軟件化塔康信標模擬系統的設計

李朝陽，張天偉，鄭志聰

(1.西北工業大學 航空學院，西安 710072；2.中國航空研究院六一三研究所，河南 洛陽 471009)

軟件化塔康信標模擬系統的設計

李朝陽1，張天偉1，鄭志聰2

(1.西北工業大學 航空學院，西安 710072；2.中國航空研究院六一三研究所，河南 洛陽 471009)

針對塔康導航系統的測試需求，結合軟件無線電技術，設計并實現了塔康信號模擬系統；首先介紹了塔康導航臺導航的原理，包括：測向原理和測距原理；接著，根據塔康導航臺信號的特點，給出信號模擬系統的需求分析；在需求分析的基礎上，完成了信號模擬系統的總體方案設計、硬件結構組成及軟件的模塊化設計；然后，根據塔康信號模擬系統信號的模塊化設計，對各個模擬信號模塊進行詳細設計，并在GNU Radio上編程實現；最后，搭建了信號模擬系統測試試驗平臺，在平臺上完成了模擬系統各個信號模塊的測試驗證，并對塔康信號模擬系統進行了功能試驗驗證。

軟件無線電；塔康；信號模擬；測向

0 引言

我國大飛機工程項目的大型運輸機在幾年內將要投入批量生產，為保證裝機的CNS設備狀況完好，需要提供先進、完善的技術手段，在實驗室對于大型運輸機單個機載通信和導航設備進行裝機前的全面檢測。在總裝生產線上對所安裝的CNS系統進行系統級在線測試，以保證系統在飛機上運行正常[1]。塔康是現代飛機CNS系統中重要的一部分，主要完成測距、測向以及信標臺識別的功能。塔康機載設備的測試需要相應塔康信標模擬器的支持，模擬信標的設計采用較多的是結合硬件的方式。但隨著“綜合航電”概念的提出，航電測試系統的對象由原來的單一航電系統變為綜合航電多系統。針對單一航電系統的測試設備，就難以滿足綜合航電多系統的測試需求。常規的航電設備測試[2-4]往往需要多個真實機載設備和模擬地面臺來提供測試信號，通常采用手工操作，自動化程度較低。如通信系統的互通測試需要兩個電臺的配合，無線電導航設備的完整測試也需要根據導航設備的不同，采用不同的模擬地面臺提供無線電信號激勵等。這些測試方式，效率較低，成本較高，需要真實機載設備也限制了測試系統的應用，對于先進的大型運輸機和其它軍民用飛機而言其方法和技術已明顯落后，因此，需要研究解決不需要真實機載設備，并應用綜合地面臺，通過軟件控制來產生無線電信號的方法和技術。軟件無線電技術是解決這一問題的有效手段。

軟件無線電技術是近年來在無線電電子領域發展十分迅速的一個研究方向[5-6]。采用軟件無線電技術的模擬航電測試工作過程中的無線電信號其優勢主要體現在：①各類CNS系統的信號模擬可以共用相同的硬件平臺，可以降低系統成本。②信號模擬系統的軟件可劃分為公共模塊和專用模塊，而公共模塊也是CNS各設備信號模擬可以共用的，降低了新系統的開發難度和成本。③這種采用軟件無線電技術的機載通信、導航系統無線電信號模擬是可用軟件控制和再定義的。將具有很強的靈活性，可以通過增加軟件模塊，很容易增加新的功能。④信號模擬系統將同時具有較強的開放性，由于采用了標準化、模塊化的結構，其硬件可以隨著器件和技術的發展而更新或擴展，軟件也可以隨需要而不斷升級。采用軟件無線電技術構造的機載通信、導航系統無線電信號信號模擬系統包括一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、數據通信信號編、解碼，測距信號編、解碼，角度、方位信號測量算法，波束形成算法等用軟件來完成，是一種具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統[7-8]。

文章針對飛機塔康導航的測試系統設計，結合軟件無線電技術，將塔康系統的模擬信標軟件化實現，同時搭載了一個具有射頻前端功能的通用硬件平臺，實現了對塔康地面信標臺信號的模擬，從而保證在機載導航系統設備裝機之前，實現了對飛機導航系統功能的測試與驗證，增加了飛機飛行的可靠性與安全性[9-10]。同時，為解決飛機航電在綜合測試和總裝在線測試中無線電信號的模擬問題奠定了一定基礎。

1 塔康導航臺導航原理

1.1 測向原理

塔康系統測向是通過信標臺天線輻射特定的方位信號(包括基準信號和包絡調制信號)，機載設備接收此信號后經過信號處理，解算出對應的方位，并予以顯示[11]。塔康方位包絡信號是由15 Hz主包絡和135 Hz輔包絡調制產生的，用來提供粗、精方位信息。將兩種測量方式結合起來，設機載接收15 Hz信號對應相位為φ15，135 Hz信號對應相位為φ135，根據公式：

(1)

式中：?」表示向下取整，φ15為15 Hz信號對應相位，φ135為135 Hz信號對應相位。這樣可以得到精度較高的相位信息φ。

1.2 測距原理

塔康系統的測距采用的是詢問/問答式脈沖測距技術，這與測距機系統原理完全相同，通過測量機載設備發射和接收脈沖信號的時差而獲得飛機到地面臺的距離[12-13]。由距離計算模塊根據詢問脈沖與應答脈沖之間的時間延時t，計算出飛機到測距信標臺之間的直線距離。即：

(2)

式中：t為機載測距機發射和接收信號之間的時間間隔；t0為地面應答機的固定延時(一般為50 μs)；c為光速，c=3×108m/s。

2 基于軟件無線電的塔康模擬系統設計

2.1 功能需求分析

塔康信號模擬系統基本的任務就是模擬產生塔康導航信號。結合《GJB 914-90》[14]對塔康地面信號的要求，對塔康信號模擬系統進行功能分析如下：

1)射頻載波頻率在960 MHz～1215 MHz范圍內可調，發射功率是100 mW～200 mW。在頻段內可以控制選擇X波道和Y波道兩種模式。

2)產生鐘形脈沖，上升時間為2.0±0.25 us，下降時間為2.5±0.5 us，脈沖寬度是3.5±0.5 us；產生鐘形脈沖對，X波道脈沖間隔為12±0.10 us，Y波道脈沖間隔30±0.10 us。

3)產生隨機填充脈沖對，重復頻率可調(50～2 700對/秒)。

4)塔康模擬距離，輸入模擬距離的變化步長，系統會可以自動模擬距離的變化；塔康模擬方位，輸入模擬方位角的變化步長，系統會自動模擬方位角的變化。

5)產生15±0.03 Hz和135±0.27 Hz方位包絡信號，調制度均應在10%～30%范圍內可調，兩者之和不應大于55%。

6)當工作于測距模式時，能夠對機載設備發出的詢問信號進行應答，以供機載設備進行距離解算。

2.2 塔康信號模擬系統總體設計

結合軟件無線電硬件架構體系的研究，選擇基于計算機和網絡式結構的軟件無線電體系架構，搭建塔康信號模擬系統，系統的設計方案見圖1所示。系統的硬件部分完成的工作包括：接口模塊對網口數據的處理；A/D模塊、D/A模塊完成信號的模數、數模轉換；射頻模塊完成信號的模擬上/下變頻及功率放大功能；信號預處理模塊完成包括數字上/下變頻、濾波、速率轉換等功能。軟件部分主要是在處理機上實現功能軟件，完成系統信號的處理和產生，形成信號流。

圖1 塔康信號模擬系統設計方案

2.3 硬件部分設計

在詳細分析塔康地面導航臺信號特征和相應測試需求的基礎上，采用軟件無線電技術，給出信號模擬系統硬件總體方案。硬件功能劃分為接口模塊、信號預處理模塊、模擬變頻模塊、A/D模塊、D/A模塊、功率放大模塊、模擬濾波模塊、天線。按照信號流的方向，相應地給出系統硬件的設計流程圖，見圖2。

圖2 系統硬件設計流程圖

根據系統的硬件模塊需求分析和軟件無線電技術對硬件平臺的要求：需要一個標準化、模塊化、小型化、數字信號處理部分必須能夠處理大量的數據的通用硬件平臺。決定采用了Ettus公司生產的軟件無線電外設USRP N210系列的產品來做為硬件平臺[15-17]，配置全雙工的收發子板：WBX子板。

2.4 軟件部分設計

軟件采用結構化和模塊化的思想進行設計。塔康地面導航臺的功能主要為發射測向信號和測距應答信號。其中測向功能模塊主要包括正弦波產生模塊、高斯脈沖產生模塊，主基準脈沖群編碼模塊，輔基準脈沖群編碼模塊、識別信號脈沖對模塊、均衡脈沖編碼模塊、圖形顯示模塊、參數控制模塊、波道控制模塊等；而測距模塊包括正弦波產生模塊、隨機脈沖產生模塊、等間隔脈沖對產生模塊、Morse碼產生模塊、脈沖識別應答模塊、參數設置模塊、波道控制模塊、圖形顯示模塊等。

根據以上對測向信號和測距信號軟件功能模塊的介紹，可以發現有些功能軟件模塊在測向和測距軟件模塊中都有出現，實現的功能基本相同，只是在參數的設置上存在差別。因此，可以將一些功能相同的模塊進行綜合，作為公共模塊調用，下面給出塔康地面導航臺信號模擬系統軟件功能模塊圖，測向功能模塊和測距功能模塊具體劃分如圖3所示。

圖3 塔康地面導航臺信號模擬系統軟件模塊組成

塔康地面導航臺信號主要分為測向信號和測距信號。這兩種功能信號最終都是對射頻載波進行幅度調制，然后以射頻脈沖群的形式發射出去。

測向信號是由方位包絡信號對調制好的基準脈沖群進行幅度調制得到的，軟件中方位信號詳細的設計流程如圖4所示。

圖4 方位信號設計流程圖

塔康地面臺測距包括對機載詢問信號的判斷和應答信號的延時發射兩部分。在發射應答信號的同時，也發射本臺識別碼信號。在對測距信號的軟件模塊劃分的基礎上，給出軟件設計流程圖，如圖5所示。

圖5 測距信號軟件總體設計

3 模擬信標軟件化詳細設計

系統軟件設計采用ubuntu系統下的gnuradio-companion軟件(簡稱grc軟件)，grc軟件是一種基于GNU Radio平臺的開放性軟件。

3.1 方位包絡信號的設計

塔康方位包絡信號是由15 Hz主包絡和135 Hz輔包絡調制產生的，這兩個包絡都由正弦波產生模塊產生，對信號各自進行調制度設定后，將兩個包絡信號相加即產生塔康方位包絡信號。由于選用的是無方向形天線發射，所以采用設定方位包絡信號相位來實現方位信息的發射。采取對產生的信號做延時處理來達到設定相位的目的。 給出相應的程序設計流程圖，如圖6。

圖6 方位包絡信號設計流程圖

3.2 主、輔基準脈沖群的編碼設計

基準脈沖群為機載設備接收解算方位信息提供參考。首先產生高斯脈沖，由于GNU Radio軟件中的信號源類里沒有產生脈沖的信號源模塊，但是其中矢量模塊可以可以產生幅值為1，持續時間確定的矩形波。采用升余弦FIR濾波器對矢量源信號進行整形濾波的方案來產生鐘形高斯脈沖[18-19]。雖然相同的基準脈沖群在不同波道中的編碼要求不同，相同波道的中不同基準脈沖群的編碼要求也不同，但是整體編碼流程類似，統一給出基準脈沖群的編碼流程，如圖見圖7。圖7中，N為相應基準脈沖群所包含的脈沖(對)數量，t為響應基準脈沖群要求的脈沖(對)之間的時間間隔。

圖7 主/輔基準脈沖群編碼的設計流程圖

基準脈沖群的產生可以理解為主、輔基準脈沖群在保持時間上同步的前提下相加得到。對于基準脈沖群的產生給出設計流程圖，如圖8。圖8中N=9；t=1/15s，t是脈沖群時間間隔。

圖8 主輔基準脈沖群設計流程圖

3.3 識別與均衡信號的編碼設計

識別信號由脈沖間隔對X波道為12±0.1 μs,對Y波道為30±0.1 μs。其脈沖對重復率為1 350對/s，在時間上與主、輔基準脈沖群同步。為了在發射識別信號期間穩定發射機的恒定工作比，并減小系統的方位誤差，在每個識別脈沖對定時點之后100±10 μs發射一對編碼特性相同均衡脈沖對。識別信號脈沖組群的編碼方式參考基準脈沖群編碼，流程圖及程序這里就不再復述。

3.4 譯碼、編碼模塊的設計

塔康信號模擬系統在接收到機載詢問信號后，會對詢問信號進行識別，判斷該信號是有效的詢問信號后，經過固定延時進而產生相應的應答信號。譯碼、編碼模塊設計流程圖如圖9所示。軟件采用“觸發”機制對詢問信號進行處理，當詢問信號強度滿足設定值時，每個脈沖在檢測時都會相應產生一個與矢量源模塊輸出數據類型一致的序列數“1”；當詢問信號強度較弱時，則輸出為“0”。將所有脈沖用等幅的序列數“1”表示，歸一化了脈沖檢測輸出。在這個基礎上，對檢測輸出的序列數進行整形編碼，整形編碼的方法與基準脈沖群的產生方法一樣。

圖9 譯碼、編碼模塊流程圖

3.5 隨機脈沖對的設計

當無詢問脈沖時，每秒應發射2 700±90對隨機脈沖對，每秒發射的次數隨著詢問脈沖數的增加而相應的減少。這里采用隨機源結合重復模塊，再與周期產生的脈沖對乘積的方法來得到隨機脈沖對，通過控制隨機產生脈沖個數來達到控制隨機脈沖對的數量。隨機脈沖對設計流程圖，如圖10。

圖10 隨機脈沖對設計流程圖

4 各信號模塊實驗和結果分析

實驗平臺是由設計的塔康信號模擬系統與測試設備組成，如圖11所示。塔康信號模擬系統由PC機和軟件無線電設備USRP N210以及各自的專用線纜等組成。信號模擬系統的測試驗證實驗主要借助示波器、數字信號發生器等設備來完成。

圖11 實驗平臺構成

4.1 方位包絡信號的測試分析

塔康方位包絡信號測試主要參數為頻率和調制度。通過波形可以測出大包絡的周期為66.6 ms，基本與15 Hz的周期一致，從波形上也可以得到大包絡與小包絡周期9倍的關系，從而驗證135 Hz信號。方位包絡信號的周期這一參數基本驗證發射的符合要求。圖12為方位包絡信號的測試波形圖。

圖12 示波器方位包絡信號的波形

4.2 脈沖波形的測試分析

塔康要求的鐘形脈沖上升時間為2.0±0.25 us，下降時間為2.5±0.5 us，脈沖寬度是3.5±0.5 us，經示波器接收的高斯脈沖波形如圖13，符合塔康信號要求。

圖13 示波器接收的X波道高斯脈沖對波形

4.3 主輔基準脈沖群測試分析

塔康信號基準脈沖群在X波道的編碼示意圖14所示。示波器接收到的基準脈沖群如圖15所示，脈沖個數、脈沖間隔以及脈沖對間隔都符合信號的要求。

圖14 基準脈沖群在X波道的編碼示意圖

圖15 示波器顯示的基準脈沖群的波形

4.4 識別編碼的測試分析

這一部分包括識別信號和均衡信號兩個信號，對這兩個信號的發射后的測試結果如下圖16所示，從(a)圖中可以看出脈沖間隔為12 μs，符合X波道脈沖編碼。(b)圖可以讀出脈沖對間隔為100 μs，符合均衡脈沖對在識別脈沖對的第一個脈沖發射后100 μs出現的要求。

圖16 示波器顯示的識別編碼脈沖對波形

4.5 隨機脈沖對的測試分析

隨機脈沖對，顧名思義就是產生時間不定。為了使波形顯示清晰，易于觀察，以下給出兩次發射產生的隨機脈沖對的部分示波器接收波形，如圖17。

圖17 示波器顯示的兩次發射的隨機脈沖波形

5 系統功能的實驗驗證

5.1 實驗方案的設計

本次試驗從測向測試和延遲應答測試兩部分實驗驗證信號模擬系統的測向、測距功能，實驗方案如下：

5.1.1 測向功能測試方案

本實驗對這兩個頻率包絡信號以及各自對應的基準脈沖群分兩次發射，發射前的調制方式改為基準脈沖群與包絡信號相加。發射時方位角信息一致。這樣通過示波器測量并計算基準脈沖群與包絡信號的重疊點處的角度就能分析計算出方位角，并與設定信息比照。如果計算結果與設定值變化趨勢一致，就基本達到實驗驗證的目的。具體的解算過程為：設程序中設定的方位角為φ，接收解算出15 Hz信號的方位角為φ15，135 Hz信號的方位角為φ135。15 Hz信號一個周期對應平面空間360°，現將360°方位劃分為每40°一個區間，共九個區間，區間與方位角的對應關系如表1所示粗測部分確定方位角在哪個方位區間內，精測部分精確測量，二者結合得出最終方位角。對于精測方位角解算，首先確定基準脈沖群與包絡信號交疊處包絡斜率符號，然后測量交疊處幅值大小，反正弦算出對應的角度，對應表信息，確定精測方位角。將粗測方位角和精測方位角代入式(1)中，即可得到最終方位角。

表1 區間與方位角的對應關系表區間號角度范圍

5.1.2 延遲應答測試方案

本程序在接收到詢問信號后會設定模擬距離，也就是設定一定的延時，最終將詢問信號與應答信號一起發射出去，以便于示波器測量二者之間的時差。限于實驗條件，詢問信號由軟件仿真產生。示波器接收測量延遲時間，然后代入式(2)，就可以解算出距離。

5.2 實驗測試

5.2.1 測向功能測試

利用示波器對方位信號的角度信息進行驗證。從15 Hz包絡與主基準波形圖可以得到方位角位于第三區間，即在80°～120°之間，從135 Hz包絡與輔基準波形圖測出精測角度后除以9，再與80°相加即可得到方位角的測量值。如圖18所示，為方位角設定為110°時示波器接收波形圖。

圖18 方位角設定為110°時示波器接收波形圖

根據解算方法，對每一個區間都取一個角度，各進行100次等時間間隔測試，分別解算并求平均值，最后給出誤差絕對值。并繪制誤差絕對值表，如表2所示。

表2 方位角誤差絕對值表

5.2.2 距離應答延遲測試

根據實驗方案，利用示波器對發射信號距離應答延遲進行驗證。本實驗以延遲的時間來代表距離。首先對以脈沖對為仿真詢問信號模擬延時100 μs進行測試。 X波道下，地面臺從識別詢問脈沖到產生應答脈沖。固定延時為50 μs，加上代表距離的時間延遲100 μs，從識別詢問脈沖到產生應答脈沖之間時間差應該為150 μs，波形圖如圖19。

圖19 示波器顯示的模擬延時100 us發射的波形圖

塔康測距范圍從幾十千米到幾百千米，取5個距離對應時間延遲進行測試，對每個延遲量分別測試100次，并求平均值，最后給出誤差絕對值。繪制平均誤差絕對值表，如表3所示。

根據以上測試結果，可以看出，距離應答延遲誤差較小，與設定值相差不大，并且誤差變化隨著示波器分辨率降低而增大，主要是觀測誤差。而方位角測量結果與設定值偏差略大。對系統以及整個實驗過程進行分析，得出造成方位角測量較大誤差的原因主要有以下幾點：

表3 應答延遲誤差絕對值表

1)人為因素。本實驗的測試設備主要為示波器。整個操作過程，尤其是測量幅值的過程中，波形放大后觀察判斷數據難以做到準確判斷。這是造成測試結果存在誤差的一個主要原因。

2)硬件因素。本系統基帶信號的產生和調制都是由軟件設計完成的，調制好的數字信號在經過數/模轉換之后，會有低通濾波器對模擬信號低通濾波，低通濾波器的相位特性決定了輸出信號的相位特性，這一過程可能會對方位信號的相位造成一定的延遲。

3)程序原因。本系統脈沖的產生與編碼都是軟件完成的。GNU Radio軟件中脈沖的生成是對矩形脈沖整形濾波得到的。主、輔基準脈沖群的調制在vector source中是以采樣點的形式進行的，主、輔基準脈沖群在周期上不是絕對的9倍關系，隨著發射時間的延長，誤差會逐漸累積，這也是造成誤差的原因之一。但是根據對示波器接收波形的較長時間觀察，基準脈沖群與方位包絡信號相位關系基本相對不變，所以這個因素影響應該不是很大。

綜上所述，對信號模塊的測試，驗證了信號參數及編碼符合塔康導航信號國軍標要求。雖然方位測試有略大的誤差，但基本在預期之內，實驗過程及結果基本驗證系統的功能。

6 結束語

論文采用軟件無線電思想設計實現了塔康系統地面臺的信號模擬系統，通過實驗驗證了信號模擬系統設計的正確性。既滿足了飛機對塔康信號的測試要求，也符合軟件無線電技術思想，為塔康系統的測試提供了一種新的平臺，為塔康系統設備驗收及在生命周期中正常工作提供了重要的保障手段。也為解決飛機航電設備在綜合測試和總裝在線測試中無線電信號的模擬問題奠定了一定基礎；同時，這種基于軟件無線電技術構建的信號模擬系統，稍加改造，也能用于未來新研制或增加機載設備。針對新研制或增加機載設備的開發更多地轉到相應的軟件的開發和設計上來，可大大地降低成本。

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Software Design of TACAN Simulation System

Li Zhaoyang1, Zhang Tianwei1, Zheng Zhicong2

(1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China 2.Chinese Aeronautical Establishment,Luoyang 471009,China)

This paper designs and achieves the TACAN excitation source using software radio technique, based on the testing need of TACAN(Tactical Air Navigation)system. Firstly, this paper introduces the principle of TACAN navigation, including: the principle of direction finding and ranging. Secondly, the demand analysis is given combined with signal character analysis. Then the general design, hardware structure constitution and software module design are finished based on the former analysis, and a software radio platform—USRP N210 is chosen as hardware application platform. Thirdly，the detail design for each signal module is completed and programed on GNU Radio. Finally, the experiment platform for signal simulation system testing is constructed, and each signal module is verified on the platform, as well as the function of TACAN signal simulation system.

software defined radio；TACAN；signal simulation；direction finding

2016-01-16；

2017-02-27。

李朝陽(1992-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事軟件無線電技術方向的研究。

張天偉(1968-)，男，博士，副教授，主要從事機載設備ATE設計和飛行品質評估方向的研究。

1671-4598(2017)07-0159-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.040

TN966

A