多脈沖群組合的TACAN空/地信號(hào)仿真實(shí)現(xiàn)*

郝彥超,侯 進(jìn),王祥宇,楊宗源,文志龍,李天宇,李昀喆

(1.西南交通大學(xué) a.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.綜合交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,成都 611756;2.西南交通大學(xué)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(guān)鍵模塊,目前在各國(guó)的多種軍用設(shè)備上已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣,擁有大量機(jī)載設(shè)備用戶,其中包括美國(guó)的F-16戰(zhàn)機(jī)。TACAN系統(tǒng)的空/地模式可用于飛行導(dǎo)航,空/空模式可用于空中設(shè)備間通信,因此對(duì)TACAN導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行分析有十分重要的軍事價(jià)值和意義[1-2]。

TACAN導(dǎo)航系統(tǒng)分為機(jī)載設(shè)備和TACAN地面支持設(shè)備(TACAN信標(biāo))兩個(gè)部分。該導(dǎo)航系統(tǒng)基于脈沖調(diào)制技術(shù),使用了極坐標(biāo)(ρ,θ)來表示設(shè)備距離和設(shè)備所在方位。其中,距離ρ通過二次雷達(dá)測(cè)距獲取,設(shè)備方位角θ則是通過旋轉(zhuǎn)天線所產(chǎn)生的多波瓣方向性圖來獲取。

目前,大多TACAN信號(hào)的仿真設(shè)計(jì)基于兩種方法:一類如文獻(xiàn)[1-3]中的方式,使用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模擬,具有較高的精度,但仿真需要設(shè)計(jì)和搭建相應(yīng)的硬件平臺(tái),過程相對(duì)復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)要求較高;另一類如文獻(xiàn)[4]中的方式,采用Simulink等仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),通過檢測(cè)脈沖對(duì)的發(fā)送時(shí)刻來決定脈沖是否進(jìn)行發(fā)送,雖然可以模擬固定周期內(nèi)的脈沖信號(hào),但是存在部分問題無法解決,作者使用該方式進(jìn)行信號(hào)仿真時(shí)并未對(duì)TACAN信號(hào)中的隨機(jī)脈沖對(duì)進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn),因此整個(gè)TACAN信號(hào)實(shí)現(xiàn)并不完整;同時(shí),在加入隨機(jī)脈沖對(duì)后,脈沖群間產(chǎn)生的脈沖重疊問題也難以解決。為了補(bǔ)充上述仿真方案設(shè)計(jì)的不足,同時(shí)降低TACAN信號(hào)的仿真實(shí)現(xiàn)的難度,本文設(shè)計(jì)了一種基于脈沖群組合的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)TACAN信號(hào)的仿真。該方式基于TANCAN信號(hào)的基本特點(diǎn),分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的脈沖群信號(hào),并通過信號(hào)組合的方式合成了完整的TACAN信號(hào)源數(shù)據(jù)。經(jīng)過信號(hào)采集設(shè)備對(duì)TACAN仿真信號(hào)的采集和多組測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證,該方式產(chǎn)生的仿真信號(hào)數(shù)據(jù)基本符合TACAN信號(hào)的偵收要求。

TACAN信號(hào)主要包括空/地、空/空兩類模式[5],由于本文仿真TACAN信號(hào)的目的是為信號(hào)偵收系統(tǒng)提供目標(biāo)信號(hào)輸入,因此主要以空/地X、空/地Y兩種模式進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。該仿真通過模擬真實(shí)環(huán)境中TACAN VOR系統(tǒng)下的信號(hào)特點(diǎn),幫助偵收系統(tǒng)獲取到TACAN信號(hào)源的關(guān)鍵方位信息。

1 TACAN信號(hào)特點(diǎn)

原始TACAN信號(hào)采用高斯型調(diào)制脈沖[6],同時(shí)以脈沖對(duì)的形式進(jìn)行編碼。根據(jù)不同脈沖對(duì)的時(shí)間間隔和脈沖發(fā)射周期,分別形成了相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)高斯型調(diào)制脈沖函數(shù)實(shí)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(diǎn)的脈沖寬度,理想的高斯型調(diào)制脈沖結(jié)果在τ=3.5 μs時(shí)計(jì)算得出。

TACAN地面設(shè)備通常以15 Hz和135 Hz的復(fù)合調(diào)制旋轉(zhuǎn)場(chǎng)發(fā)射脈沖,因此TACAN信號(hào)生成了15 Hz和135 Hz的脈沖包絡(luò)調(diào)制信號(hào),這些信號(hào)通常由主基準(zhǔn)脈沖群、輔助基準(zhǔn)脈沖群、識(shí)別脈沖對(duì)(識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)+均衡脈沖對(duì))、距離應(yīng)答信號(hào)及隨機(jī)填充脈沖等多種脈沖構(gòu)成[7],各個(gè)脈沖信號(hào)應(yīng)按照上述優(yōu)先次序進(jìn)行發(fā)射,且需要保證在各個(gè)脈沖群發(fā)射期間不允許發(fā)射其他脈沖。TACAN信號(hào)的脈沖包絡(luò)調(diào)制信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:f1為15 Hz;f2為135 Hz;m1、m2分別為兩個(gè)脈沖包絡(luò)的調(diào)制度;θ和φ分別為包絡(luò)信號(hào)的初相。當(dāng)設(shè)備在接收并識(shí)別出基準(zhǔn)脈沖群后,通過計(jì)算主基準(zhǔn)脈沖群15 Hz和135 Hz包絡(luò)零點(diǎn)的相位差,即可得到TACAN的方位信息。在本次實(shí)驗(yàn)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(luò)調(diào)制波形圖

2 TACAN信號(hào)仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)TACAN信號(hào)脈沖群的發(fā)射優(yōu)先級(jí)可知,首先需要對(duì)主基準(zhǔn)脈沖群進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。根據(jù)TACAN信號(hào)的信號(hào)特征,以主基準(zhǔn)脈沖群的產(chǎn)生時(shí)刻作為整個(gè)TACAN信號(hào)脈沖的周期間隔,因此設(shè)計(jì)以0.066 s的信號(hào)作為TACAN信號(hào)的單個(gè)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(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)1 s由3 600對(duì)脈沖組成。其中,900對(duì)脈沖是方位基準(zhǔn)脈沖群(主基準(zhǔn)脈沖群和輔助基準(zhǔn)脈沖群),剩余的2 700對(duì)由識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)、距離應(yīng)答脈沖及隨機(jī)填充脈沖等多種脈沖構(gòu)成。

空/地X模式下的主基準(zhǔn)脈沖群格式如圖2所示,主基準(zhǔn)脈沖群的脈沖間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為12±0.1 μs,脈沖對(duì)間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為30±0.1 μs。主基準(zhǔn)脈沖群共由12個(gè)脈沖對(duì)組成。

圖2 空/地X模式下主基準(zhǔn)脈沖群

空/地X模式下的輔助基準(zhǔn)脈沖群格式如圖3所示,輔助基準(zhǔn)脈沖群的脈沖間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為12±0.1 μs,脈沖對(duì)間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為24±0.1 μs。輔助基準(zhǔn)脈沖群共由6個(gè)脈沖對(duì)組成,一個(gè)周期內(nèi)共有8組輔助脈沖群。

圖3 空/地X模式下主基準(zhǔn)脈沖群+輔基準(zhǔn)脈沖群

空/地X模式下的識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)格式如圖4所示,識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)在該模式下的脈沖間隔為(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)12±0.1 μs,脈沖對(duì)間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為740.7 μs,在每一組識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)后100±10 μs處還應(yīng)包含一組相同的均衡脈沖對(duì)。

圖4 空/地X模式下主基準(zhǔn)脈沖群+輔基準(zhǔn)脈沖群+識(shí)別信號(hào)均衡脈沖對(duì)(識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)+均衡脈沖對(duì))

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

距離應(yīng)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(zhǔn)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(hào)的偵收,因此對(duì)應(yīng)答信號(hào)不做處理。

隨機(jī)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(yīng)的分布規(guī)律[10],當(dāng)詢問脈沖數(shù)增加時(shí)需要自動(dòng)減少隨機(jī)填充信號(hào)以保持TACAN信號(hào)的恒定工作比。

圖5 空/地X模式下主基準(zhǔn)脈沖群+輔基準(zhǔn)脈沖群+識(shí)別信號(hào)均衡脈沖對(duì)(識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)+均衡脈沖對(duì))+隨機(jī)填充脈沖對(duì)

為保證隨機(jī)填充脈沖與上述已經(jīng)存在的其他脈沖信號(hào)不發(fā)生重疊,選擇以下方式實(shí)現(xiàn):在進(jìn)行隨機(jī)填充脈沖設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)記錄中已有的脈沖發(fā)射時(shí)間進(jìn)行判斷,當(dāng)產(chǎn)生隨機(jī)脈沖時(shí),需要判斷該時(shí)刻是否已經(jīng)產(chǎn)生其他脈沖群,如果當(dāng)前時(shí)刻已經(jīng)存在其他脈沖群,則選擇不發(fā)射隨機(jī)填充脈沖;否則,根據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行隨機(jī)發(fā)射。完成隨機(jī)填充脈沖發(fā)射后,最終得到了完整的TACAN信號(hào)。

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(zhǔn)脈沖群和輔助基準(zhǔn)脈沖群的組成不同。對(duì)于空/地Y模式來說,主基準(zhǔn)脈沖群僅由多個(gè)單脈沖構(gòu)成,與空/地X模式下的主基準(zhǔn)脈沖群相比數(shù)量更少,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。單個(gè)周期內(nèi)輔助基準(zhǔn)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(duì)轉(zhuǎn)化為了多個(gè)單脈沖。因此對(duì)于空/地Y模式,僅需改變主基準(zhǔn)脈沖群和輔助基準(zhǔn)脈沖群即可。

在空/地Y模式下,TACAN信號(hào)1 s由7 155個(gè)脈沖組成。其中,1 755個(gè)是方位基準(zhǔn)脈沖群(主基準(zhǔn)脈沖群和輔助基準(zhǔn)脈沖群),剩余的2 700對(duì)由識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)、距離應(yīng)答脈沖及隨機(jī)填充脈沖等多種脈沖構(gòu)成。

在空/地Y模式下的主基準(zhǔn)脈沖群格式如圖6所示,主基準(zhǔn)脈沖間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為30±0.1 μs,共由13個(gè)單脈沖組成。

圖6 空/地Y模式下主基準(zhǔn)脈沖群

空/地Y模式下的輔助基準(zhǔn)脈沖群格式如圖7所示,脈沖間隔(半振幅點(diǎn)之間測(cè)量結(jié)果)為15±0.1 μs,共由13個(gè)單脈沖組成,一個(gè)周期內(nèi)共有8組輔助脈沖群。

空/地Y模式下的識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)、隨機(jī)填充脈沖對(duì)與空/地X模式相同。識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)填充完成后的格式與圖4一致,隨機(jī)信號(hào)脈沖填充后的格式與圖5一致。

2.3 TACAN仿真信號(hào)的調(diào)制

經(jīng)過上述操作,已經(jīng)獲得了TACAN空/地X模式和Y模式下原始基帶信號(hào)數(shù)據(jù)。將TACAN基帶信號(hào)s(w)與公式(2)進(jìn)行點(diǎn)乘處理,就可以得到相應(yīng)的脈沖波形。最終的TACAN信號(hào)調(diào)制的數(shù)學(xué)表示如下:

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

圖8 TACAN空/地X模式下脈沖包絡(luò)調(diào)制波形圖

2.4 TACAN仿真信號(hào)驗(yàn)證

在獲得上述TACAN調(diào)制信號(hào)后,將其保存為IQ基帶數(shù)據(jù),并通過RS(ROHDE&SCHWARZ)公司的SMW200A設(shè)備作為信號(hào)源,將該仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射,同時(shí)使用信號(hào)采集設(shè)備對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集。

通過信號(hào)采集設(shè)備獲取TACAN仿真信號(hào)之后,采用如下流程對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,如圖9所示。IQ數(shù)據(jù)輸入程序后,首先通過包絡(luò)檢波算法獲取到TACAN基帶信號(hào)。 得到TACAN基帶信號(hào)后,通過TACAN信號(hào)類型檢測(cè)算法獲取更加詳細(xì)的信號(hào)特征[11-13],信號(hào)特征主要包括脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖到達(dá)時(shí)間及脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)。由TACAN信號(hào)的特征可知,在360 μs的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)12對(duì)高斯脈沖且當(dāng)脈沖對(duì)間隔為30 μs時(shí),可以判斷該信號(hào)為空/地X模式下的主基準(zhǔn)脈沖群;在144 μs的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)6對(duì)高斯脈沖且脈沖對(duì)間隔為24 μs時(shí),可以判斷該信號(hào)為空/地X模式下的輔基準(zhǔn)脈沖群。同時(shí)需要統(tǒng)計(jì)在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)(主脈沖群只出現(xiàn)一次的時(shí)間間隔)輔基準(zhǔn)脈沖群的數(shù)量是否為8個(gè),滿足上述條件,基本可以判定該信號(hào)為空/地X模式下的TACAN信號(hào)。同理,在390 μs的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)13個(gè)單高斯脈沖且脈沖間隔為30 μs時(shí),可以判斷該信號(hào)為空/地Y模式的主基準(zhǔn)脈沖群;在144 μs的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)13個(gè)單高斯脈沖且脈沖對(duì)間隔為15 μs時(shí),可以判斷該信號(hào)為空/地Y模式下的輔基準(zhǔn)脈沖群。同樣也需要統(tǒng)計(jì)在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)輔基準(zhǔn)脈沖群的數(shù)量是否為8個(gè),滿足這些條件,基本可以判定該信號(hào)為空/地Y模式下的TACAN信號(hào)。

圖9 TACAN信號(hào)識(shí)別流程圖

根據(jù)時(shí)長(zhǎng)劃分了不同數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,均以0.07 s為周期,統(tǒng)計(jì)了在不同時(shí)間長(zhǎng)度下不同仿真類型數(shù)據(jù)的識(shí)別結(jié)果,如表1所示。根據(jù)結(jié)果可知,仿真數(shù)據(jù)的仿真類型與識(shí)別類型完全一致。

表1 TACAN仿真信號(hào)驗(yàn)證結(jié)果

本文中基于多脈沖群組合算法的仿真結(jié)果與使用Simulink等仿真軟件在加入隨機(jī)脈沖信號(hào)后的仿真結(jié)果對(duì)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(zhǔn)脈沖群信號(hào)中并未出現(xiàn)隨機(jī)填充脈沖,而使用Simulink等仿真軟件在加入隨機(jī)脈沖信號(hào)后,主基準(zhǔn)脈沖群信號(hào)中混雜了部分隨機(jī)脈沖信號(hào)。

圖10 TACAN信號(hào)仿真對(duì)比圖

3 結(jié)束語

本文主要以TACAN信號(hào)的偵收為出發(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)了TACAN空/地X模式和空/地Y模式兩類信號(hào)的仿真。該仿真將原始信號(hào)通過拆分成幾種不同的脈沖群分別進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),最終通過多脈沖群組合的方式進(jìn)行了完整的仿真實(shí)現(xiàn)。之后,借助RS公司的SMW200A設(shè)備作為信號(hào)源,對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了發(fā)射,并使用某公司提供的信號(hào)采集設(shè)備對(duì)TACAN信號(hào)進(jìn)行采集,最終通過相應(yīng)的識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)兩類信號(hào)的判斷及信號(hào)參數(shù)獲取。

經(jīng)過對(duì)采集信號(hào)的驗(yàn)證可知,基于多脈沖群組合的TACAN偵收信號(hào)仿真方法滿足該信號(hào)的偵收要求,基本還原了真實(shí)場(chǎng)景中TACAN空/地模式下的信號(hào)特征。在后續(xù)的工作中,將針對(duì)TACAN空/空模式下的仿真實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。