某機(jī)載導(dǎo)航信號(hào)角度參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)

陸強(qiáng)　孫昊　程翊昕

摘要：本文介紹了一種針對(duì)導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)的集成數(shù)字化角度參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)解決方案，最終解決了相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)溯源問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)導(dǎo)航產(chǎn)品的校準(zhǔn)溯源。

關(guān)鍵詞：引導(dǎo)信號(hào);機(jī)載導(dǎo)航;校準(zhǔn)技術(shù)

中圖分類號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0131-01

測(cè)角信號(hào)由前導(dǎo)碼、扇區(qū)信號(hào)、“往”掃時(shí)隙、暫停時(shí)間和“返”掃時(shí)隙組成。其中：前導(dǎo)碼和扇區(qū)信號(hào)是采用DPSK調(diào)制方式的數(shù)字調(diào)制信號(hào)，機(jī)載設(shè)備可通過(guò)前導(dǎo)碼識(shí)別仰角和方位角?！巴睊邥r(shí)隙和“返”掃時(shí)隙是采用幅度調(diào)制的模擬調(diào)制信號(hào)，往返脈沖的時(shí)間間隔經(jīng)過(guò)換算即為方位角和仰角信息。

地面/艦載設(shè)備按照精確的時(shí)分多路復(fù)用格式發(fā)射各類調(diào)制后的數(shù)據(jù)信號(hào)和角度引導(dǎo)信號(hào)，并在覆蓋扇區(qū)內(nèi)快速往返掃描，覆蓋區(qū)內(nèi)任何一架裝有機(jī)載設(shè)備的飛機(jī)都能接收到引導(dǎo)信息，當(dāng)往返波束信號(hào)掃過(guò)飛機(jī)所在位置由機(jī)載設(shè)備接收后，通過(guò)解調(diào)和處理，得到所需信息并測(cè)量往返脈沖時(shí)間間隔，計(jì)算出飛機(jī)的方位角和仰角，與精密測(cè)距設(shè)備配合完成著陸。角度和時(shí)間換算關(guān)系如圖1所示。

圖1中T0是飛機(jī)以零角度進(jìn)近時(shí)接收到的往返脈沖包絡(luò)頂部峰值的時(shí)間間隔，是固定值并與信號(hào)的掃描速率有關(guān);t是飛機(jī)以任意角度進(jìn)近時(shí)接收到往掃脈沖和返掃脈沖的時(shí)間間隔。角度計(jì)算公式為：

對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔的最大允許誤差要求根據(jù)下式計(jì)算：

信號(hào)采用模擬調(diào)制的方式產(chǎn)生“往”脈沖信號(hào)和“返”脈沖信號(hào)，這兩個(gè)脈沖信號(hào)的形狀有著嚴(yán)格的定義，1°對(duì)應(yīng)50μs，即0.001°對(duì)應(yīng)50ns。

角度校準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度為0.002°，可計(jì)算得校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)角度信號(hào)包絡(luò)時(shí)間間隔測(cè)量的最大允許誤差應(yīng)小于200ns，因此角度校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方式為信號(hào)包絡(luò)的時(shí)間間隔測(cè)量，如圖2所示。

由此可見(jiàn)為保證測(cè)量精度，雙脈沖的定時(shí)點(diǎn)選取應(yīng)盡可能準(zhǔn)確一致，其誤差直接關(guān)系到角度測(cè)量的準(zhǔn)確程度。在項(xiàng)目研究過(guò)程中試驗(yàn)了數(shù)字信號(hào)求導(dǎo)運(yùn)算法和半幅點(diǎn)定時(shí)法兩種方案來(lái)解決定時(shí)點(diǎn)提取問(wèn)題。

由于脈沖包絡(luò)波形的斜率在信號(hào)上升初期較為陡峭，此時(shí)對(duì)其進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，因此本項(xiàng)目采用半幅點(diǎn)來(lái)確定往返脈沖的時(shí)間點(diǎn)。將脈沖信號(hào)包絡(luò)幅度的半電平點(diǎn)作為雙脈沖統(tǒng)一的定時(shí)點(diǎn)，能夠大幅減小頂部平坦帶來(lái)的定時(shí)誤差。由于脈沖包絡(luò)波形的斜率在信號(hào)上升初期較為陡峭，此時(shí)對(duì)其進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

首先，測(cè)量脈沖包絡(luò)峰值電平，記為V0;

其次，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，通過(guò)采樣率計(jì)算電平值為V0/2的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)刻;

最后，對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值處理，精確計(jì)算雙脈沖時(shí)間間隔。

同時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，利用高斯白噪聲期望值為零的特性，采用平均的方法去除噪聲的影響，選擇合理的平均次數(shù)可以使信號(hào)在不失真的情況下大幅減小重疊噪聲，對(duì)消除廣泛范圍的噪聲可以達(dá)到其他方法無(wú)法達(dá)到的效果。

數(shù)字化模塊采集到的信號(hào)幅度由信號(hào)幅度A（t）和噪聲幅度N（t）相加，即：

在采樣周期內(nèi)，任何采樣點(diǎn)的幅度值是噪聲和信號(hào)的和，即：

m次重復(fù)后相加的值和為：

在采樣點(diǎn)i位置的信號(hào)組成部分周期相同。如果信號(hào)穩(wěn)定，掃描十分均衡，在采集m次脈沖后，信號(hào)幅值是各時(shí)間位置的m倍：

在隨機(jī)干擾條件下，假定信號(hào)與噪聲沒(méi)有聯(lián)系，噪聲幅度相加的值為0 ，假設(shè)第i次采樣噪聲的均方差值為，則：

則m個(gè)周期后的噪聲與信號(hào)幅度比為：

因此，在平均m次的情況下，噪聲與信號(hào)幅度比會(huì)降低倍，很好的解決了信號(hào)抖動(dòng)過(guò)大、幅度不穩(wěn)定的問(wèn)題。

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An Airborne Navigation Signal Angle Parameter Calibration Technique

LU Qiang，SUN Hao，CHENG Yi-xin

（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an Shaanxi? 710068）

Abstract：This paper introduces an integrated digital angle parameter calibration technology solution for the navigation test system， which finally solves the calibration traceability problem of the relevant test system and realizes the calibration traceability of related navigation products.

Key words：pilot signal; airborne navigation; calibration technique