李光彩，任 震,文 佳,梁淏翔,梁天辰

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036;2.中國人民解放軍95960部隊(duì)，西安 710089)

0 引 言

機(jī)載戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航(Tactical Air Navigation，TACAN)設(shè)備為飛機(jī)提供測距、測向功能，保障飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行以及在復(fù)雜氣象條件下引導(dǎo)飛機(jī)歸航和進(jìn)場著陸，是重要的導(dǎo)航設(shè)備，其完好狀態(tài)直接影響飛行安全[1-2]?，F(xiàn)代飛機(jī)視情維修模式要求具備對機(jī)載設(shè)備實(shí)時(shí)、精確的健康狀態(tài)評估能力，以便提前安排維修活動，保證設(shè)備完好與飛行安全，而機(jī)載TACAN設(shè)備已有的機(jī)內(nèi)測試(Built-in-Test，BIT)和地面測試手段存在一定的局限。

針對BIT和地面測試方法存在的問題，國外學(xué)者提出了基于故障預(yù)測與健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)的技術(shù)解決方案[3-4]，通過引入先進(jìn)的傳感器手段和各種智能推理算法、模型，達(dá)到數(shù)據(jù)采集更全面、信息利用更高效的目的，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)載設(shè)備實(shí)時(shí)、精確的健康感知與評估能力，并在航空、航天等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用[5-7]。針對機(jī)載TACAN設(shè)備，PHM技術(shù)應(yīng)用的瓶頸在于故障機(jī)理認(rèn)知不充分，導(dǎo)致健康表征參數(shù)識別不準(zhǔn)確，缺乏定量化的健康評估模型。

本文通過分析機(jī)載TACAN設(shè)備的工作原理，提出一種基于自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)偏差的機(jī)載TACAN設(shè)備接收信道健康評估方法。該方法利用機(jī)載TACAN設(shè)備實(shí)時(shí)采集記錄的飛行數(shù)據(jù)信息，定量化評估設(shè)備接收信道的健康度水平，使得飛機(jī)維護(hù)人員可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握設(shè)備的健康狀態(tài)，從而合理安排設(shè)備維修時(shí)機(jī)，在設(shè)備完全故障之前進(jìn)行維修更換，減少因?yàn)樵O(shè)備故障導(dǎo)致的飛機(jī)停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修。

1 機(jī)載TACAN設(shè)備簡介

1.1 機(jī)載TACAN設(shè)備工作原理

機(jī)載TACAN設(shè)備主要由天線、接收信道、發(fā)射信道和信號處理四部分組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 機(jī)載TACAN設(shè)備組成及工作原理

接收時(shí)，接收信道對天線接收的TACAN信號進(jìn)行下變頻、濾波放大、程控衰減、A/D變換等處理，形成數(shù)字中頻，然后送入信號處理進(jìn)行解調(diào)和基帶處理，并產(chǎn)生最終的測量數(shù)據(jù)。發(fā)射時(shí)，由信號處理產(chǎn)生所需的數(shù)字信號，經(jīng)發(fā)射信道完成D/A變換、上變頻、信號調(diào)制和功率放大后，形成發(fā)射信號送到天線進(jìn)行發(fā)射。

1.2 AGC電路工作原理

AGC電路的功用是對接收信道的濾波放大后的信號進(jìn)行動態(tài)范圍壓縮，即當(dāng)接收信道的輸入信號幅度起伏變化時(shí)，通過控制接收信道增益，使信號輸出幅度保持恒定，以滿足后續(xù)數(shù)字采樣和信號處理的要求[8]。AGC電路由程控衰減器、比較器、計(jì)數(shù)器和計(jì)算模塊幾部分構(gòu)成，其工作原理如圖2所示。

圖2 AGC控制電路工作原理

AGC電路通過檢測視頻信號包絡(luò)的占空比變化，計(jì)算接收信號幅度的變化量和接收增益的衰減量即AGC衰減量，經(jīng)過一定的放大反饋給數(shù)控衰減器，調(diào)整輸入信號幅度，使輸入信號保持在A/D采樣范圍之內(nèi)。

2 AGC衰減量計(jì)算

2.1 標(biāo)準(zhǔn)AGC衰減量計(jì)算

AGC的目的是將接收信號在A/D變換前控制在AD芯片要求的信號電平范圍內(nèi)。假設(shè)接收信道增益(設(shè)計(jì)值)為LRec，AD芯片要求的信號電平為LAD，可得AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)值滿足

LAGC=P-L-Ls+LRec-LAD。

(1)

空地模式下，P表示地面TACAN設(shè)備發(fā)射脈沖功率；Ls表示空地模式下電磁波傳播路徑上的固定衰減量，與地面TACAN設(shè)備天線最小增益(L1)、機(jī)載TACAN設(shè)備天線平均增益(L2)、機(jī)載TACAN設(shè)備射頻電纜插入損耗(L3)、地面TACAN設(shè)備射頻電纜插入損耗(L4)、監(jiān)測器損耗(L5)和傳播影響地面多路徑損耗(L6)相關(guān)，計(jì)算公式為

Ls(AE)=-L1-L2+L3+L4+L5+L6。

(2)

空空模式下，P表示機(jī)載TACAN設(shè)備發(fā)射功率；Ls表示空空模式下電磁波傳播路徑上的固定衰減，與機(jī)載TACAN設(shè)備天線平均增益(L2)和射頻電纜插入損耗(L3)相關(guān)，計(jì)算公式為

Ls(AA)=-2L2+2L3。

(3)

L是電磁波空間衰減量，單位dB，計(jì)算公式為

L=32.4+20lg(f)+20lg(D) 。

(4)

式中：f是信號頻率，單位MHz；D是傳播距離，表示機(jī)載TACAN設(shè)備與被測對象的距離，單位km?？盏啬Ｊ较卤粶y對象為地面信標(biāo)臺，空空模式下被測對象為另一架飛機(jī)的機(jī)載TACAN設(shè)備。TACAN工作在962～1 213 MHz，以中位數(shù)1 088 MHz作為信號頻率f代入計(jì)算，可得到空間衰減量L與傳播距離D的關(guān)系。

機(jī)載TACAN設(shè)備與被測對象的距離可利用應(yīng)答式脈沖測距原理測量得到。機(jī)載TACAN設(shè)備以80～120 Hz(搜索狀態(tài))或20～30 Hz(跟蹤狀態(tài))速率發(fā)射詢問脈沖對信號，地面信標(biāo)臺收到該詢問脈沖后，經(jīng)過一個(gè)固定延時(shí)再向機(jī)載TACAN設(shè)備發(fā)出回答脈沖對信號。機(jī)載TACAN設(shè)備收到詢問脈沖信號后，經(jīng)過識別，選擇出對自己的測距應(yīng)答脈沖，并測出詢問脈沖和信標(biāo)臺回答脈沖之間的時(shí)間間隔，傳播距離與該時(shí)間間隔成正比，計(jì)算公式如下：

D=C×(t-t0)/2。

(5)

式中：C為光速；t為機(jī)載TACAN設(shè)備發(fā)出詢問脈沖到收到地面信標(biāo)臺回答脈沖的時(shí)間間隔；為了補(bǔ)償各地面信標(biāo)臺對信號延時(shí)的不同而產(chǎn)生距離誤差，規(guī)定所有地面TACAN設(shè)備都有t0的回答延遲，如圖3所示。

圖3 TACAN測距原理(空地模式下)

機(jī)載TACAN設(shè)備將飛機(jī)與被測對象之間的距離D(利用應(yīng)答式脈沖測距原理計(jì)算得到，見公式(5))、工作模式(空空或空地模式)、接收信道AGC值、數(shù)據(jù)記錄時(shí)間等信息發(fā)送給機(jī)上健康管理模塊。機(jī)上健康管理模塊采用公式(1)計(jì)算得到某一時(shí)刻TACAN處于空空或空地模式下的AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 考慮接收信道退化的AGC偏差計(jì)算

當(dāng)接收信道性能退化的情況下，如接收信道中放大器增益減小、噪聲系數(shù)增大等，接收信道增益會下降。為使A/D變換前的信號電平保持在要求范圍內(nèi)，AGC衰減量的實(shí)際值會比計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)值小，此時(shí)AGC衰減量實(shí)際值的計(jì)算公式為

L′AGC=P-L-Ls+LRec-Lreduct-LAD。

(6)

式中：L′AGC表示AGC衰減量的實(shí)際值，Lreduct表示接收信道增益的損耗量。

由公式(1)和公式(6)可知，Lreduct等于AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際值之差：

Lreduct=LAGC-L′AGC。

(7)

當(dāng)接收信道正常時(shí)，接收信道增益的損耗為0，此時(shí)AGC衰減量實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差Lreduct=0；當(dāng)接收信道完全故障時(shí)，接收信道增益由設(shè)計(jì)值LRec減小到0，此時(shí)為AGC衰減量實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差，Lreduct(max)=LRec，為最大值。

3 接收信道健康評估

3.1 機(jī)載TACAN設(shè)備最大作用距離計(jì)算

機(jī)載TACAN設(shè)備的最大作用距離由設(shè)備發(fā)射功能的最大作用距離和接收功能的最大作用距離共同決定。當(dāng)只考慮接收功能時(shí)，機(jī)載TACAN設(shè)備的作用距離取決于接收信道增益、AGC衰減量的范圍以及A/D芯片的信號電平要求，即當(dāng)A/D前的信號電平小于A/D芯片的輸入范圍時(shí)，機(jī)載TACAN功能軟件無法解算距離或方位，TACAN功能失效。

假設(shè)AGC衰減量的值域范圍為[0～LAGC(max)]，則由公式(1)可得機(jī)載TACAN設(shè)備作用距離滿足：

0≤P-L-Ls+LRec-LAD≤LAGC(max)。

(8)

將公式(4)代入式(8)可得

(9)

由公式(9)可得機(jī)載TACAN設(shè)備的最大作用距離為

(10)

以上計(jì)算未考慮接收信道退化的情況，當(dāng)引入接收信道增益損耗時(shí)，機(jī)載TACAN設(shè)備最大作用距離為

(11)

由公式(11)可知，隨著機(jī)載TACAN設(shè)備接收信道不斷退化，接收信道損耗Lreduct增大，TACAN功能最大作用距離D′max縮短。

3.2 接收信道健康度計(jì)算

由設(shè)備基本可靠性預(yù)計(jì)和型號中機(jī)載TACAN設(shè)備實(shí)際故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，接收信道增益損耗是導(dǎo)致TACAN功能接收靈敏度下降和作用距離縮短的主要原因。因此，本文選定接收信道增益損耗作為機(jī)載TACAN設(shè)備接收信道的健康表征參數(shù)，通過對比AGC衰減量實(shí)際值與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差得到增益損耗的具體數(shù)值(見公式(7))，進(jìn)而計(jì)算接收信道的健康度。

(1)當(dāng)不考慮設(shè)備誤差和外界環(huán)境影響時(shí)，TACAN接收信道健康度的計(jì)算公式為

(12)

由式(12)可知：當(dāng)接收信道完全故障時(shí)，IH=0；當(dāng)接收信道正常時(shí)，IH=1；當(dāng)接收信道退化時(shí)，0

(13)

4 驗(yàn)證分析

以某型機(jī)TACAN設(shè)備為例，采用實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)合的方式，驗(yàn)證計(jì)算模型的可行性。機(jī)載和地面TACAN設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)載和地面TACAN設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

由表1可知，空地模式下，P=67 dBm，Ls=7 dB；空空模式下，P=58 dBm，Ls=6 dB。

AD芯片信號電平范圍LAD大于-10 dBm，接收信道的固定增益LRec為+77 dBm，則AGC衰減量的標(biāo)準(zhǔn)值LAGC滿足

LAGC=P-L-Ls+87。

(14)

空空模式下，將P=58 dBm、Ls=6 dB代入式(14)，可得AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)值為

LAGC(A_A)=139-L。

(15)

空地模式下，將P=67 dBm、Ls=7 dB代入式(14)，可得AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)值為

LAGC(A_E)=147-L。

(16)

機(jī)載TACAN設(shè)備AGC衰減量的值域范圍為0～90 dB，步進(jìn)為2 dB。將空間衰減量L的計(jì)算公式代入式(16)，繪制空地模式下AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)值與飛機(jī)和地面臺之間距離s變化的曲線，以及飛行過程中AGC衰減量的實(shí)測數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示。

圖4 AGC衰減量隨距離變化曲線

圖4中選取了飛行過程中AGC衰減量的實(shí)測值與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，每組數(shù)據(jù)包含3 800個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別對應(yīng)距離從0.001～370 km范圍內(nèi)AGC衰減量的實(shí)測值與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值。由圖4可知，TACAN接收信道AGC衰減量實(shí)測值與計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值的曲線基本吻合，且AGC值與距離之間存在是一個(gè)相對固定的關(guān)系。

(17)

空空模式下，AGC衰減量為

(18)

空地模式下，AGC衰減量為

(19)

選取空地距離從0.001～370 km范圍接收信道正常狀態(tài)AGC衰減量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值與實(shí)測值，以及接收信道退化10 dB、退化20 dB、退化30 dB、退化40 dB、退化50 dB、退化60 dB對應(yīng)的AGC衰減量仿真值共8組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，繪制接收信道正常與不同退化條件下空地距離及對應(yīng)的AGC衰減量曲線，如圖5所示。

圖5 接收信道退化條件下AGC衰減量隨距離變化曲線

由圖5可知，當(dāng)接收機(jī)性能退化時(shí)，即信道接收增益下降的情況下，實(shí)際TACAN功能檢測到的AGC值與標(biāo)準(zhǔn)AGC值會出現(xiàn)偏差，且退化程度越大，偏差越大。

由公式(12)計(jì)算不同惡化條件下接收信道增益的下降值，以及對應(yīng)的TACAN設(shè)備接收信道健康度，結(jié)果見表2。

表2 接收信道增益下降情況

5 結(jié) 論

視情維修模式是新一代航空裝備維修保障的發(fā)展趨勢，而精準(zhǔn)、量化的健康評估能力是實(shí)現(xiàn)機(jī)載設(shè)備視情維修的基礎(chǔ)。本文將機(jī)載TACAN設(shè)備空空或空地測距結(jié)果、AGC衰減量等動態(tài)實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)備接收、發(fā)射信道和天線的靜態(tài)設(shè)計(jì)指標(biāo)相結(jié)合，建立了接收信道AGC衰減量偏差、增益損耗與健康度指標(biāo)的計(jì)算模型，可用于維護(hù)人員在飛行數(shù)據(jù)離線分析時(shí)定量評估機(jī)載TACAN設(shè)備接收信道的增益退化情況。該方法以數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，在不額外增加機(jī)載設(shè)備測試電路和傳感器的前提下，解決了目前機(jī)載TACAN設(shè)備BIT方法測試結(jié)果難量化、地面測試方法可定量但測試時(shí)機(jī)受限的工程問題，支持機(jī)載TACAN設(shè)備開展視情維修，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。