机载单站飞行试验内场无源定位测试系统的制作方法

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本发明涉及一种电子定位测试方法应用领域，主要用于机载单站飞行试验内场无源定位测试系统，尤其是可应用到空中飞行器无源定位、针对比相测向和阵列测向等多种测向体制下的单机多点定位场景的测试。


背景技术：

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无源定位技术是自身不发射电磁波，利用接收辐射源的辐射信号，确定出该辐射源所在位置的技术。无源定位技术主要依赖于参数测量、处理能力的提高，具体包括相位干涉仪或相控阵天线的测速度及精度、多普勒频率变化率的精确测量；微弱信号检测能力、信号的分选配对、单站无源定位跟踪算法等等关键技术的解决。按照观测平台的数目，无源您位可以划分为单站无源定位和多站无源定位两种情形。单站无源定位技术是只利用一个观测平台对目标辐射源进行定位的技术。传统的多站系统需要各站之间同步工作并进行大量的数据传输，此外还要求对集中的数据进行融合处理。这不仅使定位系统变得复杂，也限制了系统的独立性和机动性。单一的无源观测器是无法测量出辐射源的位置的，因此对于辐射源的位置是不可观测的。如果使单站观测器与辐射源之间发生相对几何位置的变化，则可在位置变化的过程中通过多次顺序测量获得目标的信息数据，估计出目标的位置和运动状态。与多站无源定位系统相比，单站无源定位系统一般不需要多站同步工作和数据传输，也不依赖于站间的通信，因而具有较大的灵活性。单站无源定位系统与有源定位系统不同的是，它不能直接测量目标的距离，而只能直接获得目标的角度。因此实现无源测距是单站无源定位系统的关键。提取辐射电磁信号中携带定位信息的参数是实现无源定位的前提和关键。无源定位又可分为基于外辐射源的无源定位和利用目标自身辐射信号的无源定位。利用外辐射信号的无源定位，是指无源定位系统不利用目标自身辐射源的辐射信号进行定位，而是接收目标外的辐射信号对目标进行定位的技术。这类辐射信号一般是空中已存在的广播tv，通信和fm无线电广播信号。目前，国外现有的无源定位系统研究既有利用外辐射信号来对目标定位，也有利用目标自身辐射信号对目标进行定位，而国内对无源定位的研究主要是利用目标辐射信号来对目标定位。无论是利用外辐射信号对目标的定位技术，还是利用目标自身辐射信号对目标的定位技术，都有长足的发展和创新。利用干涉仪可以测量目标信号到达干涉仪阵元的时间差或者相位差，从而获得目标的方向角。在目标和观测平台之间相对运动的情况下，通过一段时间的测量，可以得到时差变化率或者相位差变化率，该量实际上反映的是目标相对于观测平台的角度变化率，在二维平面内，即为方位角变化率。方位角的变化率实际上是对目标相对运动的切向速度的反映；另外，相对运动引起多普勒效应，多普勒频移反映的是目标相对运动的径向速度，多普勒频率变化率则反映的是相对运动的径向加速度，采用基于质点运动学的单站无源定位技术就有可能在单站无源条件下将目标的相对距离求解出来。在无源定位系统中，接收机往往被安装在飞机、卫星、空中无人飞行器等运动平台上，当目标源与接收机之间存在相对运动时，可以通过同时使用时差与多普勒频差进行联合定位和测速。目前无源定位问题的解决方法很多，而对于空中
运动目标定位特别是测速的研究较少。通过截获无线电信号，获得电波的传播方向进而确定其辐射源所在方向的过程，称为无线电测向，或无线电定向，简称测向。测向定位的定位原理是将测向得到的辐射源的射线(视向线)与地球表面的交点作为辐射源的位置。电子侦察子系统对辐射源测向的基本原理是利用天线子系统对不同方向到达电磁波所具有的振幅或相位相应来确定辐射源来波方向。机载无线电设备之间的兼容性试验是飞机研制完成之后进行的一项重要整机性能试验项目,当前主要通过外场飞行来完成。由于外场试验有试验周期长、试验费用高、易受气候条件的限制，如果高速再入飞行运动平台单独对固定辐射源进行无源定位则需要额外增加硬件及尺寸。对目标的被动定位的精度受对目标角度测量精度的影响较大，对静止辐射源的定位精度较高，如果目标辐射源是运动的，则要求载机必须做一定的特殊机动动作，定位时间较长；其次，如果是低空突防攻击，即目标相对于载机的高度差较小、目标俯仰角较小时，需要载机做相对于目标的“s”型机动来定位，定位时间同样较长，目标距离估算精度下降较大。飞行试验中由于载机平台的不同，飞机的机动能力也不同；飞机所做出的姿态动作以及飞行速度引起的多普勒效应的等等不同，因而飞行过程中不能对某些指标能力进行测试。
[0003]
目前，针对定位的测试方法大多通过飞行试验进行，这种定位试验需要有其它设备辅助如惯导子系统等。进行定位飞行试验通常需要：1)试验载机并对该载机进行改装改装后进行安全性试飞等一系列准备工作，且耗时较长；2)惯导子系统提供飞机的相关位置、姿态信息等，以便确定飞机自身的位置和相对姿态，需要任务子系统与其按某种协议互通；3)地面通信导航台站为飞机飞行过程中引导飞机按计划航线飞行，确定飞机实时位置及航向参量(如航向、速度等)，引导飞机在各种气象条件下进行着陆，为空中交通管制和飞机防撞提供有关信息；4)地面目标模拟子系统作为辐射源目标模拟，具备各种所需信号较大功率辐射能力；5)庞大试飞及保障人员以保障地面空中各个环节的各种设备正常有序工作。
[0004]
由此可以看出如果要进行一次飞行试验需要耗费极其大量的人力、物力才能保证，而且飞行试验还受天气情况、飞行空域规划等等条件限制，试验飞行时间得不到保障；此外在各个架次飞行测试之间，且因为每次飞行的各种外在条件或多或少有些差异，以致不能飞行过程中的场景进行复现，进而影响试验过程中问题的排查以及对功能测试遍历性更是不可能的。


技术实现要素：

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本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种试验成本低、重复性高，无需进行实际空中飞行实验进行测试，在内场便可完成对整个定位功能相关的，包括定位时间、定位精度以及子系统链路指标的定位测试验证系统。
[0006]
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种机载单站飞行试验内场无源定位测试系统，包括：分别连接机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统的实验导调子系统，以及与所述机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统连接的任务子系统，其特征在于：实验导调子系统根据完成了实验场景规划的飞行航迹、姿态信息、场景信息、目标信号参数及机载位置，生成场景配置文件并下发到机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统；载机平台模拟子系统响应场景配置，根据实验导调子系统推送的目标的参数信息和每秒目标相对飞机的方位信息，将生成的惯导数据和秒脉冲数据下发到射频境模拟子系统和任务子系
统，并产生同步信号；射频模拟子系统通过场景控制计算机内置的目标信号生成平台软件生成的飞机方位信息、惯导数据信息和想定配置文件数据序列，将复杂信号模型库、目标轨迹和航迹模拟软件所产生的波形文件下发至射频目标模拟器；射频目标模拟器通过天线接口单元发送到任务子系统，任务子系统根据实验导调下发实验指令，开展无源定位联试，依靠秒脉冲信号进行射频模拟子系统射频信号与相应的惯导数据进行同步触发；从目标和飞行航迹提取轨迹方程，计算出相对距离、相对速度、信号的多普勒频移以及信号到达延时，根据用户输入设置的参数，采集处理得到与外场实际试验相似的数据，比较对应的内场数据和外场数据，采用基带信号生成的方式，生成相应的标准波形，进行校准后，根据外场数据，计算相关的运动参数与实测数据，以频分复用的方式对信号参数进行合成叠加，经过差值、平滑等转化过程，再进行数据传输，输出脉冲信号，在场景控制计算机上实时显示飞行动态传输过程，以及在运动环境中辐射源的运动轨迹。
[0007]
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：试验成本低。本发明采用分别连接机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统的实验导调子系统，以及与所述机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统连接的任务子系统的机载单站飞行试验内场无源定位测试系统，根据雷达信号的时域特性进行单站快速定位，在内场便可完成无源定位的测试，定位精度比采用相位干涉仪测向体制的结果高得多。通过实验导调子系统、载机平台模拟子系统、射频模拟子系统之间协同工作便可满足测试需求。不需要试验载机、惯导子系统、地面通信导航台站、地面目标模拟子系统等配试设备或子系统以及庞大试飞及保障人员，仅需相关研发人员便可完成测试，极大的节约了人力、物力；在使用过程中，由于在内场进行测试，且飞行路线可任意进行设置，进而可随时进行测试，不受天气情况、飞行空域规划、试验飞行时间等等条件限制。极大的节省研制成本，缩短研发周期，进而避免了试验飞行时间得不到保障的缺陷。
[0008]
重复性高。本发明采用实验导调子系统根据完成了实验场景规划的飞行航迹、目标信号参数及机载位置、姿态信息、场景信息，生成场景配置文件并下发到机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统；载机平台模拟子系统响应场景配置，根据实验导调子系统推送的目标的参数信息和每秒目标相对飞机的方位信息，将生成的惯导数据和秒脉冲数据下发到射频境模拟子系统和任务子系统，并产生同步信号；可以对功能的极限性能指标进行测试，可进行测试场景任意设置，包括飞行轨迹、飞行姿态、目标位置、目标信号参数等等，而且场景可以重复播放，可以实现每次测验场景相同，易于对试验过程中问题的排查以及对功能测试遍历性测试；本发明射频模拟子系统通过场景控制计算机内置的目标信号生成平台软件生成的飞机方位信息、对应的惯导数据信息想定配置文件数据序列，将复杂信号模型库和目标轨迹和航迹模拟软件所产生的波形文件下发至射频目标模拟器；射频目标模拟器通过天线接口单元发送到任务子系统，任务子系统根据实验导调开始实验指令，开展无源定位联试，不仅对定位功能进行测试，同时还可以对信号参数(信号频段、信号类型及调制类型、接收灵敏度、动态范围、参数测量精度、信号调制类型模拟等)、测向功能、极化模拟(水平极化、垂直极化、圆极化等等)整个功能的相关指标进行测试；与飞行试验有限科目有限条件相比，本发明可对侦察功能进行综合性测试，包括同时多目标测向、单目标定位、最大瞬时带宽、脉冲密度测试等，具备可扩展性。
[0009]
本发明依靠秒脉冲信号进行射频模拟子系统射频信号与相应的惯导数据进行同步触发；从目标和飞行航迹提取轨迹方程，计算出相对距离及相对速度、信号的多普勒频移以及信号到达延时，根据用户输入设置的参数，采集处理得到与外场实际试验相似的数据，比较对应的内场数据和外场数据，采用基带信号生成的方式，生成相应的标准波形，进行校准后，根据外场数据，计算相关的运动参数与实测数据，以频分复用的方式对信号参数进行合成叠加，经过差值、平滑等转化过程，再进行数据传输，输出脉冲信号，在场景控制计算机上实时显示飞行动态传输过程，以及在运动环境中辐射源的运动轨迹。可随时产生多种信号，包括测控信号、通用卫星信号、数字微波、散射通信信号各种调制雷达信号、短波常规通信信号、超短波常规通信信号、超短波话音信号、acars信号、ais信号、短波跳频信号、超短波跳频信号、超短波扩频信号等，并可根据需求可增加所需信号；在保证定位功能测试的基础上降低了以往定位测试所需的环境需求，提高了开发效率，降低了开发成本，同时增强了无源定位测试的可扩展性，并且能够以灵活快速实现测试任务。提供了用于创建不同功能的不同测试场景的测试模型，用户能够通过参数化建模实现用户界面的动态加载并可重复播放。
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本发明可较好地满足针对比相测向和阵列测向等技术体制的无源定位功能测试，最小方位步进0.2
°
，满足不同的仿真步长要求，满足不同仿真粒度的需求，可广泛应用于相关的仿真测试等领域和大型分布式仿真子系统的复杂应用领域。
附图说明
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下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
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图1本发明机载单站飞行试验内场无源定位测试系统的试验原理示意图。
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图2是图1的定位功能场景流程图。
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图3本发明场景控制计算机内置的目标信号生成平台软件的信号处理流程示意图。
具体实施方式
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参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种机载单站飞行试验内场无源定位测试系统，包括：分别连接机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统的实验导调子系统，以及与所述机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统连接的任务子系统，其特征在于：实验导调子系统根据完成了实验场景规划的飞行航迹、姿态信息、场景信息、目标信号参数及机载位置，生成场景配置文件并下发到机载平台模拟子系统和射频境模拟子系统；载机平台模拟子系统响应场景配置，根据实验导调子系统推送的目标的参数信息和每秒目标相对飞机的方位信息，将生成的惯导数据和秒脉冲数据下发到射频境模拟子系统和任务子系统，并产生同步信号；射频模拟子系统通过场景控制计算机内置的目标信号生成平台软件生成的飞机方位信息、惯导数据信息和想定配置文件数据序列，将复杂信号模型库、目标轨迹和航迹模拟软件所产生的波形文件下发至射频目标模拟器；射频目标模拟器通过天线接口单元发送到任务子系统，任务子系统根据实验导调下发实验指令，开展无源定位联试，依靠秒脉冲信号进行射频模拟子系统射频信号与相应的惯导数据进行同步触发；从目标和飞行航迹提取轨迹方程，计算出相对距离、相对速度、信号的多普勒频移以及信号到达延时，根据用户
输入设置的参数，采集处理得到与外场实际试验相似的数据，比较对应的内场数据和外场数据，采用基带信号生成的方式，生成相应的标准波形，进行校准后，根据外场数据，计算相关的运动参数与实测数据，以频分复用的方式对信号参数进行合成叠加，经过差值、平滑等转化过程，再进行数据传输，输出脉冲信号，在场景控制计算机上实时显示飞行动态传输过程，以及在运动环境中辐射源的运动轨迹。
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场景控制计算机完成辐射源运动轨迹的编辑、产生，以及相应的位置、速度、时延、多普勒频率等运动参数的计算，同时将计算出的运动数据存储，实时运动轨迹数据传输以及对产生数据采集处理后的结果进行对比，生成运动参数、辐射源雷达波型参数实时传输的通道，射频目标模拟器将接收到的各种目标信息转换为与之相对应的衰减网络和目标参数，然后将这些数据送入对应支路的大规模可编程门阵列(fpga)，各支路fpga在定时脉冲的触发下配置dds以及脉冲调制衰减通道，直接数字式频率合成器dds输出的连续波信号经过脉冲调制、幅度衰减电路，在指定的距离时延上生成指定脉宽和指定幅度的多路中频脉冲信号。
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场景控制计算机根据外场数据，计算相关的运动参数和信号参数，设定相对运动场景和信号参数，生成与实测数据对应的中频信号和视频信号，经过采集处理得到与外场实际试验相似的数据；分析总结外场试验，减小注入式仿真试验与外场试验的差距，比较对应的内场数据和外场数据，实时显示的信号动态传输过程，以及在运动环境中辐射源的运动轨迹。目标信号生成平台控制软件设置飞行场景、辐射信号形式等参数，计算飞行航迹相关数据，数据传输模块中，实时将航迹数据和场景环境参数传给射频目标模拟器，将计算保存的航迹数据和场景参数导入传输外场数据导入模块中，可以把由外场试验数据滤波跟踪得出的运动轨迹参数和信号形式参数导入飞行航迹计算模块中，经过差值、平滑等转化过程，再进行数据传输，输出脉冲信号。
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参阅图2。实验导调子系统规划试验场景、任务子系统的需求，进行相关准备工作。实验导调子系统根据试验需求，对场景控制计算机进行飞行航迹、目标信号参数及位置信息等规划试验场景，生成目标的参数信息、每秒目标相对飞机的方位信息、对应的惯导数据信息的想定配置文件，输送想定配置文件；加载射频环境信号参数，运行试验场景，推送收发惯导数据到后端任务子系统，运行控制输出秒脉冲，将秒脉冲信号、目标的参数信息、每秒目标和相对飞机的方位信息分别推送给射频模拟子系统和任务子系统后端处理。
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载机平台模拟子系统启动惯导模拟器，获取gps/bd/gnss时间，射频模拟子系统根据实验导调子系统推送的信息，通过场景控制计算机内置的复杂信号模型库、目标信号生成平台软件和目标轨迹和航迹模拟软件，设置任务子系统所观察区域需要的方位信息，产生所需要的波形文件，根据实验导调子系统的调取相应的信号参数配置表、天线基线等参数解算出各通道间的相位差信息，将惯导数据、复杂信号模型库和目标轨迹下发至射频模拟子系统。射频模拟子系统根据场景控制计算机加载射频环境信号参数，生成信号参数信息和场景信息，将生成的载频、调制类型、码速率、功率等信号参数信息输入复杂信号模型库，把目标方位信息、距离、相对速度的场景信息输入目标轨迹和航迹模拟软件，目标信号生成平台软件将从复杂信号模型库和目标轨迹和航迹模拟软件提取出的信号参数信息和场景信息生成波形文件并推送到射频目标模拟器。
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射频目标模拟器加载来自目标生成平台软件的波形文件，将加载波形文件和来自实验导调子系统的脉冲信号通过天线接口单元推送到任务子系统后端处理平台，实验导调子系统下发开始实验指令后，任务子系统依靠秒脉冲信号进行射频模拟子系统射频信号与相应的惯导数据进行同步触发，开展联试。
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参阅图3。目标信号生成平台软件将信号处理流程分为轨迹计算，标准信号生成，信号合成，网络校准等几个部分，在轨迹计算中，根据输入目标信号信息、获取监测站轨迹、各目标飞行轨迹以及天线方向相对位置等信息，计算出径向速度，进一步可计算出信号的多普勒频移，并根据输入信息计算出目标与收发天线距离，进一步计算来波到达延时和来波总衰减量。
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在信号合成流程中，根据目标信号信息将目标进行信号分解，针对一个位置的目标可能有多个信号，进行目标信号设置，用s(i,j)表示第i目标的第j信号，信号分解s(i,j)第i目标的第j信号，s(i,j)生成调用信号库，结合时域频域参数提取，分别将多个同目标信号合成为σjs(i，j)，结合轨迹计算的信息和来波总衰减量对目标信号进行校准，生成m目标校准信号σjs’(i，j)，根据m目标校准信号σjs’(i，j)进行循环计算，最后将多个目标信号同通道信号合成σ
i
σ
j
s’(i，j)后，通过网络校准，输出到待测系统。
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本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。