王鼎，章小梅，欒寶寬

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

塔康是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航（Tactical Air Navigation，TACAN）的英文縮寫(xiě)的音譯名稱(chēng)，該系統(tǒng)采用極坐標(biāo)定位原理，主要有距離測(cè)量、方位測(cè)量和臺(tái)識(shí)別三個(gè)功能。塔康系統(tǒng)主要由地面信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備組成，發(fā)射的信號(hào)是一系列有序的高斯形脈沖，它正是通過(guò)發(fā)射和接收高斯脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能的。

塔康采用的是詢問(wèn)/回答式雙程脈沖測(cè)距原理，由機(jī)載設(shè)備和地面信標(biāo)配合來(lái)完成測(cè)距。首先，機(jī)載設(shè)備發(fā)出測(cè)距詢問(wèn)脈沖，地面信標(biāo)接收到詢問(wèn)脈沖后，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)固定延時(shí)0t，發(fā)出測(cè)距應(yīng)答脈沖，具體如圖1（a）所示。這樣，機(jī)載設(shè)備就可以測(cè)量出從發(fā)出詢問(wèn)脈沖到接收到應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔總t，如圖1（b）所示。由于無(wú)線電波傳播的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛機(jī)的飛行速度，飛機(jī)與地面信標(biāo)之間的距離R在時(shí)間總t內(nèi)可以認(rèn)為是不變的，那么距離R就可以利用下面的式（1）計(jì)算出來(lái)。

從測(cè)距原理可以看出，塔康是通過(guò)測(cè)量時(shí)間來(lái)完成距離測(cè)量的。要進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，就必須先確定一個(gè)時(shí)間上的參考點(diǎn)，即測(cè)距定時(shí)點(diǎn)。而高斯脈沖本身是有寬度的，并且這個(gè)寬度對(duì)塔康測(cè)距而言是不能忽略的，定時(shí)的精度直接影響測(cè)距的精度。

圖1 塔康測(cè)距原理示意圖

為了保證定時(shí)點(diǎn)的穩(wěn)定可靠性，塔康地面信標(biāo)通過(guò)對(duì)接收到的高斯脈沖進(jìn)行半幅探測(cè)來(lái)獲取定時(shí)點(diǎn)。

1 半幅探測(cè)的原理與實(shí)現(xiàn)

所謂半幅探測(cè)，就是將高斯脈沖前沿半幅度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)作為測(cè)距定時(shí)點(diǎn)。半幅探測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理是：首先取高斯脈沖峰值VP的一半（即VP/2）作為參考電壓，然后將高斯脈沖和參考電壓分別加到比較器的正相輸入端和反相輸入端，比較器就會(huì)輸出一個(gè)矩形脈沖，即半幅探測(cè)脈沖，并且該脈沖的前沿與高斯脈沖前沿的半幅度點(diǎn)在時(shí)間上是對(duì)齊的，塔康地面信標(biāo)正是以半幅探測(cè)脈沖的前沿作為定時(shí)點(diǎn)的，實(shí)際上也就是以高斯脈沖前沿的半幅度點(diǎn)作為定時(shí)點(diǎn)。

塔康地面信標(biāo)之所以取VP/2作為參考電壓，主要原因是：如果參考電壓選取得過(guò)小，則定時(shí)點(diǎn)容易受脈沖底部噪聲的干擾；如果參考電壓選取得過(guò)大，由于高斯脈沖包絡(luò)頂部的斜率較小，同樣的幅度誤差就會(huì)引入更大的定時(shí)誤差。而在高斯脈沖的半幅度點(diǎn)處，幅度誤差對(duì)定時(shí)點(diǎn)的影響較小，同時(shí)又能有效避免底部噪聲的干擾，定時(shí)點(diǎn)比較穩(wěn)定可靠。

但在實(shí)際中，為了保證信標(biāo)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，必須先對(duì)接收到的高斯脈沖進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，然后再對(duì)對(duì)數(shù)脈沖進(jìn)行處理。

對(duì)高斯脈沖的半幅度VP/2取以10為底的對(duì)數(shù)

在式（2）中，lgPV相當(dāng)于對(duì)數(shù)脈沖的峰值，該式表明對(duì)數(shù)脈沖峰值以下 0.3V處的點(diǎn)與高斯脈沖的半幅度點(diǎn)是對(duì)應(yīng)的。所以，參考電壓應(yīng)取在對(duì)數(shù)脈沖峰值以下 0.3V處。我們把對(duì)數(shù)脈沖峰值以下0.3V處的點(diǎn)也稱(chēng)為“半幅度點(diǎn)”。

圖2為半幅探測(cè)電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 半幅探測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖

半幅探測(cè)電路的工作過(guò)程：對(duì)數(shù)脈沖經(jīng)過(guò)射隨器的隔離之后分為完全相同的兩路，其中一路經(jīng)過(guò)補(bǔ)償調(diào)節(jié)和半幅調(diào)節(jié)之后進(jìn)入峰值檢波電路，峰值檢波的輸出作為參考電壓加到比較器的一個(gè)輸入端；由于峰值檢波電路的積分響應(yīng)特性，峰值檢波電壓平直部分的到來(lái)時(shí)刻總是滯后于對(duì)數(shù)脈沖的起始時(shí)刻，為了保證兩路信號(hào)的同步，另外一路對(duì)數(shù)脈沖必須先經(jīng)過(guò)延時(shí)線，然后再送入比較器；兩路信號(hào)比較之后，輸出一個(gè)負(fù)脈沖，反相之后變?yōu)檎}沖，也就是半幅探測(cè)脈沖。半幅探測(cè)脈沖的后沿觸發(fā)一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)約 μs3 的正脈沖，使放電管V1導(dǎo)通，峰值檢波電路的檢波電容通過(guò)三極管放電，放電之后峰值檢波電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一個(gè)對(duì)數(shù)脈沖的到來(lái)。輸出的半幅探測(cè)脈沖送入解碼延時(shí)單元，進(jìn)行下一步的處理。

2 幅度誤差對(duì)測(cè)距精度的影響

為了保證定時(shí)點(diǎn)的準(zhǔn)確性，就必須使參與比較的兩路信號(hào)的幅度差滿足要求，也就是使參考電壓比對(duì)數(shù)脈沖的峰值低0.3V。在半幅探測(cè)電路中，這一點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整三個(gè)電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一是通過(guò)調(diào)整靜噪偏壓電位器 RP1，使-8.4V分壓之后得到的直流電壓為-0.3V，以抑制脈沖底部的噪聲抖動(dòng)；二是調(diào)整補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器RP3，使該路對(duì)數(shù)脈沖分壓之后的幅度與另外一路對(duì)數(shù)脈沖經(jīng)過(guò)延時(shí)線之后的幅度相等；三是調(diào)整半幅調(diào)節(jié)電位器RP2，使比較器兩個(gè)輸入端，峰值檢波電壓的平直部分比對(duì)數(shù)脈沖的峰值低0.3V。

在設(shè)備使用過(guò)程中，由于調(diào)整不當(dāng)或者電路元件損壞等原因，參考電壓與對(duì)數(shù)脈沖峰值的幅度關(guān)系就會(huì)發(fā)生偏差，從而導(dǎo)致定時(shí)誤差，進(jìn)而造成測(cè)距誤差。

高斯脈沖的包絡(luò)可以表示為

根據(jù)GJB914-90的要求，塔康系統(tǒng)高斯脈沖的半幅寬度應(yīng)為 μs5.05.3 ± ，則對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的高斯脈沖應(yīng)該有

計(jì)算可得，226.0≈β，式（3）就可以改寫(xiě)為

對(duì)數(shù)脈沖的包絡(luò)可以表示為 )(lg)(0tutu= ，將式（5）代入整理后得到

為了計(jì)算方便，令0τ=，對(duì)式（6）求導(dǎo)得出

由于對(duì)數(shù)脈沖的包絡(luò)上，某一點(diǎn)的斜率也就反映了該點(diǎn)處的定時(shí)誤差Δt與參考電壓的幅度誤差Δu之間的關(guān)系。所以在“半幅度點(diǎn)”處，Δu(V)/Δt(μs)=0.35，即Δt(μs)/Δu(V)≈3。

假設(shè)參考電壓的幅度誤差僅為0.1V，對(duì)應(yīng)的定時(shí)誤差大約為 0.3 μs，根據(jù)塔康的測(cè)距公式（不考慮其它因素），引入的測(cè)距誤差為45m。將45m的測(cè)距誤差與塔康的測(cè)距精度進(jìn)行比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，參考電壓的幅度誤差對(duì)測(cè)距精度的影響是非常明顯的，因此參考電壓調(diào)整的準(zhǔn)確性是保證測(cè)距精度的關(guān)鍵因素。

3 脈沖寬度對(duì)定時(shí)點(diǎn)的影響

前面主要討論了設(shè)備自身的信號(hào)處理對(duì)測(cè)距精度可能帶來(lái)的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，影響塔康測(cè)距精度的因素有很多，其中一種很重要的因素就是多徑干擾。

由于障礙物和地面對(duì)信號(hào)的反射，進(jìn)入塔康信標(biāo)接收機(jī)輸入端的信號(hào)是直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)的疊加信號(hào)，不同的傳播路徑對(duì)測(cè)距詢問(wèn)脈沖對(duì)的影響也是不同的，大致可以分為三種情況，如圖3所示。

第一種情況是，多徑信號(hào)A的延遲時(shí)間小于脈沖寬度，多徑信號(hào)脈沖對(duì)的第一個(gè)脈沖與直達(dá)信號(hào)脈沖對(duì)的第一個(gè)脈沖同時(shí)到達(dá)信標(biāo)接收機(jī)的輸入端，就會(huì)導(dǎo)致脈沖波形的畸變和展寬。第二種情況是，多徑信號(hào)B的延遲時(shí)間大于脈沖寬度，同時(shí)小于脈沖對(duì)內(nèi)兩脈沖的間隔。第三種情況是，多徑信號(hào)C的延遲時(shí)間大于脈沖對(duì)內(nèi)兩脈沖的間隔。

后兩種情況，可能會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)對(duì)測(cè)距詢問(wèn)脈沖對(duì)的“錯(cuò)誤跟蹤”，但接收機(jī)的解碼延時(shí)電路能夠在一定程度上抑制這類(lèi)干擾，一般不會(huì)對(duì)測(cè)距精度造成影響。

對(duì)于第一種情況，如果半幅探測(cè)電路對(duì)變形的高斯脈沖進(jìn)行處理，輸出半幅探測(cè)脈沖前沿的位置即定時(shí)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生誤差，從而引入測(cè)距誤差。同時(shí)半幅探測(cè)脈沖的寬度也會(huì)因?yàn)槎鄰叫盘?hào)而展寬，并且半幅探測(cè)脈沖的寬度與定時(shí)點(diǎn)的位置存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)多徑時(shí)延較小時(shí)，多徑信號(hào)影響的是高斯脈沖前沿，半幅探測(cè)脈沖會(huì)展寬，也會(huì)引入定時(shí)誤差，對(duì)測(cè)距精度產(chǎn)生影響；當(dāng)定時(shí)誤差較大時(shí)，多徑信號(hào)影響是高斯脈沖后沿，半幅探測(cè)脈沖的寬度進(jìn)一步增大，超過(guò)臨界寬度值τ，但不會(huì)引入定時(shí)誤差，將不會(huì)影響測(cè)距精度。

這樣，我們就可以在半幅探測(cè)單元中設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字延時(shí)補(bǔ)償電路，原理如圖4所示。其中，半幅探測(cè)脈沖的寬度T與定時(shí)誤差tΔ之間的關(guān)系以及臨界寬度值τ，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真獲得。

圖4 數(shù)字延時(shí)補(bǔ)償原理示意圖

如圖4所示，首先對(duì)半幅探測(cè)脈沖進(jìn)行寬度測(cè)量，然后判斷寬度T是否滿足條件τ≤≤Tμs5.3。如果不滿足條件，就認(rèn)為定時(shí)誤差0Δ=t，不進(jìn)行補(bǔ)償控制；如果滿足條件，計(jì)算定時(shí)誤差tΔ，再利用定時(shí)誤差tΔ去控制解碼延時(shí)單元的可調(diào)數(shù)字延時(shí)器的延時(shí)時(shí)間，對(duì)定時(shí)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而在一定程度上提高塔康的測(cè)距精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在深入分析塔康系統(tǒng)測(cè)距過(guò)程中采用的定時(shí)方法和塔康地面信標(biāo)半幅探測(cè)電路工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論推導(dǎo)，得到了定時(shí)誤差與參考電壓幅度誤差之間的定量關(guān)系Δt(μs)/Δu(V)≈3；另外還進(jìn)一步探討了多徑干擾對(duì)塔康測(cè)距精度的影響，根據(jù)半幅探測(cè)脈沖寬度T與定時(shí)誤差Δt之間的關(guān)系，判斷是否滿足條件3.5μs≤T≤τ，并計(jì)算Δt，用于控制延時(shí)時(shí)間，從而減小定時(shí)誤差對(duì)測(cè)距精度的影響。

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