海事卫星上行信号测向的工程实现*

邹 洲

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引言

国际海事卫星(Inmarsat)通信系统在各领域均得到广泛应用，尤其在遇险搜救、航空航天、民航客运等领域提供了可靠的通信保障。除此之外，国际海事卫星作为国际空间无线电通信站，担负着各种通信任务，包括为军队提供应急通信服务等。随着海事卫星信号在现代电子战争中发挥的作用越来越重要，针对海事卫星信号的测向也成为现代电子战侦察技术研究的重要内容[1]。对海事卫星终端发射的上行信号进行测向，可以准确掌握使用海事卫星终端进行通信的目标的运动轨迹，对最终获取目标的位置能起到很大的作用。

国内在测向方面的研究文献较多:文献[2]介绍了干涉仪测向体制的基本原理，分析了相位差模糊对测向精度的影响;文献[3]提出了一种在FPGA中实现准实时测向的方法，但并行处理能力较弱，无法快速对多个频点的信号同时测向;文献[4]提出了适合IFF和TACAN脉冲的高精度实时测向模型，通过直接计算单脉冲IQ信号每一个样点的相位获取计算方位所需的相位差值，但对于短时长突发信号采用直接计算相位的方式会影响相位差的稳定度和实时性;文献[5]采用一块DSP和两块FPGA完成了60 MHz带宽内通信信号的准实时测向，但频率分辨率较低只有12.5 kHz，所计算的相位差稳定度不够，硬件资源消耗较大;文献[6]提出利用通信信号的四阶累积量中的信息进行测向，但是由于计算复杂，工程实现难度很大。

与常规通信信号不同，海事卫星信号均为短时突发信号，突发的持续时间约为几十毫秒到几百毫秒。以常见的海事卫星MINI－M标准通信信号为例，调制方式为 OQPSK，速率为5.6 kb/s[7]。

基于海事卫星信号的基本特征，本文提出了一种针对海事卫星上行信号的测向工程实现方法并给出了FPGA和DSP设计。与文献[4－5]相比，本文提出的海事卫星信号测向方法首先优化了信号预处理部分的设计，将测向的频率分辨率提高到了5.7 kHz，从而能够对频率间隔为10 kHz的两个海事卫星信号同时进行测向;其次，对相位差的计算方法做了改进，采用将多次FFT输出的IQ数据共轭相乘、累积、求平均和反正切运算的方式，在一定程度上消除了相位差波动时对测向精度的影响;最后，运用插值算法进一步提高了测向精度。

2 测向算法

2.1 测向算法选择

在实际的信号环境中，海事卫星信号的突发性和密集性也凸显了高速实时测向的重要性，所选择的测向算法必须实时性强、精度高、频率分辨率高。

测向体制大致可分为幅度体制、相位体制(含相位敏感型体制)、幅相结合体制及时差体制四大类。在通信(连续信号)领域，目前应用较多的是相位或相位敏感型测向体制，典型的如干涉仪、多普勒、瓦特逊－瓦特和阿德柯克等。相位或相位敏感型体制在准确度、灵敏度等性能上较其他体制有一定优势，更为重要的是它具有潜在的分辨多信号的能力，因此相位或相位敏感型体制(如相关干涉仪等)正逐渐应用于测向领域。

而相关干涉仪测向体制可以相对降低对硬件一致性的要求，只要求保持相对稳定，同时测向速度比较快，比较适合突发信号的测向，因此本方案中优先考虑相关干涉仪测向体制。

2.2 相关干涉仪测向原理

相关干涉仪测向技术是从传统干涉仪测向技术发展而来的。它不需要再按照经典的公式去计算，但仍然是利用天线之间的相位关系进行测向。来波在天线阵的每个阵元上产生感应电流，根据来波到达天线时间先后产生相位差。

入射信号经预处理后，输出为其实部与虚部，再送到测向部分。在测向部分首先分别求出该信号在多通道干涉仪的相位，然后以其中一个通道为参考，求出其余通道与参考通道的相位差，通过多组相对相位差来计算出该信号的方位，整个测向过程的原理如图1 所示。其中，a1、b1、a2、b2、a3、b3为 FFT 的输出实部与虚部，Φ1、Φ2、Φ3分别为其相位，Φ12、Φ13是以Φ1参考的相对相位差。

图1 测向原理框图Fig.1 Principle diagram of direction － finding

不同天线阵元之间的组合可以得出一组相位差，我们把这组相位差称为被测信号在天线阵的阵响应。在测向系统中，存在一个响应样本，这个样本是在设备出厂时，全频段、全方位收集的标准阵响应样本集。相关干涉仪测向就是将Φ12、Φ13等构成的多组相对相位差与标准样本集进行相关比较，找出最相似的样本，根据样本在样本空间的位置，获取信号的入射方位。

海事卫星上行通信信号的频率范围为1 626.5～1 660.5 MHz，采用相关干涉仪测向方法，测向天线选取孔径为0.35 m的均匀圆阵。根据该天线阵的布阵形式，进行测向精度仿真分析，仿真条件为:信号频率范围为1 600～1 680 MHz频段，间隔5 MHz提取一个频点作为测向频点。由于信噪比等各种外界因素会引起相位的波动，一般来说，对设备中的固定相位偏差采用静态补偿等手段进行校正后，考虑各种综合因素影响，相位误差可以控制在20°以内。所以在仿真中以随机值的形式引入相位差误差，随机值分在10°以内、15°以内和20°以内3种情况分别进行仿真分析，结果表明，假设引入的不可校正的相位差误差最大为20°时，测向精度仍然能够小于1°。所以，针对海事卫星信号的测向处理，采用相关干涉仪测向算法是完全适合的。

3 数字信号测向方案及实现

3.1 测向方案

测向方案原理如图2所示，A/D采集单元对接收机输出的中频信号采样量化后，实时传输到测向单元。测向单元将多路AD数据进行抽取、下变频、滤波等预处理后，对预处理后的数据同时进行FFT运算，对高于门限的FFT输出的IQ幅度数据进行反正切运算提取相位差信息，最后采用相关干涉仪算法计算方位值。

图2 测向方案原理框图Fig.2 The block diagram of direction － finding

3.2 方案的FPGA和DSP实现

3.2.1 总体设计

FPGA相对DSP并行处理能力要高得多，运算速度更快，但算法编程实现相对困难，而DSP的优点在于算法实现相对简单，命令控制更加灵活，但是处理速度较低。根据海事卫星信号测向的性能需求，测向部分的实现采用一片DSP和一片FPGA完成。FPGA采用Xinlix公司的V5SX95T，DSP采用TI公司的TMS6414 DSP处理器。FPGA主要完成数字下变频、FFT实时运算、相位差计算等并行处理运算，DSP主要完成方位计算、插值等计算功能。

整个测向模块由FPGA+DSP实现，架构框图如图3所示。

图3 FPGA和DSP软件架构框图Fig.3 Schematic diagram of FPGA and DSP software structure

3.2.2 测向的频率分辨率优化

R表示频率分辨率，fs表示采样率，N表示FFT点数。根据频率分辨率的公式

海事卫星上行通信信号分布在1 626.5～1 660.5 MHz频段内，那么测向带宽定为36 MHz覆盖整个频段较为合适。海事卫星上行信号之间的频率最小间隔为10 kHz，要达到10 kHz以上的测向频率分辨率，N=8 192，通过计算可以得到 R=5.7 kHz。

信号预处理模块包含对A/D数字信号的抽取、下变频、滤波处理三部分，考虑到上述因素，结合系统中AD采样率、接收机中频带宽、接收机中频中心频率，对不同的接收机输出带宽采用不同系数的FIR滤波器的IP核完成数字下变频设计。接收机的输出带宽为60 MHz，中心频率为140 MHz，A/D采样率Fs为187.2 MHz，下变频采用 Fs/4混频，以降低资源消耗。CIC滤波器级数建议大于等于4;FIR滤波器的采样率为46.8 MHz，通带截止频率为18 MHz，阻带截止频率为20 MHz，阶数50。预处理模块的实现框图如图4所示。

图4 预处理模块实现框图Fig.4 Preprocessing module

3.2.3 相位差计算方法的改进

在对常规通信信号进行测向时，通常采用FFT运算和反正切函数相结合的方式计算相位差。FFT运算产生的频谱数据为复数IQ数据，对其进行反正切运算就可以得到每个频点所对应的相位，再将每一路的相位互相进行相减运算，获得各路之间的相位差。但是当相位差值在0°/360°或者±180°波动时，使用这种相位直接相减的方法有一定概率会引起相位差计算结果出错的情况，同时在受到外界干扰时，相位差在一定程度上会出现波动，会影响最终的方位计算结果。为解决这两个问题，本文对相位差计算方法进行了改进，其实现结构如图5所示。

图5 相位差计算原理框图Fig.5 Phase difference calculation module

具体方法是采用5个pipelined Streaming I/O的FFT模块并行处理，将第1路FFT输出的每个频点所对应的IQ两路数据与其他4路FFT输出的每个频点对应的IQ两路数据的共轭值相乘，再经过N次相同的FFT和共轭相乘运算，将多次结果求和后再求平均，得到4组稳定的IQ数据并做反正切运算，可求得一组稳定的相位差。反正切计算采用Cordic IP core的Arctan运算完成，在IP core生成时合理选择Iterations及Presision的参数设置，在满足相位差精度的要求下，尽量减少资源消耗。

8 192点FFT完成一次运算的时间约为89 μs，将128次FFT运算的结果累加求平均后求的相位差值，需耗费约12 ms。由于海事卫星信号的突发持续时间至少为20 ms以上，所以这种相位差累积计算的方法完全满足海事卫星上行信号的测向实时性需求。

3.2.4 插值算法

根据相关系数公式

其中，φj是相位差库中待测向频点第j个建库方位下的相位差;φi是待测向频点的已标校相位差，i为相位差序号(i=1，2，…，N);j为相位差建库方位序号(j=1，2，…，M，M为某频点上建库方位个数)。

通过计算M个方位上的相关系数ρj，并计算ρj(j=1，2，…，M)的最大值，找出最大值对应的方位角，即为粗测测向值θc。

由于硬件资源的限制，相位差库中的角度间隔为2°，粗测向方位值即为2的整数倍，通过插值运算可以提高测向方位的精度。

根据粗测测向值θc、粗测测向值的相关系数 ρj、粗测测向值位置前一个点的相关系数 ρj－1、粗测测向值位置后一个点的相关系数ρj+1、相位差库方位建库间隔为θj，可通过下式计算出通过余弦插值得到的细测测向结果θ:

4 实例数据解算验证

为了对本文提出的海事卫星信号测向系统方案的效果进行评估，采用实际的海事卫星终端发射的上行突发通信信号作为Matlab仿真数据和硬件试验平台的输入数据，信号的调制方式为OQPSK信号，速率为5.6 kb/s，信噪比为12 dB，每一个突发的持续时间为60～300 ms左右，信号入射方位角为91.5°。经测试计算，测向精度的实测值与理论值如图6所示。

图6 测向精度Fig.6 Accuracy of direction － finding

从图6可以看出，测向精度的实测值比理论值只降低了0.5°左右，实测值的测向精度平均值达到了 1.3°。

试验硬件平台所使用的FPGA芯片为Xinlinx公司的xc5vsx95t，DSP芯片为 TI公司的 TMI6414t，FPGA设计使用Xilinx公司的集成开发工具ISE进行仿真、综合、布线等。利用ISE软件内嵌的工具对FPGA的资源消耗情况进行统计，器件资源消耗情况如表1所示，其中使用率最大的Slice为70%，Blockram使用率为63%，其余的都在40%以下。

表1 FPGA的资源占用情况Table1 FPGA resource consumption summary

通过计算机的显控软件所显示的硬件平台综合处理结果如图7所示，包括功率(单位dB)、信号中频输出频率、方位值等。从图7可以看出，显控软件所显示的测向结果与真实值91.5°相比，测向精度仍优于 1.5°。

图7 海事卫星信号测向结果Fig.7 The display of direction － finding result

5 结束语

本文结合海事卫星信号的特征，以相关干涉仪测向体制为基础，提出了适用于海事卫星信号测向处理的技术方法。该方法在FPGA和DSP中合理分配算法的实现模块，减少硬件资源的消耗，通过优化算法提高了测向的频率分辨率和相位差的稳定度，运用插值改善了测向精度。最后通过试验样机对实采海事卫星信号数据的测向分析结果可以证明，测向精度优于1.5°，满足实际工程项目的需要。

在未来的研究工作中，可以以本文提出的测向方案为基础，根据工程的实际需要，进一步提高测向精度和频率分辨率。

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