一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟系统及方法与流程

1.本发明涉及一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟系统及方法，属于中继捕跟系统技术领域。


背景技术：

2.中继捕跟系统为保证对系统性能的验证，通常需要组织外场大型试验进行验证评估。传统的试验方法存在较多客观实际的凸出问题，如场地要求高(具备无线专用场地、转台和吸波墙等专用仪器设备)、试验周期长(通常1-2周)、人力物力投入大(产品及测试工装制备和转运、测试总装管理多方人员)、资源使用冲突严重，特别是对于系统整体捕跟性能的验证评估往往被推迟至外场试验阶段，在单机及分系统有线阶段仅能开展定性的功能性能测试验证，进而导致部分指标超差风险未能尽早暴露，及早更正，往往给型号后续研制进度带来极大的压力。中继捕跟系统外场试验的高成本、长周期、耗人力、难实施等客观现实，严重制约系统研制成本与进度。
3.《一种单通道单脉冲体制自跟踪信号源的设计方法》，专利号cn200910175496.5，该专利采用复杂的基带处理设备产生调制信号作为信标信号，对信标信号仅具备多普勒频率、角误差电压的模拟，不具备相位和信号幅值特性模拟，模拟的高保真全面性不足。此外，该模拟系统与被测系统之间无交互，属于开环系统，无法实现与被测系统紧的耦合。
4.《借助于静态信道模拟测试移动无线电设备的方法和设备》，专利号cn102204135b，该专利主要针对通信系统无线测试的信道模拟，且模拟仅局限在静态信道，无法实现信道近实时动态特性的模拟。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：提出一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟系统及方法，提取单脉冲单通道跟踪体制的跟踪信号的多普勒频率、相位和幅值三个信道参数，运用信道模拟技术实现信标信号的高保真模拟；辅助计算机综合处理与控制，模拟系统采集接收被测系统转角度信息，处理计算后循环更新迭代信道模拟状态，实现模拟系统与被测系统紧耦合下的动态近实时模拟。在等效替代中继捕跟外场大型试验上具有很高的应用价值。
6.本发明的技术方案是：一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟系统，包括信标频率源、信道模拟器、标校与监测设备、综合处理计算机和通道微波部件；
7.信标频率源用于产生捕跟信标中频rf信号，同时为系统内其他射频设备提供统一频率基准参考ref信号；
8.信道模拟器接收捕跟信标if的两路信号，同时接收综合处理计算机送来的控制参数信息，在中频上完成和支路与差支路信号幅度、相位和频率三个相参特性施加信道模拟，实现对信标信号的高保真模拟；
9.综合处理计算机通过局域网完成对模拟系统的综合管控与处理，根据系统配置基
础数据，计算处理产生信道模拟参数组，驱动信道模拟器；采集被测系统反馈转角度数据，形成被测系统与模拟系统的紧耦合闭环连接；结合反馈转角数据进行分析及处理，生成下一时刻信模拟器控制参数组并驱动执行，达到近实时动态特性模拟；
10.标校与监测设备产生标校信号，经输入耦合器进入模拟系统，在经输出耦合器接收回来，通过标校信号完成对模拟系统的初始状态标校；在系统工作过程中，接收信标模拟信号，对模拟信号质量进行监测；
11.通道微波部件将信标频率源的信标分路为和差信标，对信道模拟器的射频输入输出进行频率变化，通过耦合为标校与监测设备提供标校与监测信道。
12.所述信标频率源内置10mhz高稳晶振模块，通过锁相环锁倍放大高稳晶振输出信号产生信标rf信号；同时对高稳晶振10mhz分路，产生系统内部统一参考信号ref，系统内部达到高精度、高稳定同源。
13.所述的信标频率源产生的信标信号为单载波信号。
14.所述的信道模拟器接收捕跟信标if的两路信号，同时接收综合处理计算机送来的控制参数信息，在中频上完成和支路与差支路信号幅度、相位和频率三个特性施加信道模拟，实现对信标信号的高保真模拟。
15.所述的综合处理计算机完成对模拟系统的动态实时控制，采集外部反馈的角度数据，进行当前时刻数据分析及处理，生成下一时刻信模拟器控制参数并下载，驱动信道模拟器的动态实时更新，实现模拟系统的综合管控与动态运行,形成被测系统与模拟系统的闭环连接。综合处理计算通过局域网lan接口与其他设备进行通信，控制模拟系统内部各组成设备的工作状态及参数。
16.所述的综合处理计算机采用异步422串口与外部被测系统的地检设备通讯。
17.所述的标校与监测设备产生标校信号，经输入耦合器进入模拟系统，经输出耦合器接收回来，依靠标校信号完成对模拟系统的初始状态标校，获取零值参数；在系统工作过程中，接收信标模拟信号，对模拟信号幅度和频率射频特性进行实时监测。
18.所述的通道微波部件包括分路器、输入测试耦合器、频率变换设备和输入/出测试耦合器；分路器采用威尔金逊桥，将前级送来的捕跟信标中频if信号等幅等相分配成两路，等效捕跟信标信号分路成信标和支路信号与信标差支路信号；输入测试耦合器用于将标校与监测设备的标校信号耦合输入进到分路器；频率变换设备将射频rf信标信号变换至中频if输出给信道模拟器；将叠加信道特性后的两个支路信号由中频if变换至射频rf发射。输出测试耦合器将前级变至射频的支路信号分别耦合输出，闭环反馈给标校与监测设备。
19.和差两路输出测试耦合器具备时延高一致性，输出段波导采用结构等长的波导组件。
20.一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟方法，步骤如下：
21.1)模拟系统标定零值参数，使用标校与监测设备对模拟系统自身信道初始参数进行标校，获取模拟系统的零值参数；
22.2)模拟系统基础数据配置录入；将模拟系统基础数据及模拟信道动态参数配置至模拟系统的综合处理计算机中，基础数据包括系统零值参数及天线和差方向图曲线；模拟信道动态参数包括空间链路动态特性参数多普勒频率及信道幅值波动；
23.3)产生输出原始信标信号；信标频率源产生信标信号，通过分路形成和与差信标
原始信号；
24.4)设置首点模拟角误差矢量信号初值；在指向坐标系下，角误差矢量信号通过目标偏离角θ和方位角φ表征，输入两个参数初始设置值，模拟系统综合处理器计算机生成和、差信道的相位参数，链接模拟时刻信道动态参数数据，形成模拟参数包，并设置信道模拟执行首点参数数据；
25.5)启动模拟并采集转动信息闭环反馈循环迭代更新；被测件接收到模拟的信标信号，驱动被测捕跟系统转动工作，星上工作转动的角度通过综合处理器计算机采集，并据此和首点参数初值形成下一模拟点的角误差矢量的目标偏离角θ和方位角φ；
26.6)重复步骤4)生成当前时刻信道模拟参数包，下载至信道模拟器并驱动执行，如此往复循环；
27.7)通过标校与监测设备实时接收模拟信号，对模拟信号射频频率和幅值特性进行实时监测；
28.8)模拟系统运行一段4-5小时，模拟业务允许中断前提下，对系统再进行一次零值标校，确认系统零值未出现较大波动。
29.本发明与现有技术相比的优点在于：
30.(1)本发明基于信道模拟技术，能够同时实现和支路与差支路信号幅度、相位和频率三个相参特性施加信道模拟，实现对信标信号的高保真模拟；
31.(2)本发明利用计算机综合处理技术对模拟系统的综合管控与处理，采收被测系统反馈转角度数据，实现被测系统与模拟系统的紧耦合闭环连接，构成闭环反馈系统；结合反馈转角数据进行分析及处理，生成下一时刻信模拟器控制参数组并驱动执行，达到近实时动态特性模拟；断开与被测系统的转角反馈信息，模拟系统同样可以支持开环工作；
32.(3)本发明的系统核心在于跟踪信号的模拟，模拟可以是依据客观实际物理场景仿真生成的模拟参数，也支持某些定制模拟曲线，针对中继捕跟系统某些边界性能、极端工作场景和性能定量分析需求，可以依据理论公式形成各自模拟参数，结合开环和闭环模式，能够实现对系统进行更全面、更深度的性能评估。
附图说明
33.图1中继捕跟外场试验模拟系统组成构成。
34.图2中继捕跟外场试验模拟系统典型应用。
35.图3指向目标与偏离矢量在天线坐标系中示意图。
36.图4天线和波束方向图。
37.图5天线差波束方向图。
38.图6模拟系统综合处理计算机工作流程。
39.图7中继捕跟外场试验模拟系统标校。
40.图8 422总线角度传输数据格式。
具体实施方式
41.一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟系统及方法，属于卫星中继系统捕获跟踪技术领域。本发明基于单脉冲跟踪原理，提取捕跟信标信号的衰减、相位和频率三
个信道模拟参数；依据中继天线的和差信号方向图特性，构建捕跟信标信号幅值模型，将天线跟踪的理论角度映射至相位和频偏，辅助计算机综合处理与控制，模拟系统接收卫星中继捕跟系统实际转角的实时反馈，根据单脉冲跟踪测角原理反算捕跟信标信号参数值，修正模拟系统的零值数据形成当前时刻模拟参数，驱动信道模拟器对三个相参参量进行实时更新，往复运行，通过闭环信息反馈，达到对中继捕跟外场试验场景下捕跟信标信号的动态模拟；本系统自带标校与监测设备，应用过程中能够对模拟系统的零值进行标定，实现对系统工作状态的监测。
42.本发明一种基于信道模拟技术的中继捕跟外场试验模拟系统，包括信标频率源、信道模拟器、标校与监测设备、综合处理计算机和通道微波部件；
43.信标频率源用于产生捕跟信标中频rf信号，同时为系统内其他射频设备提供统一频率基准参考ref信号；
44.信道模拟器接收捕跟信标if的两路信号，同时接收综合处理计算机送来的控制参数信息，在中频上完成和支路与差支路信号幅度、相位和频率三个相参特性施加信道模拟，实现对信标信号的高保真模拟；
45.综合处理计算机通过局域网完成对模拟系统的综合管控与处理，根据系统配置基础数据，计算处理产生信道模拟参数组，驱动信道模拟器；采集被测系统反馈转角度数据，形成被测系统与模拟系统的紧耦合闭环连接；结合反馈转角数据进行分析及处理，生成下一时刻信模拟器控制参数组并驱动执行，达到近实时动态特性模拟；
46.标校与监测设备产生标校信号，经输入耦合器进入模拟系统，在经输出耦合器接收回来，通过标校信号完成对模拟系统的初始状态标校；在系统工作过程中，接收信标模拟信号，对模拟信号质量进行监测；
47.通道微波部件将信标频率源的信标分路为和差信标，对信道模拟器的射频输入输出进行频率变化，通过耦合为标校与监测设备提供标校与监测信道。
48.所述信标频率源内置10mhz高稳晶振模块，通过锁相环锁倍放大高稳晶振输出信号产生信标rf信号；同时对高稳晶振10mhz分路，产生系统内部统一参考信号ref，系统内部达到高精度、高稳定同源。
49.所述的信标频率源产生的信标信号为单载波信号。
50.所述的信道模拟器接收捕跟信标if的两路信号，同时接收综合处理计算机送来的控制参数信息，在中频上完成和支路与差支路信号幅度、相位和频率三个特性施加信道模拟，实现对信标信号的高保真模拟。
51.所述的综合处理计算机完成对模拟系统的动态实时控制，采集外部反馈的角度数据，进行当前时刻数据分析及处理，生成下一时刻信模拟器控制参数并下载，驱动信道模拟器的动态实时更新，实现模拟系统的综合管控与动态运行,形成被测系统与模拟系统的闭环连接。综合处理计算通过局域网lan接口与其他设备进行通信，控制模拟系统内部各组成设备的工作状态及参数。
52.所述的综合处理计算机采用异步422串口与外部被测系统的地检设备通讯。
53.所述的标校与监测设备产生标校信号，经输入耦合器进入模拟系统，经输出耦合器接收回来，依靠标校信号完成对模拟系统的初始状态标校，获取零值参数；在系统工作过程中，接收信标模拟信号，对模拟信号幅度和频率射频特性进行实时监测。
54.所述的通道微波部件包括分路器、输入测试耦合器、频率变换设备和输入/出测试耦合器；分路器采用威尔金逊桥，将前级送来的捕跟信标中频if信号等幅等相分配成两路，等效捕跟信标信号分路成信标和支路信号与信标差支路信号；输入测试耦合器用于将标校与监测设备的标校信号耦合输入进到分路器；频率变换设备将射频rf信标信号变换至中频if输出给信道模拟器；将叠加信道特性后的两个支路信号由中频if变换至射频rf发射。输出测试耦合器将前级变至射频的支路信号分别耦合输出，闭环反馈给标校与监测设备。
55.和差两路输出测试耦合器具备时延高一致性，输出段波导采用结构等长的波导组件。
56.下面结合附图对本发明进行详细阐述。
57.如图1所示为本发明中继捕跟外场试验模拟系统组成框图，模拟系统主要由信标频率源、信道模拟器、标校与监测设备、综合处理计算机和通道微波部件共五部分组成。综合处理计算机通过综合测试网的lan接口与各功能设备实现网络数据通信，完成系统综合控制。微波部件设备全部同源到信标频率源的参考信号上，输入测试耦合器与输出测试耦合器输出端口接入标校与监测设备。模拟系统对外存在3个接口：2个波导接口用于输出和、差支路的等效模拟信标，1个422接口用于采集接收被测系统转角信息。
58.如图2所示为本发明的一个典型应用，具体设备选用情况如下：信标频率源采用是德的模拟信号源，型号为e8257d；信道模拟器选用国产坤恒顺维公司的ksw-wns02/02b信道模拟器，为双通道信道模拟器，通过内部板卡扩展，直接支持毫米波频段信道仿真测试，多通道相位一致性优良，100ps高精度时延仿真，支持最大500mhz带宽。由于信道模拟器内置上下变频部件，原模拟系统架构中断变频设备可以被替代。综合处理计算机采用研华工控机，型号为ipc-610-l。分路器为单位自研的威尔金逊3db功分桥，输入测试耦合器为同轴耦合器，输出测试耦合器为同轴转波导接口耦合器，10db耦合度，波导接口为bj260。标校与监测设备采用是德的矢量网络分析，型号为n5247，具有4端口。被测系统为某卫星中继捕跟系统，星上设备主要为跟踪接收机和终端控制器，天线机构等效器用于等效替代星上机械转动天线，终端控制器根据跟踪接收机的角误差信息驱动天线机构等效器转动，天线机构等效器在转动的同时，将角度信息通过旋变高精度采集后经422接口对外输出角度信息。
59.典型应用的仪器清单如下表1所示。
60.表1系统典型应用模拟系统配置清单
61.[0062][0063]
系统仿真原理：
[0064]
根据南京理工大学作者谭文的《角误差信号解调技术研究与实现》硕士论文，如图3所示，在天线坐标系下，天线方位轴转动角度αx和俯仰轴转动角度αy,目标指向偏离天线电轴夹角θ和天线坐标系xoy平面的投影线与x轴夹角其中夹角也是差信号合成矢量与方位矢量之间的夹角，上述四个参量存在理论数学关系：
[0065][0066][0067]
如图4、5所示，根据经典的单通道单脉冲角跟踪理论，参考文献《电讯技术》2005第三期的《单通道单脉冲角跟踪系统的研究》，信标信号经空间传输，到达捕跟天线口面，经捕跟天线形成1路和信号s
∑
与1路差信号s
δ
，其中差支路信号为方位差s
δa
与俯仰差s
δe
正交信号矢量合成，对于跟踪接收机来说，天线送来的输入信号为：
[0068][0069][0070]
上式中,θ为目标偏离电轴的空间角，差信号矢量夹角上式中,θ为目标偏离电轴的空间角，差信号矢量夹角为和信号天线方向图，为差信号天线方向图，f
doppler
为星间相对运动引入的多普勒频移，α为天线和差通道相位不一致的相对相位差。
[0071]
1)信道参数提取
[0072]
从天线输出端送来和、差信号的公式可以看出，输入给跟踪接收机的和、差信号中涉及信道特性主要包括：和信号天线增益g
∑
、差信号天线增益g
δ
、多普勒频移f
doppler
、差信号矢量夹角以及和差通道相位不一致相位差α，定义为相位总变化。上述参数分别对应信道的幅值、频率和相位3个参数。
[0073]
2)信号模拟参数产生
[0074]
对于中继捕跟系统，基于初始位置(x0，y0),通过天线x、y轴分别转动角度的(xa，ya)，可计算获得偏离天线电轴夹角θ和差信号矢量夹角根据θ和通过查表天线方向图增益曲线值及设定的多普勒频率f
doppler
，并修正模拟系统的初始零值参数，将信道参数设置给信道模拟器，通过对此3个信道参数的精确模拟即可等效实现对中继捕跟信标信号的高保真模拟。
[0075]
3)模拟系统闭环动态
[0076]
被测系统工作的转角信息通过天线机构等效设备实时将角度信息传递给模拟系
统，模拟系统的综合处理计算机采集并对转角数据迭代计算产生下一时刻模拟参数，构成被测系统与模拟系统的闭环机制，达到动态实时的效果。
[0077]
系统工作流程如下：
[0078]
1)模拟系统标定零值参数，使用标校与监测设备对模拟系统自身信道初始参数进行标校，获取模拟系统的和差通道的相位差的零值参数和幅度差的零值参数a0；
[0079]
2)模拟系统基础数据配置录入；将模拟系统基础数据及模拟信道动态参数配置至模拟系统的综合处理计算机中，基础数据包括系统零值参数及天线和差方向图曲线；模拟信道动态参数包括空间链路动态特性参数多普勒频率及信道幅值波动；
[0080]
表2系统模拟仿真参数组配置表样例
[0081][0082][0083]
3)产生输出原始信标信号；信标频率源产生信标信号，通过分路形成和与差信标原始信号，本用例信标信号为23.54ghz；
[0084]
4)设置首点模拟角误差矢量信号初值；在指向坐标系下，设置x轴和y轴的初始位置角度(αx0，αy0)，模拟系统综合处理计算机据此点参数计算得到角误差矢量的目标偏离角θ和方位角φ，同时提取天线方向图增益g和多普勒频率f，生成和、差信道的模拟参数组，链接模拟时刻信道动态参数数据，形成模拟参数包，将参数数据传输至信道模拟器；
[0085]
5)启动模拟，信道模拟器开始模拟工作，通过422接口闭环反馈循环迭代更新；被测件接收到模拟的信标信号，驱动被测捕跟系统转动工作，综合处理计算机采集天线机构等效器的x轴和y轴的转动角度(αx，αy)，通过综合处理器计算机采集，并重复步骤4)参数生成过程；综合处理计算机的详细工作流程如图6所示。
[0086]
6)重复步骤4)生成当前时刻信道模拟参数包，下载至信道模拟器并驱动执行，如此往复循环；
[0087]
7)通过标校与监测设备实时接收模拟信号，对模拟信号射频频率和幅值特性进行实时监测；
[0088]
系统标校对系统正常使用至关重要，标校原理图如图7所示，通过标校分别获得和支路、差支路的衰减和相位，作为系统零值参数用以补偿修正系统偏差。
[0089]
422接口采用异步422总线，是全双工串行总线国际标准，可实现点对点通信的串行数据总线。使用1对差分信号实现数据传输，在本系统里传输速率设置为500kbps，1位起始位，1位停止位，1位偶校验。图8是422总线传输数据包格式。
[0090]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术
实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。