JTIDS信號(hào)陣列高分辨測(cè)向仿真?

劉鵬，吳宏超，郭全

JTIDS信號(hào)陣列高分辨測(cè)向仿真?

劉鵬1，吳宏超1，郭全2

（1.空軍航空大學(xué)信息對(duì)抗系，長(zhǎng)春130022；2.空軍航空大學(xué)仿真技術(shù)研究所，長(zhǎng)春130022）

提出了一種對(duì)JTIDS信號(hào)的高精度測(cè)向方法。首先詳細(xì)分析了JTIDS信號(hào)的傳輸特點(diǎn)，利用Matlab生成的JTIDS信號(hào)，然后依據(jù)空間譜估計(jì)中MUSIC測(cè)向算法的特點(diǎn)，將接收到的JTIDS信號(hào)按照脈沖分段，對(duì)單個(gè)脈沖所攜帶的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過(guò)仿真得到不同信噪比環(huán)境下多個(gè)JTIDS信號(hào)方位角和俯仰角的估計(jì)精度，驗(yàn)證了該方法的有效性。

JTIDS信號(hào)；陣列處理；空間譜估計(jì)；MUSIC算法；測(cè)向；DoA估計(jì)

1 引言

JTIDS（Joint Tactical Information Distribution System）是美軍Link16數(shù)據(jù)鏈的終端，采用高跳頻、擴(kuò)頻、糾錯(cuò)編碼等多種抗干擾技術(shù)。由于其在近些年幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中所體現(xiàn)出的高效整合戰(zhàn)場(chǎng)資源和共享信息的能力，多個(gè)國(guó)家和地區(qū)也已先后從美軍購(gòu)進(jìn)該終端并已裝配部分作戰(zhàn)平臺(tái)，使得對(duì)JTIDS信號(hào)偵察和干擾的研究顯得尤為迫切。

目前，國(guó)內(nèi)少有詳細(xì)針對(duì)JTIDS信號(hào)測(cè)向方面的文獻(xiàn)與資料。2008年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所的郭細(xì)平工程師提出了采用干涉儀體制對(duì)JTIDS信號(hào)進(jìn)行測(cè)向［1］，在信噪比大于5 dB時(shí)測(cè)向精度基本穩(wěn)定在2°以?xún)?nèi)。然而，多種抗干擾技術(shù)使得JTIDS信號(hào)經(jīng)常工作在負(fù)信噪比環(huán)境下，而且該方法方位分辨率不高，所以顯然無(wú)法達(dá)到實(shí)偵要求。近些年來(lái)，空間譜估計(jì)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，其在測(cè)向領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)也在很多文獻(xiàn)中得以論證和體現(xiàn)。本文將利用空間譜估計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)JTIDS信號(hào)的高精度測(cè)向。

2 JTIDS信號(hào)模型

JTIDS信號(hào)產(chǎn)生、處理和發(fā)射過(guò)程如圖1所示。CCSK軟擴(kuò)頻帶來(lái)的擴(kuò)頻增益為10 lg（32／5）dB。載頻在頻段969～1 008 MHz、1 053～1 065 MHz和1 113～1 206 MHz 3個(gè)子頻段之間偽隨機(jī)選擇，共51個(gè)頻點(diǎn)，相鄰兩跳載頻間隔30 MHz以上［2］。最后信號(hào)MSK調(diào)制后經(jīng)全向天線發(fā)射。

其數(shù)學(xué)模型可以表示為［3］

式中，ωk為每跳的載波角頻率；Tc為碼元寬度；φk為第k個(gè)碼元的載波相位常數(shù)，在該碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變；c（t）為加密后的CCSK擴(kuò)頻碼，取值±1，分別表示二進(jìn)制信息1和0；等式后面的第一項(xiàng)是同相分量，也稱(chēng)I分量；第二項(xiàng)是正交分量，也cosφk是同相分量的等效數(shù)據(jù)，-c（t）cosφk是正交分量的等效數(shù)據(jù)，并且同相分量和正交分量之間相差半個(gè)載波周期。

3 空時(shí)陣列模型

基于空時(shí)陣列信號(hào)處理的空間譜估計(jì)是一種新的數(shù)字測(cè)向技術(shù)，其分辨率突破了瑞利限的限制，常稱(chēng)為“超分辨率測(cè)向”［4］。為了充分發(fā)揮其特點(diǎn)，在針對(duì)JTIDS信號(hào)方位檢測(cè)時(shí)，不僅要考慮其方向特征，還應(yīng)具備檢測(cè)俯仰角的能力，以此為判斷網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)屬性提供一定依據(jù)（陸基平臺(tái)或是空中平臺(tái)）。所以假設(shè)M元面陣沿x、y軸等距布放，陣元間距為d（d＜λmin／2，λmin=c／fmax），第一個(gè)陣元設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)。N個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶平穩(wěn)信號(hào)從不同方向入射，波達(dá)方向?yàn)椋é萯，φi）（i=1，2，…，N），分別表示方位角和俯仰角，其中方位角表示與x軸的夾角，如圖2所示。

該陣列輸出信號(hào)為

式中，Y（t）=［y1（t），…，yM（t）］T，S（t）=［s1（t），…，sN（t）］T，N（t）=［N1（t），…，NM（t）］T；A（t）為陣列方向矩陣：

其中，τ為各陣元接收到的信號(hào)延遲，

ωi分別為信號(hào)si（t）的瞬時(shí)角頻率。假設(shè)信號(hào)互不相關(guān)，噪聲為方差σ2的零均值高斯白噪聲，又因?yàn)樵肼曋g以及噪聲與信號(hào)之間互不相關(guān)，則陣列接收信號(hào)Y（t）的協(xié)方差矩陣為

4 MUSIC算法在JTIDS信號(hào)測(cè)向中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的MUSIC算法適用于遠(yuǎn)場(chǎng)窄帶平穩(wěn)信號(hào)的方位估計(jì)，而JTIDS信號(hào)采用的跳頻機(jī)制使得無(wú)法直接利用MUSIC算法進(jìn)行測(cè)向。鑒于此，可以考慮將接收到的JTIDS信號(hào)按照脈沖分段，以單獨(dú)的脈沖作為參考信號(hào)，在時(shí)頻分布中可看作一跳，這樣跳頻信號(hào)在任意一跳就可視為窄帶信號(hào)，如圖3中陰影所示，時(shí)頻圖所顯示的頻率為降頻后頻率。

經(jīng)過(guò)分段后，為了提高硬件處理速度和算法速度，通常需要利用本振將信號(hào)載頻降到較低的頻率進(jìn)行處理，然而此處本振大小的選擇需滿(mǎn)足降頻后的JTIDS脈沖信號(hào)為窄帶信號(hào)。若信號(hào)帶寬為B，中心頻率為fc，則窄帶信號(hào)定義為［5］：B＜＜fc，即相為3 MHz，所以降頻后的JTIDS信號(hào)載頻的中心頻率fc必須大于30 MHz，也就是說(shuō)本振頻率必須小于939 MHz。

經(jīng)過(guò)這兩步處理，就能按照常規(guī)空間譜估計(jì)算法對(duì)接收到的JTIDS信號(hào)進(jìn)行方位估計(jì)。對(duì)式（4）中RYY進(jìn)行特征值分解有

式中，US為信號(hào)子空間，UN為噪聲子空間，之后利用信號(hào)子空間的導(dǎo)向矢量a（θ）與噪聲子空間正交的特性在譜函數(shù)中進(jìn)行譜峰搜索，即

在Link16網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)平臺(tái)所組成正交跳頻網(wǎng)絡(luò)自身會(huì)盡量避免跳頻點(diǎn)的碰撞，對(duì)自身通信造成影響，所以模型中不考慮相干信號(hào)的測(cè)向算法。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

在建立仿真模型之前，首先考慮測(cè)向的應(yīng)用背景，針對(duì)陸基JTIDS平臺(tái)，由于地球曲率影響必須采用機(jī)載偵察單元才能實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效測(cè)向，所以天線陣所占空間必須考慮在內(nèi)，同時(shí)對(duì)于方位角和俯仰角測(cè)量精度的需求不同（要求方位精度高，為干擾提供依據(jù)；俯仰僅可以對(duì)目標(biāo)識(shí)別提供一些參考），仿真中采用8×3總共24根的平面天線陣，天線間距12 cm（d＜12.44 cm）。遠(yuǎn)場(chǎng)JTIDS信號(hào)分別從（60°，10°）、（50°，5°）、（150°，30°）的方向入射到天線陣，統(tǒng)計(jì)采樣時(shí)間內(nèi)每個(gè)信號(hào)的5跳信息，測(cè)得每跳載頻如表1所示，仿真中隨機(jī)選取每個(gè)JTIDS信號(hào)的第2跳作為信源。本振900 MHz，采樣頻率fs=2fcmax=612 MHz，譜估計(jì)的搜索步長(zhǎng)為0.5°，在信噪比為10 dB的環(huán)境下3個(gè)JTIDS信號(hào)的測(cè)向結(jié)果如圖4所示。

圖4中譜峰所在位置即為JTIDS信號(hào)的DoA估計(jì)值。為了驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性，定義測(cè)量均方根誤差為

式中，θi和φi分別為方位角和俯仰角的均值，θ＾i和φ＾i分別為方位角和俯仰角的估計(jì)值。分別在-5～15 dB的信噪比環(huán)境下進(jìn)行100次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，100測(cè)的測(cè)量結(jié)果平均值作為該信噪比下的測(cè)量結(jié)果，得到的均方根誤差隨信噪比變化的曲線如圖5所示。

從圖中可以看到，由于天線陣陣型的原因使得對(duì)方位角的估計(jì)精度高于對(duì)俯仰角的估計(jì)精度，這符合之前文中所述的應(yīng)用需求。同時(shí)通過(guò)觀察知，即使在-10 dB的信噪比下，對(duì)方位角的估計(jì)精度約為1.7°，對(duì)俯仰角的估計(jì)精度約為2.8°；當(dāng)信噪比大于10 dB時(shí)俯仰角的估計(jì)精度在0.5°以下，而方位角在信噪比大于2 dB時(shí)估計(jì)精度就已達(dá)到0.5°。

通過(guò)以上方法還可以推出，本振頻率（采樣頻率）、譜估計(jì)搜索步長(zhǎng)、天線陣的布局等條件的不同都會(huì)影響測(cè)向精度，例如降低本振頻率（提高采樣頻率）或減小譜估計(jì)搜索步長(zhǎng)或天線陣中采用更多的天線（增大快拍數(shù)）都可以提高測(cè)向精度，但同樣會(huì)使估計(jì)時(shí)間增長(zhǎng)，降低測(cè)向的實(shí)時(shí)性，具體過(guò)程由于篇幅所限不進(jìn)行仿真說(shuō)明。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在理論和算法上實(shí)現(xiàn)了對(duì)Link16數(shù)據(jù)鏈JTIDS信號(hào)的精確測(cè)向，仿真結(jié)果說(shuō)明了該方法并在較低的信噪比下依然呈現(xiàn)良好的測(cè)向性能，為偵察裝備的設(shè)計(jì)論證提供了理論依據(jù)。目前，對(duì)于通信中高速跳頻電臺(tái)的測(cè)向依然還存在很多困難，在現(xiàn)實(shí)偵收環(huán)境中還要依賴(lài)JTIDS信號(hào)檢測(cè)性能、硬件處理速度和設(shè)備兼容情況等其他條件，這也是下一步研究工作的重點(diǎn)所在。

［1］郭細(xì)平.一種JTIDS信號(hào)測(cè)向新方法［J］.通信對(duì)抗，2008（2）：19-21.

GUO Xi-ping.A new direction finding method for JTIDS［J］.Communication Countermeasures，2008（2）：19-21.（in Chinese）

［2］Wilson W J.Communication for Network-Centric Operations：Creating the Information Force［C］／／Proceedings of 2001 IEEE Military Communication Conference.Tysons Corner，McLean，Virginia，USA：IEEE，2001：1-7.

［3］Chi-Han Kao.Performance Analysis of a JTIDS／Link-16 -type Waveform Transmitted over Slow，F(xiàn)lat Nakagami Fading Channels in The Presence of Narrowband Interference［D］.Monterey，California：Naval Postgraduate School，2008.

［4］王永良，陳輝，彭應(yīng)寧，等.空間譜估計(jì)理論與算法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

WANG Yong-liang，CHEN Hui，PENG Ying-ning，et al. Theory and arithmetic of spatial spectrum estimation［M］. Beijing：Tsinghua University Press，2004.（in Chinese）

［5］黃可生.寬帶信號(hào)陣列高分辨處理技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005：9-10.

HUANG Ke-sheng.Research on high resolution processing of wideband array signal［D］.Changsha：National University of Defense Technology Press，2005：9-10.（in Chinese）

LIU Peng was born in Dandong，Liaoning Province，in 1982. He received the M.S.degree in 2008.He is now a lecturer.His research concerns communication countermeasure technology.

Email：m-zixu-j＠163.com

吳宏超（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事電子對(duì)抗偵察方面的研究；

WU Hong-chao was born in Harbin，Heilongjiang Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2008.He is now a lecturer.His research concerns electronic countermeasure reconnaissance technology.

郭全（1982—），男，山西大同人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事軍事仿真技術(shù)研究。

GUO Quan was born in Datong，Shanxi Province，in 1982.He received the M.S.degree in 2008.He is now a lecturer.His research concerns military simulation technology.

Simulation of Array High Resolution DoA Estimation of JTIDS Signals

LIU Peng1，WU Hong-chao1，GUO Quan2
（1.Information Countermeasure Department，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China；2.Institute of Simulation Technology，Aviation University of Air Force，Changchun 130022，China）

A high precision method for DoA（Direction of Arrival）estimation of JTIDS is proposed.The JTIDS signal is generated by Matlab through analysing the transmission characters.Based on the character of MUSIC arithmetic in spatial spectrum estimation，the

JTIDS signal is cut in term of pulse into subsection，and the information in the single pulse is processed.Finally，estimation precision of azimuth and pitching angle of multi-JTIDS signal at different signal-to-noise ratio is obtained by simulation，and the results validate the effectiveness of this method.

JTIDS signal；array processing；spatial spectrum estimation；MUSIC arithmetic；direction finding；DoA estimation

TN82；TN97

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.033

劉鵬（1982—），男，遼寧丹東人，2008年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為講師，主要從事通信對(duì)抗方面的研究；

1001-893X（2012）07-1206-04

2011-08-29；

2012-03-07