一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法

技术领域

本发明涉及TDOA定位系统测试领域，具体涉及一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

TDOA无源定位系统的原理是基于目标辐射信号到达各个接收站的时间差进行解算，因此该系统各个远端接收站的间隔较远，以民航多点定位系统为例，在场面多点定位系统中相隔一般几百米，在广域多点定位系统中一般要相隔几十公里以上。在实验室内对该系统的测试也只能针对单个系统模块进行测试，无法完成针对系统的功能测试和性能指标测试，但是完成远端站布站以后进行系统测试，若某个站点暴露问题，需花费极大的运输成本和时间成本进行解决。基于以上原因，需要设计一种可在实验室内完成TDOA无源定位系统的测试系统以及测试方案。

而目前南京莱斯公司提出的《一种多点定位系统仿真测试方法》，存在以下缺点：

目前提出的针对多点定位系统仿真测试方法中，并未提出针对中央处理站的验证测试以及完整的针对多点定位系统功能性能指标测试方法和方案；

目前提出的针对多点定位系统仿真测试为专门针对民航多点定位系统提出的测试方法，提出的测试方法中，需要多台发射机，并且硬件设计定型，测试系统庞大，设计复杂，且只能发射固定频段的辐射信号进行测试，无法适应多频段的TDOA系统测试；本测试系统硬件设计比较简单，平台更通用，通过调整核心功能情报模拟软件和多频段射频信号发生器则可实现多频段多模式的TDOA定位系统的测试；

若完成站点布站后进行系统测试，则存在系列潜在问题，比如站点间隔较远，系统调试困难，维护成本较大等问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对背景技术中存在的问题，提供了一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法，该系统硬件组成简单，设备成本较低，硬件平台通用，可完成多频段TDOA定位同测试，测试方法操作方便快捷，同时可在实验室内完成中央处理站、接收站单机以及多点定位系统的功能测试以及部分性能指标测试，从而解决了现有技术在针对TDOA定位系统功能和性能测试的缺点，创新性的提出一整套在实验室内即可完成测试的技术方案和并完成配套装置的设计，该测试系统硬件组成简单，平台通用，成本较低，可完成在实验室内实现中央处理站的功能性能测试以及TDOA定位系统的功能性能测试分析。

本发明的技术方案如下：

一种针对TDOA定位系统的测试系统，包括：

情报模拟模块，所述情报模拟模块用于建立飞行目标运动模型，并根据飞行目标运动模型和预安装的远端接收站的位置信息生成自定义应答报文；

信号生成器，所述信号生成器对自定义应答报文进行解析和编译；

多频段射频信号发生器，所述多频段射频信号发生器可根据验证需求生成相应频段的射频信号；

调制合成器，所述调制合成器根据解析和编译结果，以及射频信号进行调制，并将调制信号传输至相应的远端接收站，由远端接收站解析出原始应答报文，并标记调制信号到达远端接收站的时间，从而生成带有时间戳标记的原始应答报文；

中央处理站，所述中央处理站对带有时间戳标记的原始应答报文进行解算和解析，并将解算得到的目标位置和解析的报文其他信息进行自定义生成报组报。

进一步地，所述情报模拟模块可基于参数数据建立单个或者多个飞行目标运动模型，并控制飞行目标的运动轨迹；所述参数数据，包括：目标数量、目标运动模型类型、运动模型参数、站点几何位置、原始应答报文参数以及报文发送目标设备类型和目标设备IP地址；

所述情报模拟模块可根据需求调整远端接收站的几何位置(经度值、纬度值、高度值)。

进一步地，所述情报模拟模块根据飞行目标运动模型当前位置，生成固定格式的自定义位置报，送给目标显示软件显示当前飞行目标运动模型的运动轨迹；

所述情报模拟模块将飞行目标运动模型当前位置转换为目标地心坐标，并将各个远端接收站的几何位置转换为各站点地心坐标；

所述情报模拟模块根据目标地心坐标和各站点地心坐标，计算飞行目标运动模型当前位置信号到达各个站点的时间，以及其与到达主站点时间的时间差信息。

进一步地，所述情报模拟模块根据参数数据生成原始应答报文，并与时间差信息组成自定义应答报文。

进一步地，所述飞行目标运动模型当前位置信号到达各个站点的时间采用如下公式计算：

式中：

toa

x，y，z为目标地心坐标；

x

c为电磁波传播速度。

进一步地，所述情报模拟模块还包括：定时器，所述定时器用于设置飞行目标运动模型当前位置获取间隔时间，当定时器时间到，获取下一飞行目标运动模型当前位置。

进一步地，所述信号生成器有1路网络输入，N路基带应答信号输出；

所述信号生成器通过网口接收情报模拟模块发送过来的自定义应答报文并根据报文内容译码成N条基带应答信号；

所述自定义应答报文的内容包括：站点编号、站点与主站点的时间差信息、原始应答报文信息。

进一步地，所述调制合成器有N路基带应答信号输入、1路射频信号输入以及N路射频输出；

N路基带应答信号输入通道与N路射频输出通道一一对应，1路射频信号输入通道用于接收射频信号，然后进行N路功分调制到N路基带通道，N路射频输出调制后的相应频段的射频辐射信号，通过射频线缆送给N个远端接收站接收处理。

一种针对TDOA定位系统的测试方法，基于上述的一种针对TDOA定位系统的测试系统，包括：

步骤S1：建立飞行目标运动模型，并根据飞行目标运动模型和预安装的远端接收站的位置信息生成自定义应答报文；

步骤S2：对自定义应答报文进行解析和编译，生成N条基带应答信号；同时根据验证需求生成相应频段的射频信号；

步骤S3：将N条基带应答信号与射频信号进行调制，并将调制信号传输至相应的远端接收站，由远端接收站解析出原始应答报文，并标记调制信号到达远端接收站的时间，从而生成带有时间戳标记的原始应答报文；

步骤S4：对带有时间戳标记的原始应答报文进行解算和解析，并将解算得到的目标位置和解析的报文其他信息进行自定义生成报组报。

进一步地，所述步骤S1，包括：

步骤S11：根据输入的参数数据，建立单个或者多个飞行目标运动模型，并控制飞行目标的运动轨迹；

步骤S12：获取飞行目标运动模型当前位置，将飞行目标运动模型当前位置转换为目标地心坐标，并将各个远端接收站的几何位置转换为各站点地心坐标；

步骤S13：根据目标地心坐标和各站点地心坐标，计算飞行目标运动模型当前位置信号到达各个站点的时间，以及其与到达主站点时间的时间差信息；

步骤S14：根据参数数据生成原始应答报文，并与时间差信息组成自定义应答报文；

所述步骤S2，包括：

步骤S21：对自定义应答报文进行解析，获取站点编号和相应时间差信息，其中，N个站点编号对应信号生成器的N路基带应答信号输出通道；

步骤S21：解析自定义报文中的原始应答报文信息，将其编译成基带应答信号；

步骤S22：根据站点编号将该基带应答信号以相应时间差间隔发送到对应基带应答信号输出通道；

步骤S23：根据验证需求生成相应频段的射频信号；

所述步骤S3，包括：

步骤S31：对基带应答信号和射频信号进行调制；

步骤S32：分别将调制后的相应频段的射频辐射信号通过射频线缆送给对应的远端接收站接收处理；

步骤S33：由远端接收站解析出原始应答报文，并标记调制信号到达远端接收站的时间，从而生成带有时间戳标记的原始应答报文。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、一种针对TDOA定位系统的测试系统，该系统硬件组成简单，设备成本较低，硬件平台通用，可完成多频段TDOA定位同测试，测试方法操作方便快捷。

2、一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法，可在实验室内完成中央处理站、接收站单机以及多点定位系统的功能测试以及部分性能指标测试。

3、一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法，可在实验室内完成TDOA定位系统整个系统的功能测试以及部分性能指标测试，提前发现中央处理站和接收站的问题，避免出现布站后站点间隔太远带来的调试问题和成本问题。

4、一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法，还可根据测试得到的定位效果为TDOA定位系统远端布站提供参考。

附图说明

图1为一种针对TDOA定位系统的测试系统及方法流程图；

图2为情报模拟模块接口示意图；

图3为情报模拟模块工作流程图；

图4为针对中央处理站的测试原理框图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

首先，为了便于理解本发明技术方案，以下给出TDOA定位系统的简要说明。

TDOA定位技术是主要的无源定位技术之一，其也是最早应用于军方的无源定位技术。TDOA类算法无需知道信号的发射时刻与接收时刻，只需要知道目标信号到达多个不同传感器节点的时间差，就可实现对目标的定位。利用各个传感器节点的位置，以及测量得到的关于目标的TDOA信息，根据几何位置关系便可以得到一组双曲定位方程，通过解算双曲定位方程，即可获得目标的空间位置。

19世纪末，该技术逐渐应用于民航领域，即基于目标信号到达时间差TDOA的多点定位系统，该系统根据应用场景不同分为场面多点定位系统和广域多点定位系统。该系统它既能解决传统雷达监视系统覆盖范围有限的问题,又能弥补ADS-B(AutomaticDependent Surveillance–Broadcast)系统定位失效的问题。与传统的二次雷达相比，多点定位技术具有目标识别简单、兼容性强、刷新率高、监视精度高、覆盖范围广以及抗干扰性强等优点。

在我国，多点定位系统领域的应用还比较缺乏。但随着民航运输业的快速发展、飞机数量及航班架次的迅猛增加，管理效率的低下与管理需求的提升之间的矛盾越来越突出，为此需要采用新的技术手段来管理。多点定位系统可以及时地监视信息，使飞行员和空管部门得以进行更加准确、全面、完善的空域状况的评估，从而利用相关技术，实施更有效的预测和冲突避免，提高飞行的安全性和航空运输的效率，具有重要的社会意义。

随着技术的不断进步，多点定位融合ADS-B技术有可能会取代原有的二次雷达监视技术，成为主流的监视技术，可应用于我国民航、军航，为我国向下一代空中交通管制系统过渡奠定基础。2017年，中国民航通过招标完成全国几百个ADS-B站点的建设，未来可以通过ADS-B站点的升级实现广域多点定位系统的功能，完成多点定位技术与ADS-B技术的兼容。

由于TDOA无源定位系统的原理是基于目标辐射信号到达各个接收站的时间差进行解算，因此该系统各个远端接收站的间隔较远，以民航多点定位系统为例，在场面多点定位系统中相隔一般几百米，在广域多点定位系统中一般要相隔几十公里以上。在实验室内对该系统的测试也只能针对单个系统模块进行测试，无法完成针对系统的功能测试和性能指标测试，但是完成远端站布站以后进行系统测试，若某个站点暴露问题，需花费极大的运输成本和时间成本进行解决。基于以上原因，需要设计一种可在实验室内完成TDOA无源定位系统的测试系统以及测试方案。

而目前南京莱斯公司提出的《一种多点定位系统仿真测试方法》，存在以下缺点：

目前提出的针对多点定位系统仿真测试方法中，并未提出针对中央处理站的验证测试以及完整的针对多点定位系统功能性能指标测试方法和方案；

目前提出的针对多点定位系统仿真测试为专门针对民航多点定位系统提出的测试方法，提出的测试方法中，需要多台发射机，并且硬件设计定型，测试系统庞大，设计复杂，且只能发射固定频段的辐射信号进行测试，无法适应多频段的TDOA系统测试；本测试系统硬件设计比较简单，平台更通用，通过调整核心功能情报模拟软件和多频段射频信号发生器则可实现多频段多模式的TDOA定位系统的测试；

若完成站点布站后进行系统测试，则存在系列潜在问题，比如站点间隔较远，系统调试困难，维护成本较大等问题。

因此，本实施例针对于上述问题，了一套可在实验室内实现TDOA定位系统功能和定位性能测试的系统。该系统以情报模拟模块(即情报模拟软件)为核心，基于通用硬件平台，首先通过情报模拟模块建立一个或者多个飞行目标运动模型，并且根据飞行目标运动模型当前目标位置点计算其与预安装N个远端接收站位置的时间，获得目标当前位置信号到达各个远端站时间差后，可通过情报模拟模块直接形成N条相应时间差辐射信号原始应答报文传给中央处理站进行多点解算获取目标位置，也可通过射频调制后发送N条辐射信号给接收站，再送给中央处理站进行多点解算获取目标位置，最后与模型中模拟目标位置进行比较分析该TDOA定位系统的功能和性能。

该系统硬件组成简单，除调制模块均采用现有通用硬件平台，设备成本较低，测试方法操作方便快捷；可根据需求模拟不同频段、不同应用场景的TDOA定位系统，测试平台更具通用性；可实现在实验室内完成TDOA定位系统多个接收站定位功能和部分性能指标的测试；可验证中央处理站的解算算法和处理能力；可通过实验室对TDOA定位系统测试发现并解决问题，节省布站后问题暴露带来的重复运输成本和时间成本；并可根据定位效果协助完成后期的各个远端站的站点选取。

具体的，请参阅图1-3，一种针对TDOA定位系统的测试系统，包括：

情报模拟模块，所述情报模拟模块用于建立飞行目标运动模型，并根据飞行目标运动模型和预安装的远端接收站的位置信息生成自定义应答报文；需要说明的是：情报模拟模块是该测试系统的核心，其外部接口如图2所示；即用户通过软件界面输入运动模型的参数，从而控制飞行目标的运动轨迹；优选地，所述情报模拟模块可根据需求生成不同格式的报文，以民航多点定位系统为例，可生成A/C模式报文或者DF4/DF5/DF20/DF21类型的S模式报文或者DF17的广播报文；

信号生成器，所述信号生成器对自定义应答报文进行解析和编译；

多频段射频信号发生器，所述多频段射频信号发生器可根据验证需求生成相应频段的射频信号；优选地，所述多频段射频信号发生可使用R&S公司的SMU100A/SMU200A信号发生器；

调制合成器，所述调制合成器根据解析和编译结果，以及射频信号进行调制，并将调制信号传输至相应的远端接收站，由远端接收站解析出原始应答报文，并标记调制信号到达远端接收站的时间，从而生成带有时间戳标记的原始应答报文；

中央处理站，所述中央处理站对带有时间戳标记的原始应答报文进行解算和解析，并将解算得到的目标位置和解析的报文其他信息进行自定义生成报组报。

在本实施例中，具体的，所述情报模拟模块可基于参数数据建立单个或者多个飞行目标运动模型，并控制飞行目标的运动轨迹；所述参数数据，包括：目标数量、目标运动模型类型、运动模型参数、站点几何位置、原始应答报文参数以及报文发送目标设备类型和目标设备IP地址；优选地，所述参数数据可根据需求进行设置；

所述情报模拟模块可根据需求调整远端接收站的几何位置(经纬度、高度)。

在本实施例中，具体的，所述情报模拟模块根据飞行目标运动模型当前位置，生成固定格式的自定义位置报，送给目标显示软件显示当前飞行目标运动模型的运动轨迹；

所述情报模拟模块将飞行目标运动模型当前位置转换为目标地心坐标，并将各个远端接收站的几何位置转换为各站点地心坐标；

所述情报模拟模块根据目标地心坐标和各站点地心坐标，计算飞行目标运动模型当前位置信号到达各个站点的时间，以及其与到达主站点时间的时间差信息；优选地，所述情报模拟模块可计算目标当前位置到达各个站点位置的时间差，生成N条原始应答报文，并将携带时间戳信息的原始应答报文送给中央处理站进行计算；也可计算目标当前位置到达各个站点位置的时间差TDOA

在本实施例中，具体的，所述情报模拟模块根据参数数据生成原始应答报文，并与时间差信息组成自定义应答报文；其中原始应答报文格式参照表1，自定义应答报文格式参照表2；

表1原始应答报文格式

表2自定义应答报文格式

在本实施例中，具体的，所述飞行目标运动模型当前位置信号到达各个站点的时间采用如下公式计算：

式中：

toa

x，y，z为目标地心坐标；

x

c为电磁波传播速度。

优选地，所述情报模拟模块还可以读取用户设置的目标设备类型和目标设备地址；

若目标设备为中央处理站，则获得的时间差间隔附加到原始应答报文中，发送到中央处理站的目的IP地址；

若目标设备为信号生成器，则利用时间差信息和原始应答报文信息组成一个自定义应答报文，发送到应答信号生成器的IP地址。

在本实施例中，具体的，所述情报模拟模块还包括：定时器，所述定时器用于设置飞行目标运动模型当前位置获取间隔时间，当定时器时间到，获取下一飞行目标运动模型当前位置。

在本实施例中，具体的，所述信号生成器有1路网络输入，N路基带应答信号输出；

所述信号生成器通过网口接收情报模拟模块发送过来的自定义应答报文并根据报文内容译码成N条基带应答信号；

所述自定义应答报文的内容包括：站点编号、站点与主站点的时间差信息(10ns级别，由信号生成器的时钟精度决定)、原始应答报文信息；优选地，所述信号生成器可选用带网口和多针扩展口的通用FPGA开发版即可实现。

在本实施例中，具体的，所述调制合成器有N路基带应答信号输入(信号生成器产生)、1路射频信号输入(多频段射频信号发生器产生)以及N路射频输出；

N路基带应答信号输入通道与N路射频输出通道一一对应，1路射频信号输入通道用于接收射频信号，然后进行N路功分调制到N路基带通道，N路射频输出调制后的相应频段的射频辐射信号，通过射频线缆送给N个远端接收站接收处理。

如图1所示，本实施例还提出了一种针对TDOA定位系统的测试方法，基于上述的一种针对TDOA定位系统的测试系统，包括：

步骤S1：建立飞行目标运动模型，并根据飞行目标运动模型和预安装的远端接收站的位置信息生成自定义应答报文；

步骤S2：对自定义应答报文进行解析和编译，生成N条基带应答信号；同时根据验证需求生成相应频段的射频信号；

步骤S3：将N条基带应答信号与射频信号进行调制，并将调制信号传输至相应的远端接收站，由远端接收站解析出原始应答报文，并标记调制信号到达远端接收站的时间，从而生成带有时间戳标记的原始应答报文；

步骤S4：对带有时间戳标记的原始应答报文进行解算和解析，并将解算得到的目标位置和解析的报文其他信息进行自定义位置报文(如民航多点定位系统的CAT020/CAT010)组报。

在测试过程中，可通过改变情报模拟模块的飞行目标运动模型数量，测试接收站处理容量；

在测试过程中，可通过改变情报模拟模块的两个飞行目标运动模型的间隔，统计输出数据中的位置探测概率和代码识别概率；

在测试过程中，可通过记录解算得到的目标位置与模拟的目标位置，计算该系统在未引入多径干扰和信号传输延迟情况下的定位误差；

在测试过程中，可通过改变站点布局，记录定位误差，可为远端站点选取以及布站提供建设性意见。

如图3所示，在本实施例中，具体的，所述步骤S1，包括：

步骤S11：根据输入的参数数据，建立单个或者多个飞行目标运动模型，并控制飞行目标的运动轨迹；

步骤S12：获取飞行目标运动模型当前位置，将飞行目标运动模型当前位置转换为目标地心坐标，并将各个远端接收站的几何位置转换为各站点地心坐标；

步骤S13：根据目标地心坐标和各站点地心坐标，计算飞行目标运动模型当前位置信号到达各个站点的时间，以及其与到达主站点时间的时间差信息；

步骤S14：根据参数数据生成原始应答报文，并与时间差信息组成自定义应答报文；

所述步骤S2，包括：

步骤S21：对自定义应答报文进行解析，获取站点编号和相应时间差信息，其中，N个站点编号对应信号生成器的N路基带应答信号输出通道；

步骤S21：解析自定义报文中的原始应答报文信息，将其编译成基带应答信号；

步骤S22：根据站点编号将该基带应答信号以相应时间差间隔发送到对应基带应答信号输出通道；

步骤S23：根据验证需求生成相应频段的射频信号；

所述步骤S3，包括：

步骤S31：对基带应答信号和射频信号进行调制；

步骤S32：分别将调制后的相应频段的射频辐射信号通过射频线缆送给对应的远端接收站接收处理；

步骤S33：由远端接收站解析出原始应答报文，并标记调制信号到达远端接收站的时间，从而生成带有时间戳标记的原始应答报文。

实施例二

请参阅图4，基于实施例一中提出的一种针对TDOA定位系统的测试系统，还可以实现对中央处理站的测试，具体包括如下步骤：

a、情报模拟模块开始生成航迹；

b、情报模拟模块将生成的自定义位置报发送给目标显示软件，显示目标航迹；

c、情报模拟模块获得N个时间差TDOA

d、中央处理站接收报文并解算出目标位置；

e、中央处理站将解算得到的位置信息以及报文中其他信息提取组成自定义生成报文(如民航多点定位系统中的CAT010/CAT020)，发送给目标显示软件；

f、可通过目标显示软件观察中央处理站解出的目标位置相对实际模拟的目标位置偏移情况；

g、目标显示软件记录实际模拟目标位置以及中央处理站解算得到的位置，进行定量分析，获得中央处理站解算得到位置误差，以验证中央处理站的功能正确性以及定位算法的误差；

h、情报模拟模块改变模拟目标的数量1～400，记录目标航迹输出情况，测试中央处理站的处理容量；

i、改变情报模拟模块报文格式，测试中央处理站不同模式报文的识别处理能力；

j、通过中央处理站记录报文的到达时间和自定义生成报文的组报时间，测试中央处理站的处理延迟等。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。