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        基于相關(guān)運(yùn)算的TACAN信號(hào)檢測(cè)方法

        2022-05-30 11:23:56陳向明李鑫
        電子產(chǎn)品世界 2022年10期

        陳向明 李鑫

        摘?要:根據(jù)理論設(shè)計(jì)出不同工作模式下的基準(zhǔn)脈沖,作為本地脈沖序列并進(jìn)行0、1編碼,接收機(jī)接收到TACAN信號(hào)后,依據(jù)相同的規(guī)則進(jìn)行0、1編碼,把本地脈沖編碼序列與接收到編碼序列進(jìn)行相關(guān),通過相關(guān)峰值判斷是否存在TACAN信號(hào)。

        關(guān)鍵詞:TACAN信號(hào);相關(guān)峰值;編碼序列

        1 概述

        導(dǎo)航己成為現(xiàn)代生活中重要的一部分 , 比如車輛駕駛、信息定位等各個(gè)方面,在軍事方面,導(dǎo)航的作用突出了它的重要性。1955 年,美國(guó)軍方研制出了近程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng),簡(jiǎn)稱為塔康(TACAN),塔康的作用是同時(shí)完成測(cè)位與測(cè)距。近程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)主要組成部分是機(jī)載設(shè)備和塔康地面設(shè)備,還包括信標(biāo)模擬器和信標(biāo)監(jiān)測(cè)器、塔康指示控制設(shè)備等,該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是按照地面設(shè)備為中心、以 350~500 公里為半徑,從而對(duì)在此區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù),因此又稱航空無(wú)線電近程導(dǎo)航系統(tǒng)。

        塔康是現(xiàn)代飛機(jī) CNS 系統(tǒng)中不可或缺的環(huán)節(jié),其主要作用在于可以實(shí)現(xiàn)以下功能:測(cè)距、測(cè)向和信標(biāo)臺(tái)識(shí)別。在實(shí)際應(yīng)用中,需要與塔康機(jī)載設(shè)備相適應(yīng)的塔康信標(biāo)模擬器,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備的測(cè)試;模擬信標(biāo)的設(shè)計(jì)方式一般采取的是與硬件相結(jié)合。隨著技術(shù)發(fā)展,新的概念不斷被提出,其中之一便是“綜合航電”,它意味著航電測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)象從之前的單一化航電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合性航電多系統(tǒng)。

        2 TCAN信號(hào)模型

        塔康導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的是脈沖調(diào)制技術(shù)的極坐標(biāo)( ρ , θ )方式系統(tǒng),其中距離( ρ )測(cè)量采用的是詢問 / 問答式脈沖測(cè)距技術(shù)原理,通常是測(cè)量目標(biāo)與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離。方位( θ )測(cè)量是通過信標(biāo)臺(tái)的天線旋轉(zhuǎn)及向外輻射的強(qiáng)度,從而在空間形成了多波瓣方向性圖,可以獲得其粗、精方位的一系列信息特征。

        如圖 1 所示,塔康系統(tǒng)的調(diào)制方式有兩種:脈沖調(diào)制(PM)以及調(diào)幅調(diào)制(AM)。

        其中調(diào)幅調(diào)制方式原理如下:主要塔康地面信標(biāo)臺(tái)中央天線經(jīng)過旋轉(zhuǎn),從而生成了輻射信號(hào);輻射信號(hào)在經(jīng)過第一級(jí)調(diào)制器件后,該調(diào)制器件會(huì)不斷地旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為每 s15 圈,產(chǎn)生 15 Hz 脈沖包絡(luò)調(diào)制信號(hào);輻射信號(hào)在經(jīng)過第二級(jí)調(diào)制器件后,該調(diào)制器件會(huì)不斷的旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為每 s135 圈,產(chǎn)生 135 Hz 脈沖包絡(luò)調(diào)制信號(hào)。

        塔康脈沖包絡(luò) AM 調(diào)制信號(hào)的函數(shù)表達(dá)式為:

        其中,頻率 f=15 Hz , A0 :直流成分。 A1 , A2 :15 Hz包絡(luò)和 135 Hz 包絡(luò)的調(diào)制度。

        塔康也稱為近程極坐標(biāo)式無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng),它可以為飛機(jī)提供距離和方位的導(dǎo)航相關(guān)信息。其中,方位信號(hào)由兩部分構(gòu)成,基準(zhǔn)信號(hào)以及包絡(luò)信號(hào)。

        基準(zhǔn)信號(hào)由視頻編碼脈沖序列組成,該序列有其固定的編碼特征;視頻編碼脈沖的組成部分包括主基準(zhǔn)脈沖、輔基準(zhǔn)脈沖。

        塔康系統(tǒng)分為兩種工作模式:X 模式和 Y 模式,工作模式的不同所對(duì)應(yīng)的脈沖序列編碼特征也不一樣。

        在 X 工作模式下,它的主基準(zhǔn)脈沖是脈沖對(duì)編碼序列,脈內(nèi)時(shí)間間隔是 12 μs ,脈沖對(duì)時(shí)間間隔是 18 μs ;在 Y 工作模式下為 30 μs 。

        在 X、Y 工作模式下,它們的輔基準(zhǔn)脈沖是連續(xù)脈沖序列,其間隔時(shí)間分別是12 μs ,15 μs。

        本次實(shí)驗(yàn)中以 X 工作模式下為例,對(duì)塔康信號(hào)完成檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)分析。

        3 X模式主基準(zhǔn)脈沖序列檢測(cè)識(shí)別分析

        3.1 X模式主基準(zhǔn)脈沖本地序列編碼

        塔康信號(hào)由脈沖這一基本單元組成,它的形狀如圖2 所示。

        TOA:脈沖上升沿處于半峰值時(shí)相應(yīng)時(shí)刻,其意義為脈沖的到達(dá)時(shí)間。TOA 的兩種物理意義:當(dāng)前信號(hào)的時(shí)刻以及當(dāng)前脈沖與相鄰脈沖和脈沖對(duì)之間的間隔時(shí)間。這是 TACAN 信號(hào)的特征參數(shù)之一。

        PW:脈沖上升沿半峰值以及其下降沿半峰值之間所形成的時(shí)間差值,也稱為脈沖寬度。PW=3.5±0.5 μs。

        PA:脈沖的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值,即脈沖幅度。主要制約因素有信號(hào)功率、以及信號(hào)之間的傳輸距離等,PA 可以作為當(dāng)接收端需要分辨離散出不同信號(hào)源的信號(hào)的時(shí)候重要的參考部分。

        脈沖的上升時(shí)間=2.0±0.25 μs。

        脈沖的下降時(shí)間=2.5±0.25 μs。

        根據(jù) TCAN 協(xié)議,X 工作模式下,它的主基準(zhǔn)脈沖序列如圖 3 所示。

        假設(shè)采樣率為 1 MHz,在 X 工作模式下,對(duì)其主基準(zhǔn)脈沖序列實(shí)現(xiàn) 01 編碼,01 編碼的規(guī)則是在脈沖的峰值處為 1,剩余部分為 0,該序列在進(jìn)行編碼完成后,其值為 [1000000000001,...1000000000001]。

        3.2 X模式主基準(zhǔn)脈沖序列檢測(cè)

        接收機(jī)接收到信號(hào)后,下變頻到基帶 IQ 信號(hào),并求出幅度值,其計(jì)算公式如下:

        根據(jù)幅度門限 thd,在時(shí)域上提取出脈沖信號(hào),并進(jìn)行峰值提取,確定峰值的位置;根據(jù) 3.1 中的方法進(jìn)行脈沖序列量化,量化后的脈沖序列與本地量化后的脈沖序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。當(dāng)接收到的信號(hào)為 X 模式主基準(zhǔn)脈沖序列時(shí),最大的相關(guān)峰值為 24,考慮到在實(shí)際應(yīng)用中,受到環(huán)境影響,存在誤碼的可能,設(shè)置相關(guān)峰值最小門限為 23,最大門限為 25,若相關(guān)峰值落在此門限范圍內(nèi)的值,則認(rèn)為檢測(cè)到X模式主基準(zhǔn)脈沖序列。其檢測(cè)流程如圖 4 所示。

        4 仿真及結(jié)果分析

        接收機(jī)的采集帶寬為 1 MHz,采樣率 fs 為 1.6 MHz,圖5為通過基帶IQ求出幅度的數(shù)據(jù),橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為幅度值,圖 6 為接收序列編碼后與本地編碼序列相關(guān)峰值圖,橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù),縱坐標(biāo)為相關(guān)峰值。

        從圖 5 中可以看出,在 1 356 點(diǎn)處出現(xiàn)了 X 模式主基準(zhǔn)脈沖序列,從圖 6 中可以看出,在 1 365 點(diǎn)處存在峰值為 24 的相關(guān)峰,說(shuō)明通過本文中的方法,能夠準(zhǔn)確的識(shí)別出 TCAN 信號(hào)并初步確定 X 模式主基準(zhǔn)脈沖序列的起始位置,從而驗(yàn)證了此方法的可行性。

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