郝彥超,侯 進,王祥宇,楊宗源,文志龍,李天宇,李昀喆

(1.西南交通大學 a.信息科學與技術學院;b.綜合交通大數(shù)據(jù)應用技術國家工程實驗室,成都 611756;2.西南交通大學唐山研究生院,河北 唐山 063000)

0 引 言

TACAN系統(tǒng)作為航空電子信息系統(tǒng)的關鍵模塊,目前在各國的多種軍用設備上已實現(xiàn)大規(guī)模推廣,擁有大量機載設備用戶,其中包括美國的F-16戰(zhàn)機。TACAN系統(tǒng)的空/地模式可用于飛行導航,空/空模式可用于空中設備間通信,因此對TACAN導航信號進行分析有十分重要的軍事價值和意義[1-2]。

TACAN導航系統(tǒng)分為機載設備和TACAN地面支持設備(TACAN信標)兩個部分。該導航系統(tǒng)基于脈沖調制技術,使用了極坐標(ρ,θ)來表示設備距離和設備所在方位。其中,距離ρ通過二次雷達測距獲取,設備方位角θ則是通過旋轉天線所產生的多波瓣方向性圖來獲取。

目前,大多TACAN信號的仿真設計基于兩種方法:一類如文獻[1-3]中的方式,使用硬件平臺實現(xiàn)信號的模擬,具有較高的精度,但仿真需要設計和搭建相應的硬件平臺,過程相對復雜且實現(xiàn)要求較高;另一類如文獻[4]中的方式,采用Simulink等仿真軟件進行仿真設計,通過檢測脈沖對的發(fā)送時刻來決定脈沖是否進行發(fā)送,雖然可以模擬固定周期內的脈沖信號,但是存在部分問題無法解決,作者使用該方式進行信號仿真時并未對TACAN信號中的隨機脈沖對進行仿真實現(xiàn),因此整個TACAN信號實現(xiàn)并不完整;同時,在加入隨機脈沖對后,脈沖群間產生的脈沖重疊問題也難以解決。為了補充上述仿真方案設計的不足,同時降低TACAN信號的仿真實現(xiàn)的難度,本文設計了一種基于脈沖群組合的方式來實現(xiàn)對TACAN信號的仿真。該方式基于TANCAN信號的基本特點,分別設計了相應的脈沖群信號,并通過信號組合的方式合成了完整的TACAN信號源數(shù)據(jù)。經過信號采集設備對TACAN仿真信號的采集和多組測試數(shù)據(jù)驗證,該方式產生的仿真信號數(shù)據(jù)基本符合TACAN信號的偵收要求。

TACAN信號主要包括空/地、空/空兩類模式[5],由于本文仿真TACAN信號的目的是為信號偵收系統(tǒng)提供目標信號輸入,因此主要以空/地X、空/地Y兩種模式進行仿真實現(xiàn)。該仿真通過模擬真實環(huán)境中TACAN VOR系統(tǒng)下的信號特點,幫助偵收系統(tǒng)獲取到TACAN信號源的關鍵方位信息。

1 TACAN信號特點

原始TACAN信號采用高斯型調制脈沖[6],同時以脈沖對的形式進行編碼。根據(jù)不同脈沖對的時間間隔和脈沖發(fā)射周期,分別形成了相應的脈沖群。其中,按照規(guī)定,高斯脈沖前沿為2.5±0.5 μs,后沿為2.5±0.5 μs,寬度為3.5±0.5 μs,這些數(shù)據(jù)依賴于標準高斯型調制脈沖函數(shù)實現(xiàn):

式中:參數(shù)A為高斯脈沖峰值;b=0.5;τ為脈沖半幅度值點的脈沖寬度,理想的高斯型調制脈沖結果在τ=3.5 μs時計算得出。

TACAN地面設備通常以15 Hz和135 Hz的復合調制旋轉場發(fā)射脈沖,因此TACAN信號生成了15 Hz和135 Hz的脈沖包絡調制信號,這些信號通常由主基準脈沖群、輔助基準脈沖群、識別脈沖對(識別信號脈沖對+均衡脈沖對)、距離應答信號及隨機填充脈沖等多種脈沖構成[7],各個脈沖信號應按照上述優(yōu)先次序進行發(fā)射,且需要保證在各個脈沖群發(fā)射期間不允許發(fā)射其他脈沖。TACAN信號的脈沖包絡調制信號的數(shù)學表達式為

式中:f1為15 Hz;f2為135 Hz;m1、m2分別為兩個脈沖包絡的調制度;θ和φ分別為包絡信號的初相。當設備在接收并識別出基準脈沖群后,通過計算主基準脈沖群15 Hz和135 Hz包絡零點的相位差,即可得到TACAN的方位信息。在本次實驗中,規(guī)定m1=0.21,m2=0.21。根據(jù)上述公式,可以得到圖1所示波形圖。

圖1 TACAN脈沖包絡調制波形圖

2 TACAN信號仿真設計

根據(jù)TACAN信號脈沖群的發(fā)射優(yōu)先級可知,首先需要對主基準脈沖群進行仿真設計。根據(jù)TACAN信號的信號特征,以主基準脈沖群的產生時刻作為整個TACAN信號脈沖的周期間隔,因此設計以0.066 s的信號作為TACAN信號的單個周期數(shù)據(jù)。為了仿真數(shù)據(jù)顯示更加完整,以下仿真均選取了0.07 s的信號數(shù)據(jù)進行展示,數(shù)據(jù)的采樣率均為51.2 MHz。

2.1 TACAN空/地X模式仿真

在TACAN空/地X模式下,TACAN信號1 s由3 600對脈沖組成。其中,900對脈沖是方位基準脈沖群(主基準脈沖群和輔助基準脈沖群),剩余的2 700對由識別信號脈沖對、距離應答脈沖及隨機填充脈沖等多種脈沖構成。

空/地X模式下的主基準脈沖群格式如圖2所示,主基準脈沖群的脈沖間隔(半振幅點之間測量結果)為12±0.1 μs,脈沖對間隔(半振幅點之間測量結果)為30±0.1 μs。主基準脈沖群共由12個脈沖對組成。

圖2 空/地X模式下主基準脈沖群

空/地X模式下的輔助基準脈沖群格式如圖3所示,輔助基準脈沖群的脈沖間隔(半振幅點之間測量結果)為12±0.1 μs,脈沖對間隔(半振幅點之間測量結果)為24±0.1 μs。輔助基準脈沖群共由6個脈沖對組成,一個周期內共有8組輔助脈沖群。

圖3 空/地X模式下主基準脈沖群+輔基準脈沖群

空/地X模式下的識別信號脈沖對格式如圖4所示,識別信號脈沖對在該模式下的脈沖間隔為(半振幅點之間測量結果)12±0.1 μs,脈沖對間隔(半振幅點之間測量結果)為740.7 μs,在每一組識別信號脈沖對后100±10 μs處還應包含一組相同的均衡脈沖對。

圖4 空/地X模式下主基準脈沖群+輔基準脈沖群+識別信號均衡脈沖對(識別信號脈沖對+均衡脈沖對)

識別信號信息由摩爾斯碼在上述脈沖群取樣生成,該 信 息 時 長 不 超 過5 s,重 復 周 期 為37.5±3.75 s[8-9]。

距離應答脈沖在空/地X模式下的脈沖格式與空/地X模式下主基準脈沖群的脈沖格式相同,在空/地X模式下,它的脈沖間隔為12±0.1 μs,由于本文僅涉及到TACAN信號的偵收,因此對應答信號不做處理。

隨機填充脈沖在空/地X模式下的脈沖格式如圖5所示,其脈沖間隔為12±0.1 μs,且在不能與其他脈沖沖突的前提下需要滿足相應的分布規(guī)律[10],當詢問脈沖數(shù)增加時需要自動減少隨機填充信號以保持TACAN信號的恒定工作比。

圖5 空/地X模式下主基準脈沖群+輔基準脈沖群+識別信號均衡脈沖對(識別信號脈沖對+均衡脈沖對)+隨機填充脈沖對

為保證隨機填充脈沖與上述已經存在的其他脈沖信號不發(fā)生重疊,選擇以下方式實現(xiàn):在進行隨機填充脈沖設計時,根據(jù)記錄中已有的脈沖發(fā)射時間進行判斷,當產生隨機脈沖時,需要判斷該時刻是否已經產生其他脈沖群,如果當前時刻已經存在其他脈沖群,則選擇不發(fā)射隨機填充脈沖;否則,根據(jù)分布規(guī)律進行隨機發(fā)射。完成隨機填充脈沖發(fā)射后,最終得到了完整的TACAN信號。

2.2 TACAN空/地Y模式仿真

空/地Y模式和空/地X模式最主要的區(qū)別在于主基準脈沖群和輔助基準脈沖群的組成不同。對于空/地Y模式來說,主基準脈沖群僅由多個單脈沖構成,與空/地X模式下的主基準脈沖群相比數(shù)量更少,結構更加簡單。單個周期內輔助基準脈沖群的數(shù)量雖然與空/地X模式下一致,但是脈沖群中的組成也由脈沖對轉化為了多個單脈沖。因此對于空/地Y模式,僅需改變主基準脈沖群和輔助基準脈沖群即可。

在空/地Y模式下,TACAN信號1 s由7 155個脈沖組成。其中,1 755個是方位基準脈沖群(主基準脈沖群和輔助基準脈沖群),剩余的2 700對由識別信號脈沖對、距離應答脈沖及隨機填充脈沖等多種脈沖構成。

在空/地Y模式下的主基準脈沖群格式如圖6所示,主基準脈沖間隔(半振幅點之間測量結果)為30±0.1 μs,共由13個單脈沖組成。

圖6 空/地Y模式下主基準脈沖群

空/地Y模式下的輔助基準脈沖群格式如圖7所示,脈沖間隔(半振幅點之間測量結果)為15±0.1 μs,共由13個單脈沖組成,一個周期內共有8組輔助脈沖群。

空/地Y模式下的識別信號脈沖對、隨機填充脈沖對與空/地X模式相同。識別信號脈沖對填充完成后的格式與圖4一致,隨機信號脈沖填充后的格式與圖5一致。

2.3 TACAN仿真信號的調制

經過上述操作,已經獲得了TACAN空/地X模式和Y模式下原始基帶信號數(shù)據(jù)。將TACAN基帶信號s(w)與公式(2)進行點乘處理,就可以得到相應的脈沖波形。最終的TACAN信號調制的數(shù)學表示如下:

根據(jù)公式可得最終TACAN調制信號波形如圖8所示(此處僅提供了空/地X模式下脈沖包絡調制波形,空/地Y模式下脈沖包絡調制波形與空/地X模式下脈沖包絡調制波形相類似)。

圖8 TACAN空/地X模式下脈沖包絡調制波形圖

2.4 TACAN仿真信號驗證

在獲得上述TACAN調制信號后,將其保存為IQ基帶數(shù)據(jù),并通過RS(ROHDE&SCHWARZ)公司的SMW200A設備作為信號源,將該仿真數(shù)據(jù)進行發(fā)射,同時使用信號采集設備對該信號進行采集。

通過信號采集設備獲取TACAN仿真信號之后,采用如下流程對信號進行識別,如圖9所示。IQ數(shù)據(jù)輸入程序后,首先通過包絡檢波算法獲取到TACAN基帶信號。 得到TACAN基帶信號后,通過TACAN信號類型檢測算法獲取更加詳細的信號特征[11-13],信號特征主要包括脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖到達時間及脈沖群的脈沖個數(shù)。由TACAN信號的特征可知,在360 μs的時間間隔內出現(xiàn)12對高斯脈沖且當脈沖對間隔為30 μs時,可以判斷該信號為空/地X模式下的主基準脈沖群;在144 μs的時間間隔內出現(xiàn)6對高斯脈沖且脈沖對間隔為24 μs時,可以判斷該信號為空/地X模式下的輔基準脈沖群。同時需要統(tǒng)計在一個時間周期內(主脈沖群只出現(xiàn)一次的時間間隔)輔基準脈沖群的數(shù)量是否為8個,滿足上述條件,基本可以判定該信號為空/地X模式下的TACAN信號。同理,在390 μs的時間間隔內出現(xiàn)13個單高斯脈沖且脈沖間隔為30 μs時,可以判斷該信號為空/地Y模式的主基準脈沖群;在144 μs的時間間隔內出現(xiàn)13個單高斯脈沖且脈沖對間隔為15 μs時,可以判斷該信號為空/地Y模式下的輔基準脈沖群。同樣也需要統(tǒng)計在一個時間周期內輔基準脈沖群的數(shù)量是否為8個,滿足這些條件,基本可以判定該信號為空/地Y模式下的TACAN信號。

圖9 TACAN信號識別流程圖

根據(jù)時長劃分了不同數(shù)據(jù)長度,均以0.07 s為周期,統(tǒng)計了在不同時間長度下不同仿真類型數(shù)據(jù)的識別結果,如表1所示。根據(jù)結果可知,仿真數(shù)據(jù)的仿真類型與識別類型完全一致。

表1 TACAN仿真信號驗證結果

本文中基于多脈沖群組合算法的仿真結果與使用Simulink等仿真軟件在加入隨機脈沖信號后的仿真結果對比如圖10所示。從圖中可以看出,使用多脈沖群組合算法生成的主基準脈沖群信號中并未出現(xiàn)隨機填充脈沖,而使用Simulink等仿真軟件在加入隨機脈沖信號后,主基準脈沖群信號中混雜了部分隨機脈沖信號。

圖10 TACAN信號仿真對比圖

3 結束語

本文主要以TACAN信號的偵收為出發(fā)點,設計了TACAN空/地X模式和空/地Y模式兩類信號的仿真。該仿真將原始信號通過拆分成幾種不同的脈沖群分別進行仿真設計,最終通過多脈沖群組合的方式進行了完整的仿真實現(xiàn)。之后,借助RS公司的SMW200A設備作為信號源,對仿真數(shù)據(jù)進行了發(fā)射,并使用某公司提供的信號采集設備對TACAN信號進行采集,最終通過相應的識別算法實現(xiàn)兩類信號的判斷及信號參數(shù)獲取。

經過對采集信號的驗證可知,基于多脈沖群組合的TACAN偵收信號仿真方法滿足該信號的偵收要求,基本還原了真實場景中TACAN空/地模式下的信號特征。在后續(xù)的工作中,將針對TACAN空/空模式下的仿真實現(xiàn)進行研究。