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

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(guò)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(chē)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

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(guò)旋轉(zhuǎn)，從而生成了輻射信號(hào)；輻射信號(hào)在經(jīng)過(guò)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(guò)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：

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。

圖2 塔康信號(hào)脈沖示意圖

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(mén)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(mén)限為 23，最大門(mén)限為 25，若相關(guān)峰值落在此門(mén)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(guò)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(guò)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] VENKAIAH P, AVALA R. A novel approach to design of a squared cosine (Cos2) pulse modulated power amplifier used for airborne navigational applications[C].IEEE International Microwave and RF Conference (IMaRC), 2015: 99-101.

[2] 胡可欣,胡愛(ài)明.旁瓣消隱技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用[J].艦船電子工程,2006,26(5): 163-165.

[3] GAO X, HENG L. HORNBOSTEL A, etc.DME/TACAN interference mitigation for GNSS: algorithms and flight test results[J].GPS Solutions, 2013（17）: 561-573.

[4] WANG H, LIU R. DME/TACAN interference mitigated by mixed blanking i n B 2 band[C]. IEEE 13th International Conference on Communication,2011: 897-900.

[5] 龐育才.TACAN信號(hào)處理仿真分析及硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[6] 周振國(guó).塔康系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與塔康測(cè)位的實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[7] DING Y Z, JIN L. Algorithm optimization of Kalman filtering in the tactical air navigation system[C]. The 10th International Conference on Communications, Circuits and Systems(ICCCAS), 2018:255-259.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)