基于L波段的寬帶信號偵收與處理

劉永剛 蔣鑫 鄒亮

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川省綿陽市 621000）

根據(jù)IEEE 521-2002標(biāo)準(zhǔn)，L波段是指頻率在1-2 GHz的無線電波波段。有大量的民用和軍用航空電子設(shè)備在使用L波段，包括SSR空管二次雷達(dá)系統(tǒng)、TCAS空中防撞系統(tǒng)、ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)、DEM測距機(jī)、TACAN導(dǎo)航儀、IFF西方體制敵我識別系統(tǒng)等。

發(fā)展L波段偵收技術(shù)，作為主動(dòng)探測雷達(dá)的補(bǔ)充，有助于對空域內(nèi)安裝有上述電子設(shè)備的航空器的發(fā)現(xiàn)和定位追蹤，可以大大提高對空域的安全管理能力和敵我態(tài)勢的判斷能力。

1 L波段的多種電子設(shè)備及其信號特征

1.1 SSR空管二次雷達(dá)系統(tǒng)

空管二次雷達(dá)系統(tǒng)（Secondary surveillance radar，簡稱SSR）能夠精確探測飛機(jī)的方位、高度、速度信息，廣泛運(yùn)用于軍民航路飛行監(jiān)視、日常及軍演飛行保障等空中交通管制領(lǐng)域。

SSR工作原理：由地面或機(jī)載詢問機(jī)發(fā)起詢問，機(jī)載應(yīng)答機(jī)收到詢問后產(chǎn)生應(yīng)答，詢問機(jī)接收到應(yīng)答信號后可以計(jì)算出應(yīng)答機(jī)所在目標(biāo)的位置。如表1所示。

1.2 TCAS空中防撞系統(tǒng)

空中防撞系統(tǒng)（Traffic Collision Avoidance System，簡 稱TCAS）廣泛安裝于中、大型飛機(jī)，用以避免飛機(jī)在空中互相沖撞。

TCAS是基于SSR基礎(chǔ)上發(fā)展而來，其工作模式為M3/C、MS，同樣采用詢問/應(yīng)答的工作方式。

1.3 ADS-B廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B），可以實(shí)時(shí)地從相關(guān)機(jī)載設(shè)備獲取參數(shù)向其他飛機(jī)或地面站廣播飛機(jī)的S模式地址、經(jīng)緯度、高度、速度、航向等信息，以供管制員對飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

ADS-B的信號格式、調(diào)制方式與MS長格式應(yīng)答保持一致，不需要詢問，僅采用廣播發(fā)送和接收的工作方式。

1.4 DME測距機(jī)/TACAN塔康導(dǎo)航系統(tǒng)

測距機(jī)系統(tǒng)(Distance Measuring Equipment，簡稱DME)是一種能夠測量由詢問器到某個(gè)固定應(yīng)答器距離的二次雷達(dá)系統(tǒng)。DME系統(tǒng)安裝在機(jī)場和航路上，是主要的航路導(dǎo)航設(shè)備，它工作在962-1213MHz的L波段，采用脈沖調(diào)制方式由機(jī)載詢問機(jī)向地面信標(biāo)臺發(fā)射詢問脈沖信號，地面信標(biāo)臺接收到詢問脈沖信號后經(jīng)固定延時(shí)后予以應(yīng)答。機(jī)載詢問機(jī)接收到地面信標(biāo)臺應(yīng)答脈沖后，測量發(fā)射詢問脈沖與接收應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔，從而解算出配裝有機(jī)載詢問機(jī)的航空器與地面信標(biāo)臺之間的直線距離。如表2所示。

DME系統(tǒng)信道安排為X和Y兩種信道。X信道編排為1X、2X、......126X，Y信道編排為1Y、2Y、......126Y，一共252個(gè)信道。無論是詢問還是應(yīng)答信道，相鄰兩個(gè)信道頻率間隔為1Mhz，任何一個(gè)信道的發(fā)送和接收頻率差均為±63Mhz。

在1X～63X信道和63Y～126Y信道，應(yīng)答頻率比詢問頻率低63Mhz；在64X～126X信道和1Y～63Y信道，應(yīng)答頻率比詢問頻率高63Mhz，表3為信道和頻率（應(yīng)答）的具體對應(yīng)關(guān)系。

表1：SSR工作原理

表2：DME測距機(jī)/TACAN塔康導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

塔康導(dǎo)航系統(tǒng)（Tactical Air Navigation System，簡稱TACAN）是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)的簡稱，TACAN系統(tǒng)是在DME系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，工作頻點(diǎn)、信道劃分和DME保持一致。

1.5 IFF西方體制敵我識別系統(tǒng)

西方體制敵我識別系統(tǒng)(Identification Friend or Foe，簡稱IFF)從功能上可分為詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)兩個(gè)部分，采用了詢問-應(yīng)答方式，測定目標(biāo)的方位和距離，完成詢問應(yīng)答碼識別，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的敵我屬性識別。如圖4所示。

2 基于L波段的寬帶信號偵收與處理

2.1 寬帶信號偵收

在上一章節(jié)，我們分析了L波段常見的幾種設(shè)備的信號的頻率范圍，絕大部分信號分布在960～1160Mhz頻段內(nèi)，本文針對該頻段信號進(jìn)行偵收，信號帶寬200Mhz，采用960Mhz本振源進(jìn)行混頻得到中頻信號0～200Mhz，再用500Mhz的A/D進(jìn)行采樣得到數(shù)字信號進(jìn)行處理。

2.1.1 FFT幅頻分析

首先對輸入中頻信號按照偵收的單個(gè)信號序列最大時(shí)間深度’n’（約130us）進(jìn)行緩存兩組信號{0～n}、{n/2～3n/2}，分兩路進(jìn)行處理，將緩存信號進(jìn)行FFT頻譜分析，篩選出最多8個(gè)信號幅度排序大的頻點(diǎn)，輸出頻點(diǎn)信息和對應(yīng)的幅度值。如圖1所示。

2.1.2 信號下變頻

上一步FFT結(jié)果可以得到輸入信號的頻率功率譜，通過功率分析，按照功率大小排序，篩選出功率滿足要求的多個(gè)頻點(diǎn)（考慮信號處理資源，可同時(shí)支持8個(gè)），分別進(jìn)行下變頻處理（混頻 + 低通濾波），得到對應(yīng)頻點(diǎn)的基帶I/Q信號。如圖2所示。

2.2 目標(biāo)側(cè)向

偵收信號通常采用干涉儀的方式進(jìn)行目標(biāo)方位的測定，干涉儀測向的實(shí)質(zhì)，是利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。

表3：信道和頻率（應(yīng)答）的具體對應(yīng)關(guān)系

表4：IFF西方體制敵我識別系統(tǒng)工作原理

表5：M1/M2/M3A/B/C/D詢問模式

圖1：FFT信號頻譜分析

圖2：多頻點(diǎn)信號并行下變頻處理

一維相位干涉儀側(cè)向原理如圖3所示，“一維”是指測向天線分布為“線型”，即所有的測向天線陣元都處于同一條直線上，其中(a)描述的是一維單基線相位干涉儀側(cè)向原理，(b)描述的是一維多基線相位干涉儀側(cè)向原理。

二維相位干涉儀側(cè)向原理如圖4所示，“二維”是指測向天線分布為“面型”，即所有的測向天線陣元都處于同一個(gè)平面內(nèi)，其中(a)描述的是天線陣元分布在直角三角形頂點(diǎn)等長基線的三元陣，(b)描述的是天線陣元分布在直角三角形頂點(diǎn)基線長度不等的五元正交雙基線天線陣。

一維相位干涉儀測向公式為：

二維相位干涉儀測向公式為：

其中，θ為來波方位角；β為來波仰角；?1為A0—A1基線相位差；?2為A0—A2基線相位差；λ為來波波長；D為基線長度。

對于同樣長度的基線，比較一維和二維干涉儀側(cè)向公式，可知基線相位差還與仰角有關(guān)。因此，對有仰角的來波進(jìn)行測向時(shí)，一維相位干涉儀的基線相位差還會(huì)因仰角不同而呈現(xiàn)出多值性，從而造成另外一種相位模糊，而二維相位干涉儀則不存在這種相位模糊。

利用公式（2）、公式（3）可以推到出來波入射方位角θ和來波入射仰角β：

（1）一維干涉儀測向存在以下缺陷：

由sinθ的對稱性可以看出，一維相位干涉儀測向的測向方位角范圍只能為[-90°，+90°]，存在無法區(qū)分前方與后方的缺點(diǎn)，即前方來波和后方來波以相同夾角入射到基線形成的基線相位差無區(qū)別。

一維相位干涉儀測向僅適合于來波入射方向與基線不存在的仰角的測向場合。式（1）中僅針對俯仰角等于零的情形，如果存在仰角，則等式（1）不成立，如沿用此式計(jì)算方位角，會(huì)引起額外的測向誤差。

因此，一維相位干涉儀不適用于來波有仰角的測向場合，例如：機(jī)載測向、地對空目標(biāo)測向、短波天波測向等。

（2）二維單基線相位干涉儀與一維相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

二維相位干涉儀可360°全方位測向，而一維干涉儀只能180°測向；

與一維相位干涉儀相同，當(dāng)D < λ/2時(shí)，基線相位差不會(huì)超出[-180，+180]范圍，無相位多值，可得到真實(shí)來波方向；D > λ/2時(shí)，存在相位多值，造成測向多值;

一維相位干涉儀只能測方位，且存在因仰角引起的相位模糊;而二維相位干涉儀可同時(shí)測方位與仰角，不存在因仰角引起的相位模糊；

在D < λ/2條件下，基線長度越長，測向精度越高。

（3）二維多基線相位干涉儀與二維單基線相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

單基線一對單元天線在D > λ/2時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相位模糊，進(jìn)而產(chǎn)生測向的多值現(xiàn)象。在二維多基陣列中，我們可以選取多個(gè)天線對，一個(gè)天線對可以通過測量相位差得到測向值（多值），通過對每個(gè)天線對所得到的測向值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，可以確定唯一真實(shí)的測向值，消除測向的多值現(xiàn)象。這個(gè)過程可以看成聯(lián)合多個(gè)天線對得到方程組，盡管每個(gè)方程組是多解的，我們還可以通過求解方程組的方法求得唯一解。因此，二維多基線干涉儀天線陣單元間距不受小于半波長工作波長的約束，這樣可以覆蓋更寬的頻段。同時(shí)提高測向的精度。

圖3：一維干涉儀原理圖

圖4：二維干涉儀原理圖

2.3 目標(biāo)信號解析

針對不同頻點(diǎn)對應(yīng)的已知類型信號的格式，分別對下變頻得到的的數(shù)字I/Q信號進(jìn)行解析，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.3.1 1030Mhz目標(biāo)信號

該頻點(diǎn)的信號有SSR常規(guī)模式詢問、S模式詢問、模式4詢問、模式5詢問等。

（1）SSR詢問信號。

SSR詢問信號由不同間隔的脈沖序列組成。如圖5所示，脈沖序列包含P1/P3/P4三個(gè)脈沖，M1/M2/M3A/B/C/D詢問模式不包含P4脈沖，他們的差別在于P1和P3間隔不同，A/S和C/S全呼叫模式含有P4脈沖。如表5所示。

（2）S模式詢問。

S模式詢問信號由P1、P2、P6三個(gè)脈沖組成，其中P6分為長格式（含112位DPSK調(diào)制信號）和短格式（56位DPSK調(diào)制信號），UF-0、UF-4、UF-5、UF-11為短格式S模式詢問,UF-16、UF-20、UF-21、UF-24為長格式S模式詢問。

S模式詢問信號示意圖如圖6所示。

P6脈沖持續(xù)時(shí)間：短格式（16.25± 0.125）μs、長格式（30.25 ± 0.125）μs。

（3）模式4詢問。

M4模式詢問信號示意圖如圖7所示。

P1/P2/P3/P4為同步脈沖，P5為SLS(旁瓣抑制)脈沖，P6～P37為加密信息脈沖。

相鄰脈沖間距為2±0.1μs，脈沖寬度為0.5±0.1μs。

（4）模式5詢問。

M5模式詢問信號示意圖如圖8所示。

P1/P2/P3/P4為同步脈沖，I1/I2為旁瓣抑制脈沖，D1～D11為詢問數(shù)據(jù)符號脈沖，每個(gè)脈沖由：2個(gè)RUN-IN碼片、1個(gè)參考碼片、16位碼片信息、3個(gè)RUN-OUT碼片，共22位碼片組成，每個(gè)脈沖至少包括參考碼片和信息碼片共17位碼片，每位碼片寬度62.5ns，脈沖寬度1.0625μs～1.375μs。

圖5：M1/2/3(A/B/C/D)模式詢問信號示意圖

圖6：DPSK調(diào)制方式的S模式詢問信號示意圖

圖7：標(biāo)準(zhǔn)的M4模式詢問信號示意圖

P1/P2/P3/P4和I1/I2，每個(gè)脈沖的擴(kuò)頻碼值為7889(十六進(jìn)制)。

S1/S2/S3分別為前導(dǎo)P1/P2/P3同步脈沖固定位置與抖動(dòng)位置之間的“抖動(dòng)”間隔(S1:0～2.875us，S2:0～2.875us ,S3:0～1.375us)，詢問信號的總長度位于121.75us和124.625us之間。

2.3.2 1090頻點(diǎn)偵收信號

該頻點(diǎn)的信號有SSR常規(guī)模式應(yīng)答、S模式應(yīng)答、ADS-B、模式4應(yīng)答、模式5應(yīng)答等。

圖8：M5模式詢問信號示意圖

圖9：SSR應(yīng)答信號示意圖

圖10：S模式應(yīng)答波形示意圖

圖11：M4模式應(yīng)答信號示意圖

（1）SSR常規(guī)模式應(yīng)答。

SSR應(yīng)答碼由16個(gè)信息碼組成，這些碼位的代碼依次是F1、C1、A1、C2、A2、C4、A4、X、B1、D1、B2、D2、B4、D4、F2和SPI；F1和F2是框架脈沖，間隔20.3us；SPI是特殊位置識別碼。

SSR應(yīng)答信號示意圖如圖9所示。

框架脈沖F1、F2、框架脈沖內(nèi)各信息脈沖寬度均為（0.45 ± 0.10）μs，框架脈沖F1、F2及各信息脈沖間隔均為（1.45 ± 0.1）μs，框架脈沖F2與SPI的間隔為（4.35 ± 0.10）μs，X脈沖為備用脈沖。

（2）S模式應(yīng)答/ADS-B。

S模式應(yīng)答/ADS-B信號由4個(gè)前導(dǎo)脈沖和112位（長格式）/56位（短格式）數(shù)據(jù)位組成，DF-0、DF-4、DF-5、DF-11為短格式S模式應(yīng)答,DF-16、DF-20、DF-21、DF-24為長格式S模式應(yīng)答，DF-17、DF-18、DF-19為ADS-B信號（長格式）。

S模式應(yīng)答信號示意圖如圖10所示。

S模式應(yīng)答前導(dǎo)脈沖寬度均為（0.5 ± 0.05）μs；S模式4個(gè)應(yīng)答前導(dǎo)脈沖相對位置為（0.0 ± 0.05）μs、（1.0 ± 0.05）μs、（3.5 ± 0.05）μs以及（4.5 ± 0.05）μs；S模式應(yīng)答脈沖序列的數(shù)據(jù)塊與首個(gè)前導(dǎo)脈沖間隔為（8.0 ± 0.05）μs；S模式應(yīng)答脈沖序列的數(shù)據(jù)脈沖組由56或者112個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，數(shù)據(jù)塊內(nèi)每個(gè)信息段寬度為（1.0 ± 0.05）μs；據(jù)塊內(nèi)每個(gè)信息段里，分為前后兩部分，寬度均為（0.5 ± 0.05）μs，前半部數(shù)分脈沖為0時(shí)，代表二進(jìn)制邏輯0，為1時(shí)，代表二進(jìn)制邏輯1。

（3）模式4應(yīng)答。

M4模式應(yīng)答信號示意圖如圖11所示。

脈沖寬度(E1、E2、E3)為0.5±0.1μs，脈沖間隔(E1～E2、E2～E3)為1.75±0.1μs，T0位置距接收到M4詢問信號P4的間隔為202μs，應(yīng)答信號距T0位置的隨機(jī)延時(shí)（Tx）為0～60μs。

（4）模式5應(yīng)答。

1.M5一級應(yīng)答

M5模式一級應(yīng)答信號示意圖如圖12所示。

P1/P2為前導(dǎo)同步脈沖，脈沖碼片組成同M5詢問脈沖，擴(kuò)頻碼值為7889；S1表示前導(dǎo)同步脈沖P1固定位置與抖動(dòng)位置之間的“抖動(dòng)”間隔(0～1.875 us)；D1～D9：9個(gè)應(yīng)答數(shù)據(jù)符號(連成一片)，每個(gè)符號16位碼片信息，D1前為2個(gè)RUN-IN碼片和1個(gè)參考碼片，D9后為3個(gè)RUN-OUT碼片，每位碼片寬度62.5ns；應(yīng)答信號的總長度位于14.125us和16us之間；P2距接收到M5詢問信號P4的間隔為固定值480us+隨機(jī)延遲值(0～2.048 ms)。

2.M5二級應(yīng)答/報(bào)告

M5模式二級應(yīng)答信號示意圖如圖13所示。

P1/P2/P3/P4為前導(dǎo)同步脈沖，脈沖碼片組成同M5詢問脈沖，擴(kuò)頻碼值為7889；S1/S2/S3分別表示前導(dǎo)同步脈沖P1/P2/P3固定位置與抖動(dòng)位置之間的“抖動(dòng)”間隔（S1：0～2.875us，S2：0～2.875us，S3：0～1.375us）；D1～D33：33個(gè)數(shù)據(jù)符號(連成一片)，每個(gè)符號16位碼片信息，D1前為2個(gè)RUN-IN碼片和1個(gè)參考碼片，D33后為3個(gè)RUN-OUT碼片，每位碼片寬度62.5ns；應(yīng)答信號的總長度位于61.75us和64.625us之間。

2.3.3 DME/TACAN機(jī)載詢問/應(yīng)答

由于DME/TACAN采用跳頻的方式，詢問/應(yīng)答均可能落在962-1213MHz頻點(diǎn)范圍內(nèi)。如圖14所示。

DME測距機(jī)，由機(jī)載設(shè)備發(fā)射詢問信號，分為X、Y兩個(gè)信道，X信道的脈沖對編碼間隔為12±0.5us，Y信道的脈沖對編碼間隔為36±0.5us，TACAN和DME的詢問格式一致。

DME測距機(jī)，由地面設(shè)備發(fā)射應(yīng)答信號，分為X、Y兩個(gè)信道，X信道的脈沖對編碼間隔為12±0.5us，Y信道的脈沖對編碼間隔為30±0.5us。

圖12：M5模式一級應(yīng)答信號示意圖

圖13：M5模式二級應(yīng)答信號示意圖

圖14：DME詢問/應(yīng)答信號

圖15：輸入中頻信號及其頻譜分析

作為測距設(shè)備使用時(shí)，TACAN的基本脈沖對編碼格式和DME保持一致；

用于側(cè)向時(shí)，編碼脈沖群由一個(gè)主基準(zhǔn)脈沖群和八個(gè)輔基準(zhǔn)脈沖群組成；在X信道，主基準(zhǔn)脈沖群由12對基本脈沖對組成，脈沖對間隔30us，輔基準(zhǔn)脈沖群由6對基本脈沖對組成，脈沖對間隔24us；在Y信道，主基準(zhǔn)脈沖群由13個(gè)連續(xù)脈沖組成，脈沖間隔30us，輔基準(zhǔn)脈沖群由13個(gè)連續(xù)脈沖組成，脈沖間隔15us。

3 Matlab建模仿真與結(jié)果分析

在Matlab環(huán)境下，建立數(shù)據(jù)模型，模擬1030Mhz、1060Mhz、1090Mhz數(shù)據(jù)交織在一起的情況。

圖16：脈沖解調(diào)幅度數(shù)據(jù)

圖17：ASK/DPSK脈沖解碼數(shù)據(jù)

如圖15所示，模擬偵收信號生成數(shù)據(jù)：三種頻率數(shù)據(jù)混疊，1030Mhz（模擬S模式詢問信號編碼）、1060Mhz（模擬S模式應(yīng)答信號編碼）、1090Mhz（模擬ADS-B信號編碼）數(shù)據(jù)經(jīng)過960Mhz頻率源混頻后得到70Mhz、100Mhz、130Mhz數(shù)據(jù)，采樣率500Mhz。

如圖16和圖17所示，通過FFT篩選出偵收信號頻率值，按照不同的頻率分別進(jìn)行下變頻處理，再按照各自信號的調(diào)制特性進(jìn)行解調(diào)和解碼，最終恢復(fù)出偵收信號的幅頻特征和編碼特征。

4 結(jié)論

本文針對L波段內(nèi)幾種常見的電磁信號的幅頻特性，提出了一種信號寬帶偵收和解譯處理的方法，可以將帶寬200Mhz內(nèi)的信號通過FFT、下變頻和特定解碼的方式將信號的幅頻特性、編碼特性準(zhǔn)確的提取出來，并通過干擾儀側(cè)向的方式定位出目標(biāo)信號的方向，達(dá)到對L波段信號偵收的目的。