基于相關運算的TACAN信號檢測方法

陳向明 李鑫

摘?要：根據理論設計出不同工作模式下的基準脈沖，作為本地脈沖序列并進行0、1編碼，接收機接收到TACAN信號后，依據相同的規則進行0、1編碼，把本地脈沖編碼序列與接收到編碼序列進行相關，通過相關峰值判斷是否存在TACAN信號。

關鍵詞：TACAN信號;相關峰值;編碼序列

1 概述

導航己成為現代生活中重要的一部分 ， 比如車輛駕駛、信息定位等各個方面，在軍事方面，導航的作用突出了它的重要性。1955 年，美國軍方研制出了近程無線電導航系統，簡稱為塔康（TACAN），塔康的作用是同時完成測位與測距。近程無線電導航系統主要組成部分是機載設備和塔康地面設備，還包括信標模擬器和信標監測器、塔康指示控制設備等，該系統的實現方式是按照地面設備為中心、以 350～500 公里為半徑，從而對在此區域內的飛機進行導航服務，因此又稱航空無線電近程導航系統。

塔康是現代飛機 CNS 系統中不可或缺的環節，其主要作用在于可以實現以下功能：測距、測向和信標臺識別。在實際應用中，需要與塔康機載設備相適應的塔康信標模擬器，從而實現機載設備的測試;模擬信標的設計方式一般采取的是與硬件相結合。隨著技術發展，新的概念不斷被提出，其中之一便是“綜合航電”，它意味著航電測試系統的對象從之前的單一化航電系統轉變為綜合性航電多系統。

2 TCAN信號模型

塔康導航系統所使用的是脈沖調制技術的極坐標（ ρ ， θ ）方式系統，其中距離（ ρ ）測量采用的是詢問 / 問答式脈沖測距技術原理，通常是測量目標與觀測點之間的距離。方位（ θ ）測量是通過信標臺的天線旋轉及向外輻射的強度，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，塔康系統的調制方式有兩種：脈沖調制（PM）以及調幅調制（AM）。

其中調幅調制方式原理如下：主要塔康地面信標臺中央天線經過旋轉，從而生成了輻射信號;輻射信號在經過第一級調制器件后，該調制器件會不斷地旋轉，轉速為每 s15 圈，產生 15 Hz 脈沖包絡調制信號;輻射信號在經過第二級調制器件后，該調制器件會不斷的旋轉，轉速為每 s135 圈，產生 135 Hz 脈沖包絡調制信號。

塔康脈沖包絡 AM 調制信號的函數表達式為：

其中，頻率 f=15 Hz ， A0 ：直流成分。 A1 ， A2 ：15 Hz包絡和 135 Hz 包絡的調制度。

塔康也稱為近程極坐標式無線電導航系統，它可以為飛機提供距離和方位的導航相關信息。其中，方位信號由兩部分構成，基準信號以及包絡信號。

基準信號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脈沖、輔基準脈沖。

塔康系統分為兩種工作模式：X 模式和 Y 模式，工作模式的不同所對應的脈沖序列編碼特征也不一樣。

在 X 工作模式下，它的主基準脈沖是脈沖對編碼序列，脈內時間間隔是 12 μs ，脈沖對時間間隔是 18 μs ;在 Y 工作模式下為 30 μs 。

在 X、Y 工作模式下，它們的輔基準脈沖是連續脈沖序列，其間隔時間分別是12 μs ，15 μs。

本次實驗中以 X 工作模式下為例，對塔康信號完成檢測仿真實驗分析。

3 X模式主基準脈沖序列檢測識別分析

3.1 X模式主基準脈沖本地序列編碼

塔康信號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相應時刻，其意義為脈沖的到達時間。TOA 的兩種物理意義：當前信號的時刻以及當前脈沖與相鄰脈沖和脈沖對之間的間隔時間。這是 TACAN 信號的特征參數之一。

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間差值，也稱為脈沖寬度。PW=3.5±0.5 μs。

PA：脈沖的最高點所對應的數值，即脈沖幅度。主要制約因素有信號功率、以及信號之間的傳輸距離等，PA 可以作為當接收端需要分辨離散出不同信號源的信號的時候重要的參考部分。

脈沖的上升時間=2.0±0.25 μs。

脈沖的下降時間=2.5±0.25 μs。

根據 TCAN 協議，X 工作模式下，它的主基準脈沖序列如圖 3 所示。

假設采樣率為 1 MHz，在 X 工作模式下，對其主基準脈沖序列實現 01 編碼，01 編碼的規則是在脈沖的峰值處為 1，剩余部分為 0，該序列在進行編碼完成后，其值為 [1000000000001，...1000000000001]。

3.2 X模式主基準脈沖序列檢測

接收機接收到信號后，下變頻到基帶 IQ 信號，并求出幅度值，其計算公式如下：

根據幅度門限 thd，在時域上提取出脈沖信號，并進行峰值提取，確定峰值的位置;根據 3.1 中的方法進行脈沖序列量化，量化后的脈沖序列與本地量化后的脈沖序列進行相關運算。當接收到的信號為 X 模式主基準脈沖序列時，最大的相關峰值為 24，考慮到在實際應用中，受到環境影響，存在誤碼的可能，設置相關峰值最小門限為 23，最大門限為 25，若相關峰值落在此門限范圍內的值，則認為檢測到X模式主基準脈沖序列。其檢測流程如圖 4 所示。

4 仿真及結果分析

接收機的采集帶寬為 1 MHz，采樣率 fs 為 1.6 MHz，圖5為通過基帶IQ求出幅度的數據，橫坐標為采樣點數，縱坐標為幅度值，圖 6 為接收序列編碼后與本地編碼序列相關峰值圖，橫坐標為采樣點數，縱坐標為相關峰值。

從圖 5 中可以看出，在 1 356 點處出現了 X 模式主基準脈沖序列，從圖 6 中可以看出，在 1 365 點處存在峰值為 24 的相關峰，說明通過本文中的方法，能夠準確的識別出 TCAN 信號并初步確定 X 模式主基準脈沖序列的起始位置，從而驗證了此方法的可行性。

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