張 一,張 斌,來 磊

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院, 西安 710077)

0 引言

塔康是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航(tactical air navigation)英文縮寫TACAN的音譯,是美國在50年代初研制的軍用戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)專用近程無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1]。目前,有30多個國家將塔康系統(tǒng)應(yīng)用于軍事導(dǎo)航[2]。作為一種近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng),塔康是現(xiàn)階段航空最主要的導(dǎo)航設(shè)備之一,主要為航空目標(biāo)提供方位與斜距信息,實(shí)現(xiàn)極坐標(biāo)定位。該系統(tǒng)的基本功能由地面信標(biāo)臺和機(jī)載設(shè)備配合工作完成,地面信標(biāo)臺架設(shè)于機(jī)場、航路點(diǎn)或航空母艦上,機(jī)載設(shè)備安裝在飛機(jī)上與地面信標(biāo)配合工作,以地面信標(biāo)臺為中心,系統(tǒng)為半徑350～500 km范圍內(nèi)的飛機(jī)提供斜距信息和方位信息[3-5]。

為保障飛行安全,解算塔康距離時必須達(dá)到一定精度的要求,在測距過程中,可以通過提高脈沖定時點(diǎn)的提取精度,保證測距結(jié)果有較高的精度[6]。傳統(tǒng)的半幅檢測法是通過峰值延時，比較確定雙鐘形脈沖的半幅點(diǎn)作為測距定時點(diǎn),該方法提取的定時點(diǎn)受噪聲影響較大,抗干擾性能差,影響了系統(tǒng)測距精度。文中提出一種利用相關(guān)法提取定時點(diǎn)的方法,將接收到的脈沖與參考脈沖匹配對準(zhǔn),充分利用了脈沖信息提取塔康鐘形脈沖的定時點(diǎn),并運(yùn)用求導(dǎo)和加權(quán)的方法進(jìn)一步提高測距精度。

1 TACAN測距原理

塔康系統(tǒng)一般包括地面信標(biāo)臺和機(jī)載設(shè)備兩部分。前者為飛機(jī)提供方位及測距應(yīng)答信號,后者負(fù)責(zé)發(fā)射測距詢問脈沖信號和接收處理信標(biāo)臺的發(fā)射信號。系統(tǒng)測距采用詢問應(yīng)答式脈沖測距技術(shù),通過測量無線電脈沖信號在詢問器和應(yīng)答器之間的往返時間計算距離信息。機(jī)載設(shè)備發(fā)射詢問脈沖,被地面應(yīng)答器接收,經(jīng)固定延時,應(yīng)答器向機(jī)載設(shè)備發(fā)射回答信號,機(jī)載設(shè)備收到回答信號后,根據(jù)發(fā)射詢問和接收回答之間的時間間隔,計算出詢問器和應(yīng)答器之間的距離[7-8]:

(1)

式中:R為飛機(jī)到地面應(yīng)答器所處站臺的斜距;t為機(jī)載詢問器獲得的發(fā)射與接收信號之間的時間間隔;t0為應(yīng)答器的固定延時;c為電波傳播速度(近似為光速3×108m/s)。

圖1 塔康測距原理圖

圖2所示是整個工作過程的時序圖。測距單元先產(chǎn)生測距詢問觸發(fā)脈沖,調(diào)制放大后由天線發(fā)出,地面信標(biāo)臺接收到機(jī)載設(shè)備發(fā)出的測距詢問脈沖對,經(jīng)過嚴(yán)格譯碼,將脈沖對變成單脈沖輸出。該單脈沖輸出經(jīng)系統(tǒng)固定延時進(jìn)行準(zhǔn)確延時,再經(jīng)過編碼器重新編碼,形成鐘形回答脈沖,再經(jīng)過調(diào)制放大,由天線發(fā)出。機(jī)載設(shè)備接收到應(yīng)答脈沖,通過視頻信號譯碼,將接收到的脈沖對譯為單脈沖,送到測距單元。測距單元利用詢問和應(yīng)答的同步關(guān)系和詢問重復(fù)的頻閃效應(yīng)對應(yīng)答信號進(jìn)行搜索跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)距離測量。

由測距原理知,系統(tǒng)是通過測量時間來實(shí)現(xiàn)距離測量的。進(jìn)行時間測量必須先確定測距定時點(diǎn)。由于高斯脈沖本身有寬度, 且這個寬度對塔康測距而言不可忽略,因此定時的精度直接影響測距的精度。

圖2 測距信號時序圖

2 鐘形脈沖定時點(diǎn)半幅檢測提取法

在塔康測距信號傳輸過程中,為了提高信號傳輸?shù)目煽啃?發(fā)射脈沖全部采用特定間隔的脈沖對。塔康信號標(biāo)準(zhǔn)中對信號格式有著嚴(yán)格的規(guī)定,所有塔康信號的射頻脈沖包絡(luò)都應(yīng)該是鐘形脈沖,表達(dá)式為e-βt2,在0.5幅度時脈沖寬度為3.5 μs。早期的塔康設(shè)備中,采用固定門限法對脈沖進(jìn)行定時,即將信號波形前沿與固定門限的交點(diǎn)作為脈沖定時點(diǎn),當(dāng)幅度變化時,脈沖定時點(diǎn)的位置也會隨之發(fā)生變化,從而導(dǎo)致較大的測量誤差。

半幅檢測是將高斯脈沖前沿半幅點(diǎn)作為測距定時點(diǎn)。該方法的檢測門限隨輸入信號幅度變化而變化,但始終保持檢測門限和信號幅度的比值為0.5∶1。檢波過程分為峰值檢測、幅度衰減和電壓比較三部分。首先,峰值檢測器檢測上升沿到下降沿的變化,捕獲峰值點(diǎn)。衰減電路對捕獲到的峰值幅度進(jìn)行衰減,獲得0.5幅度的電平信號作為檢波門限電平,對鐘形脈沖進(jìn)行檢波。半幅檢波能有效克服信號幅度變化引起的定時誤差,較準(zhǔn)確地對鐘形脈沖定時點(diǎn)進(jìn)行提取,提高測距精度。半幅檢測過程如圖3所示。

圖3 半幅檢測示意圖

半幅檢測方法提取鐘形脈沖定時點(diǎn),只利用到信號半幅點(diǎn)這一個點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息,脈沖上其它點(diǎn)信息沒有得到充分利用,半幅點(diǎn)的定時誤差將線性影響定時點(diǎn)的提取精度,從而影響測距精度。

3 鐘形脈沖定時點(diǎn)加權(quán)相關(guān)提取法

數(shù)字電路中,塔康鐘形脈沖信號是由采樣點(diǎn)組成,對定時點(diǎn)的提取實(shí)質(zhì)是對這些采樣點(diǎn)的選取。由于測量過程中受到多種因素的影響,距離的測量值與真實(shí)值之間存在較大的誤差,不能滿足精度要求[9-11]。通過對塔康鐘形脈沖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)采樣點(diǎn)處的斜率較大時,相鄰的點(diǎn)的電平值差別較大,此時將斜率較大的點(diǎn)作為塔康脈沖的定時點(diǎn),提取的定時點(diǎn)會有較高的精度。

1)拐點(diǎn)幅值檢波

塔康鐘形脈沖的波形函數(shù)為：

f(t)=e-βt2

(2)

對該函數(shù)求導(dǎo)得：

f′(t)=-2βt·e-βt2

(3)

對導(dǎo)函數(shù)再求導(dǎo),得出塔康鐘形脈沖函數(shù)的二次函數(shù):

f′′(t)=(4β2t2-2β)e-βt2

(4)

(5)

圖4 拐點(diǎn)法提取定時點(diǎn)

由式(5)可知,拐點(diǎn)處的幅值是鐘形脈沖峰值處幅值的關(guān)系為:

(6)

式中,α為拐點(diǎn)處幅值與脈沖峰值的比值。即拐點(diǎn)處的幅值與峰值比為0.6∶1,即應(yīng)當(dāng)選取0.6倍的峰值幅度作為門限,此時,信號處理的檢波過程與半幅檢波原理相同,但通過改變檢波門限的大小和提取定時點(diǎn)的位置,對半幅檢波方法進(jìn)行了改進(jìn),提高了測量精度。

2)加權(quán)相關(guān)法

塔康測距信號鐘形脈沖的理想函數(shù)為式(2),但地面接收機(jī)接收到的信號,通常含有多路徑和其它噪聲源的干擾,因此引入相關(guān)法,以降低干擾對定時點(diǎn)提取精度的影響。相關(guān)法是比較信號間相似程度的一種常用方法,數(shù)學(xué)上常用相關(guān)函數(shù)衡量兩個信號之間相關(guān)性的大小[11]。接收機(jī)接收到的信號帶有噪聲,將接收機(jī)接收到實(shí)際信號與參考信號做相關(guān)運(yùn)算,當(dāng)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果最大時,可認(rèn)為實(shí)際信號與參考信號對準(zhǔn),不存在時間差,此時,再對信號進(jìn)行門限檢波的運(yùn)算,可最大程度減小多路徑等對系統(tǒng)造成的誤差。當(dāng)理想信號為式(2),接收到的實(shí)際信號為：

fr(t)=e-βt2+n(t)

(7)

式中,n(t)為多路徑干擾和其它噪聲[13-15]。將理想信號與實(shí)際信號作相關(guān)運(yùn)算,相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果表示為:

(8)

式中：T為一個脈沖周期；τ為實(shí)際信號與理想信號的時間差。當(dāng)相關(guān)結(jié)果k最大時,即理想信號與實(shí)際信號對準(zhǔn),實(shí)際信號中的延時被消去,此時再對信號進(jìn)行求導(dǎo)法門限檢波,測距的計算結(jié)果將會更加準(zhǔn)確。由于當(dāng)脈沖信號處于平滑階段時,噪聲對脈沖的幅值影響較大,因此,在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時,應(yīng)給不同的點(diǎn)依照斜率大小分配不同的匹配權(quán)重。如圖5所示,現(xiàn)接收脈沖上有A、B兩個點(diǎn),A點(diǎn)處的斜率遠(yuǎn)大于B點(diǎn)處的斜率,理想脈沖上有與之相對應(yīng)的A′、B′兩點(diǎn),當(dāng)A點(diǎn)與A′對齊時,即使由于噪聲影響,B點(diǎn)與B′點(diǎn)沒有對齊,也可以認(rèn)為接受脈沖與理想脈沖已經(jīng)對齊。

圖5 利用相關(guān)法對準(zhǔn)信號

由式(3)可知,塔康脈沖信號在不同時間點(diǎn)的斜率不同,選取塔康信號中100個樣點(diǎn),給每個樣點(diǎn)分配不同的權(quán)重值,權(quán)重值的大小如式(9)所示:

(9)

將權(quán)重值加入信號的相關(guān)處理過程中去,如式(10)：

(10)

式中:k為匹配系數(shù),k值越大即接收到的信號與理想脈沖匹配度越高。

(11)

使匹配系數(shù)k取得最大值kmax的τ即所求的時間延遲,此時,接收到的信號與理想信號匹配程度最好,多徑干擾等對信號的影響被消除。再對信號進(jìn)行拐點(diǎn)幅值檢波,提取脈沖的定時點(diǎn)。

4 仿真分析

利用Matlab對第3章提出的兩種方法進(jìn)行仿真。樣本容量為300,以提取的定時點(diǎn)和理想定時點(diǎn)的誤差和均方誤差值作為衡量不同方法提取定時點(diǎn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。圖6和圖7分別是不同信噪比下測量結(jié)果誤差和均方誤差的對比曲線圖。

圖6 不同信噪比下測量結(jié)果誤差對比曲線

圖7 不同信噪比下測量結(jié)果均方誤差對比曲線

由圖6、圖7可知,運(yùn)用拐點(diǎn)幅值檢測對定時點(diǎn)進(jìn)行提取,效果略優(yōu)于半幅檢測,利用加權(quán)相關(guān)法對定時點(diǎn)進(jìn)行提取,測量的誤差和均方誤差,在0～15 dB范圍內(nèi)遠(yuǎn)小于半幅檢測的誤差,當(dāng)信噪比大于15 dB時,測量結(jié)果的誤差和均方誤差趨于穩(wěn)定。仿真結(jié)果驗(yàn)證了文中第3章所提出的的兩種方法確實(shí)有利于提高定時點(diǎn)的提取精度:拐點(diǎn)幅值檢測提取定時點(diǎn),精度略高于半幅檢測,加權(quán)相關(guān)法提取定時點(diǎn),精度高于半幅檢測,且在信噪比較小時均方誤差遠(yuǎn)小于半幅檢測的均方誤差,印證了加權(quán)相關(guān)法在噪聲較大時有著良好的抗干擾性這一論點(diǎn)。

5 小結(jié)

針對塔康系統(tǒng)測距信號鐘形脈沖定時點(diǎn)的提取,首先在現(xiàn)有的半幅檢測的基礎(chǔ)上,提出拐點(diǎn)幅值檢測方法,并在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)加權(quán)法,通過相關(guān)法來降低多路徑等噪聲對定時點(diǎn)提取的影響,通過加權(quán)法來提高接收信號與理想信號匹配程度。經(jīng)仿真驗(yàn)證,拐點(diǎn)幅值檢測法提取定時點(diǎn)的精度較半幅檢測有一定提高,加權(quán)相關(guān)法提取定時點(diǎn)的精度高于半幅檢測的精度,且具有較好的抗干擾性能。提高提取定時點(diǎn)的精度,可以有效的減小飛機(jī)的測距誤差,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測距功能,達(dá)到保障飛行安全的目的。