái)增加系統(tǒng)的抗干擾性。綜上所述,JTIDS信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。
圖1 JTIDS信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程
1.2 JTIDS信號(hào)仿真
由于JTIDS系統(tǒng)采用MSK調(diào)制,其調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為
(1)
其中,A=1,pn=±1,分別表示二進(jìn)制信息0、1;Tb為二進(jìn)制信息的時(shí)間間隔;fc為載頻。本文傳送脈沖采用單脈沖形式,取采樣頻率為200 MHz,仿真1個(gè)時(shí)隙中的傳送段部分得到如圖1所示的仿真圖。
圖2 JTIDS信號(hào)時(shí)域圖
2.1 廣義相關(guān)法
設(shè)源信號(hào)s(t)被兩個(gè)站的接收機(jī)截獲;記主站接收到的信號(hào)為x0(t),輔站接收到的信號(hào)為xi(t)(i=1,2);ni(t)為接收系統(tǒng)引入的噪聲;Di為兩接收機(jī)接收到的同一信號(hào)的時(shí)差;主站與輔站接收信號(hào)的幅值比,列出下列方程:
(2)
(3)
其中Di為所需要測(cè)量的TDOA。
輔站i與主站接收信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為
(4)
由于源信號(hào)、兩站之間噪聲統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,所以
(5)
等式右邊為源信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)。該函數(shù)在τ-Di=0時(shí)具有最大值,所以當(dāng)τ=Di時(shí)互相關(guān)函數(shù)Rx0xi(τ)達(dá)到峰值。但是,一般相關(guān)法對(duì)信噪比要求非常高,這在工程中很難實(shí)現(xiàn)。
廣義互相關(guān)法是一般相關(guān)法的改進(jìn),使得算法提高了抗干擾性,擴(kuò)大了適用范圍。由維納-辛欽定理可知,實(shí)平穩(wěn)隨機(jī)號(hào)的互相關(guān)函數(shù)與其功率譜密度之間構(gòu)成一對(duì)傅里葉變換[5],即
(6)
接收信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后的互功率譜密度函數(shù)為
(7)
(8)
加權(quán)函數(shù)有多種選擇,這里采用ML估計(jì)器對(duì)互功率密度函數(shù)進(jìn)行加權(quán)。ML估計(jì)器是一種最優(yōu)處理器。它與最大似然估計(jì)器等價(jià),可以使時(shí)差估計(jì)的方差達(dá)到克拉美-羅下界(CRLB)的最優(yōu)估計(jì)方法[6]。其表達(dá)式為
(9)
其中
2.2 廣義相關(guān)法應(yīng)用于JTIDS信號(hào)測(cè)時(shí)差
由于JTIDS系統(tǒng)利用了擴(kuò)頻技術(shù),使得對(duì)方不能獲知其編碼信息,繼而無(wú)法得到擴(kuò)頻增益,導(dǎo)致接收站收到的JTIDS信號(hào)信噪比較低。利用相關(guān)法測(cè)時(shí)差,可以有效解決這一問(wèn)題。當(dāng)時(shí)差定位系統(tǒng)基線較長(zhǎng)時(shí),目標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)動(dòng),各站測(cè)得的目標(biāo)速度存在差異,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。由于多普勒頻差的存在,大大降低了相關(guān)法測(cè)量時(shí)差的精度。所以,在對(duì)JTIDS信號(hào)時(shí)差估計(jì)時(shí),必須得考慮兩站之間的多普勒頻差。記兩站的信號(hào)分別為
(10)
(11)
其中,D為時(shí)差,fd為多普勒頻差,n0(t)、n1(t)分別是站1、2的噪聲。
這里主要研究信號(hào)形式以及多普勒頻差對(duì)于時(shí)差估計(jì)的影響。
3.1 信號(hào)形式對(duì)時(shí)差估計(jì)的影響
由于JTIDS共有51個(gè)跳頻點(diǎn),將接收機(jī)的帶寬覆蓋1個(gè)或多個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)接收。取觀察時(shí)間為150μs,分3種情況討論信號(hào)形式對(duì)于時(shí)差估計(jì)的影響:(1)在觀察時(shí)間內(nèi)接收到1個(gè)脈沖信號(hào),(2)在觀察時(shí)間內(nèi)接收到3個(gè)同頻脈沖信號(hào),(3)在觀察時(shí)間內(nèi)接收到3個(gè)不同頻率的脈沖信號(hào)。
取采樣頻率為200MHz,時(shí)差為500ns,多普勒頻差為568Hz。在信噪比分別為0、2、4、6、8、10、12、14dB下用廣義相關(guān)法進(jìn)行時(shí)差估計(jì)并進(jìn)行2000次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn),得到3種信號(hào)形式的廣義互相關(guān)函數(shù)和時(shí)差的均方根誤差如圖3~6所示。
圖3 單脈沖的相關(guān)函數(shù)
圖4 3個(gè)同頻脈沖的相關(guān)函數(shù)
圖5 3個(gè)不同頻率脈沖的相關(guān)函數(shù)
圖6 時(shí)差信息的均方根誤差
比較3種信號(hào)形式下的時(shí)差均方根誤差和相關(guān)函數(shù)圖形可知,接收到的信號(hào)脈沖數(shù)越多時(shí)差估計(jì)的精度就越高;當(dāng)接收到的信號(hào)為多個(gè)同頻脈沖時(shí),會(huì)造成多普勒域的分裂而出現(xiàn)多個(gè)窄峰,繼而大大增加了漏檢的概率。綜合上述分析,實(shí)際情況下接收J(rèn)TIDS信號(hào)時(shí)應(yīng)盡量將接收機(jī)的帶寬多覆蓋JTIDS系統(tǒng)的跳頻點(diǎn),使得在觀察時(shí)間內(nèi)盡量多接收到不同頻率的脈沖信號(hào)。
3.2 多普勒頻差對(duì)時(shí)差估計(jì)的影響
假設(shè)時(shí)差定位系統(tǒng)的布站基線長(zhǎng)為30km。如果機(jī)載JTIDS輻射源的飛行速度小于600m/s,則兩站之間的多普勒頻差取值為-30~30kHz。假設(shè)接收機(jī)在150μs時(shí)間內(nèi)收到3個(gè)不同頻率的脈沖,取信噪比為4dB、時(shí)延為500ns,研究多普勒頻差對(duì)于時(shí)差估計(jì)的影響。表1為不同多普勒頻差下時(shí)差信息的均方根誤差情況。
表1 多普勒頻差對(duì)時(shí)差估計(jì)的影響
多普勒頻差對(duì)時(shí)差估計(jì)的影響較大。由于多普勒頻差與輻射源的運(yùn)動(dòng)速度成正比,在輻射源運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快時(shí),時(shí)差信息誤差較大,所以時(shí)差定位系統(tǒng)只能在JTIDS輻射源運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)比較低時(shí)對(duì)其進(jìn)行精確定位。
本文從JTIDS系統(tǒng)使用的幾個(gè)新的通信技術(shù)入手,逐一介紹了JTIDS信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié),并用計(jì)算機(jī)仿真了1個(gè)時(shí)隙中數(shù)據(jù)傳送段的JTIDS脈沖群。采用廣義相關(guān)法對(duì)JTIDS信號(hào)進(jìn)行時(shí)差估計(jì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明采用該方法對(duì)接收機(jī)的帶寬要求較高,并且對(duì)輻射源運(yùn)動(dòng)速度有一定限制。由于機(jī)載JTIDS輻射源速度可達(dá)600 m/s,所以在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大時(shí)時(shí)差定位技術(shù)可能不適用。在今后的研究工作中將進(jìn)一步研究在目標(biāo)速度過(guò)大時(shí)的定位方法。
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Research on JTIDS signal simulation analysisand its TDOA estimation
XING Meng1, ZHAO Hang2, LIU Jia-yuan1, CHEN Yuan-zhi1
(1. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153; 2. Military RepresentativesOffice of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003)
When the JTIDS radiation source is located with the Time Difference of Arrival (TDOA) location technology, it is very difficult for the receiver to obtain the accurate TDOA information because the JTIDS adopts a variety of new communication technologies such as the frequency hopping and spread spectrum. The effect of the JTIDS signal form and the Doppler frequency difference on the measured results is discussed when the general cross correlation (GCC) method is used to measure the TDOA. The simulation results show that the bandwidth of the receiver should cover the JTIDS frequency hopping points as many as possible when the JTIDS signals are received. When the radiation source is moving too fast, it cannot be located accurately with the TDOA location technology.
JTIDS signal; TDOA estimation; GCC; TDOA location
2016-11-28;
2016-12-09
邢朦(1988-),女,工程師,碩士,研究方向:終端顯控;劉佳媛(1988-),女,工程師,碩士,研究方向:數(shù)據(jù)處理;陳遠(yuǎn)志(1979-),男,工程師,研究方向:終端顯控。
TN911.7
A
1009-0401(2017)01-0030-04