1、第 卷第期空军工程大学学报 年月 收稿日期：作者简介：骆艳卜（），男，山西芮城人，讲师，研究方向为军用无线电导航。：通信作者：王永庆（），男，江苏徐州人，副教授，研究方向为近程导航技术与装备应用。：引用格式：骆艳卜，王永庆，李金良，等基于测距码信号设计的塔康测距精度提升方法空军工程大学学报，（）：，（）：基于测距码信号设计的塔康测距精度提升方法骆艳卜，王永庆，李金良，翟丁，陈秋实，杨伟业（空军工程大学信息与导航学院，西安，）摘要塔康系统作为我军主用的战术空中导航系统，是能够实现点源定位，而且性能可靠的传统陆基无线电导航系统，在战术编队、航路导航及归航引导等方面发挥重要作用。在当前卫星导航系统应
2、用存在抗干扰性差，抗毁能力弱的现实条件下，发展能够降级使用的备份无线电导航手段具有迫切性和现实性。而开发利用塔康系统作为备份的前提是使其具有较高的导航定位精度。设计了一种新型测距信号，利用其自相关特性提取关键的定时信息，实现塔康定位精度的提升。在信号格式、测距精度、对系统性能的影响等方面进行仿真分析，结果表明新的信号形式能够在理论上有效提升塔康测距精度。在新体制信号的基础上分析测距效果，进而提高塔康导航系统的战技性能，并为新一代测距技术提供借鉴。关键词塔康系统；码相关技术；信号设计；精度提升 中图分类号 ；文献标志码文章编号 （），（，），；塔康是 （）的音译，指战术空中导航系统，塔康研发设计
3、兼具民航（地美仪）的测距功能及（伏尔）的测位功能，能够实现单站的测距、测位和台识别。塔康系统采用询问应答式脉冲测距，可与 系统兼容工作，从而实现极坐标定位。可用于保障半径为 内飞机安全航行，是空中作战飞机主用的战术导航手段。塔康系统最初由美国联合其他国家研发，我国第一代塔康于 世纪 年代问世，目前我国主用的塔康信标为第三代产品。塔康测距的精度直接影响塔康系统的服务性能。现阶段塔康主要采用应答式脉冲测距，大量研究多集中在对测距精度的影响因素进行分析，而测距精度的提升研究不多。张一等人提出了一种利用相关法将接收脉冲与参考脉冲匹配对准，运用求导加权提取 钟 形 脉 冲 定 时 点，从 而 提 高 测
4、 距 精 度 的 方法。该方法能有效减小粗大误差、偶然误差以及随机噪声的影响，从接收端信号处理的角度减小测距误差，从而提高测距精度。何世彪等人运用先估计测量系统误差，再利用系统误差修正目标测距数据的方法来提升测距精度，该方法同样是在接收端进行处理，还有另一类方法利用发射信号的改进来提升测距精度。张松等人利用 原理调制伪随机 序列作为测距介质，在无线电测距系统中扩 大 测 距 范 围 和 抗 干 扰 能 力，从 而 使 定 位 更准确。本文在以上几种方法的基础上，从另一个角度出发，提出了一种新的测距码信号。根据塔康系统数理模型设计测距码信号格式，并根据信号格式设计相应的信号处理方法，分析码相关测
5、距的优缺点及设计中存在的矛盾问题。仿真分析塔康信号波形及码相关测距流程，并与传统的钟型脉冲测距信号对比分析新型编码信号测距精度的提升效果。塔康系统测距误差来源分析塔康系统测距时，通过机载设备根据测量询问信号与应答信号时差测得飞机与信标台距离，测距公式如下：（）（）式中：为所测得的距离；为电磁波传播速度；为测量时间差；为地面台固定延时（模式为，模式为）。为分析塔康系统误差，将测距公式全微分：（）用增量代替微分，得到误差为：（）因此，塔康系统测距误差（）主要来源于电波传播误差（）、固定延时误差（）、时间测量误差（）三部分。电波传播误差通常将的平均值作为常数进行运算，环境因素对影响的变化在 量级，这
6、对常规测量可以忽略。信标固定延时误差主要来源于半幅探测单元、延时单元及发射机通道，其中半幅探测单元和延时单元使用延时器控制固定延时，现行设计中大多采用数字延时技术，这会产生固定的步进时间。以塔康 地 面 信 标 为 例，其 延 时 器 最 小 延 时 步 进 为，从而产生延时误差，可通过提高延时器工作时钟减小此类误差为。时间测量误差包含机载设备测量询问、应答信号时间误差，主要来源于计时时钟分辨率、噪声干扰、随机脉冲干扰等，其中计时时钟分辨率与延时误差类似。对于噪声干扰，在存在噪声条件下，钟形脉冲信号与干扰噪声同时进入接收机，叠加后的信号幅度偏差为，其脉冲半幅点处斜率为，则由噪声产生的计时误差为
7、：（）因此在信号功率一定时，可使用低噪声放大器提高信噪比或提高上升沿斜率提高计时精度。当噪声均方根已知，时间测量均方误差为：（）式中：为钟形脉冲半幅值处斜率；为接收机输出端信噪比。正常工作时，系统随机脉冲主要是多径信号，主要分为类，第类多径信号与原信号混叠，将信号峰值抬高，主要影响半幅探测单元输出；第类多径信号滞后于原信号，通过接收机寂静时间控制可抑制此类多径干扰，即译码完成一个询问信号后（模式）内不再接收询问信号，实现对此类多径信号的抑制。塔康系统可剔除大部分多径信号干扰，但多径干扰仍是不可忽视的误差来源。由于以上个误差为互不相关的随机变量，因此其测距误差的均方根值可表示为：（）综合以上误差
8、的影响，现代脉冲信号体制的塔康系统测距精度在整个工作区内不超过 空军工程大学学报 年（）。提高塔康系统测距精度的信号设计现有塔康系统测距信号及处理过程由测距误差分析可知，测距误差与外部条件和系统固件有关，电波传播误差通常影响较少，信标固定延时误差可通过适当处理之后减小，而现代脉冲信号体制的塔康系统测距精度主要受限于时间测量误差。通过信号的重新设计和改进，能够进一步减小时间测量误差，提升测距精度。下面从信号的角度具体分析新型测距信号设计方法及处理过程。塔康信号采用离散脉冲调幅体制传输信息，按照主、辅基准群脉冲、识别平衡脉冲、应答填充脉冲的优先级顺序构成了塔康信标的信号格式。其中，应答脉冲是双程测
9、距的上行信号，用于机载设备解算距离信息，随机填充脉冲用于支撑应答状态下的信号包络。现有塔康系统在 模式下基本编码格式为间隔 高斯钟形脉冲对，时域波形如图所示。数学模型表达式为：（）（）（）式中：表示峰值，一般取；表示脉冲位置；表示钟形脉冲衰减系数用于调整脉冲半幅值宽度；塔康系统钟形脉冲宽度为。图高斯脉冲波形机载设备发射信号除载波频率外与应答信号格式相同。机载设备在固定询问频率的基础上增加时间上的随机抖动，飞机可根据频闪效应对自身的应答信号进行分选，搜索状态下询问频率为 ，以便快速分选自身应答信号，进而转入跟踪状态询问频率降至 ，保证信标测距容量不受影响，最终计算出与信标台的距离。新型测距信号设
10、计及精度分析根据塔康系统信号及测距误差分析，其误差受定时点提取算法及噪声干扰较大。因此，根据测距信号的特点和对精度的影响，设计一种新的塔康系统测距码信号，并分析新体制下系统优缺点。编码测距信号设计塔康系统在 模式下，测距信号格式为间隔 的高斯钟形脉冲对，其主要功能是测距信号识别及测距定时点的提取，且地面信标台接收到询问信号后有 的固定延时，因此信号格式设计须满足：能够根据信号格式对本波道信号进行识别；能够提取准确的定时基准；信号长度不能超过地面信标台固定延时。将测距信号格式设计为码序列，并利用其自相关特性提取定时信息。为保证其精度在 量级，将码元宽度设为，相关运算鉴相精度为 码元宽度，同时根据
11、码长不得超过 要求，可确定码长度为 位。由于塔康系统信号格式为离散调幅脉冲体制，其调制方式类似 调制（开关键控），因此测距码也同样采用振幅调制方式，信号用高电平表示编码信号“”，用其半幅值表示编码信号“”，利用 调制原理，完成塔康系统测距信号格式设计。新型码序列的时域波形如图所示。图新型码序列由于采用调制码序列的方式进行测距，相当于对载波信号进行了扩频处理，且采用单极性不归零码进行射频调制，信号频谱分为离散谱和连续谱两部分，连续谱由单个码元宽度及码长决定，离散谱为在载波频点上的频域冲激函数。信号表达式为：（）（）（）式中：为 位序列，取值或且出现概率近似相等；（）宽度；高为的门函数。令（）（）
12、，（）信号为单极不归零码序列，则 （），若设（）功率谱密度（）为：（）（）（）（）（）信号与（）功率谱密度关系为：（）（）（）（）则（）可整理为：（）（）（）（）（）（）第期骆艳卜，等：基于测距码信号设计的塔康测距精度提升方法 信号功率谱为相应基带信号功率谱平移至处形成，因此其带宽为基带信号倍，为保证信号的不失真接收，滤波器带宽设置为 ，同时为避免邻波道信号对本波道信号产生干扰，应保证相邻波道编码格式不同，且其互相关性不超过相关峰值的一半，并对载波频率稳定性提出要求。机载测距询问在信号接收处理过程中，首先需确定为本波道询问信号且编码格式正确，后经相关运算提取定时点延时至 后，触发应答信号编码并
13、进行调制、功率放大，在天线完成幅度调制后向空间辐射。测距精度分析新型信号采用的是码相关测距方法，精度除了受电波传播和大气折射引起的误差因素外，同样也受到噪声因素的影响。这种测距方式相当于进行了“相关时间长度”的脉冲测距，对图所示的新型码序列的接收码（）与本地参考码 （）的相关最大值，得到基于码测量的时间延迟估计：（）（）（）估计误差的方差为：（）（）与积分时间有关，当一定时，误差方差与噪声功率密度成正比，与接收码序列的平方积分成反比。将式（）代入式（）得到最终的测距误差。利用编码测距时，对载波信号进行 调制相当于对点频的载波信号进行扩频处理，使得信号频谱展宽，其抗压制式干扰性能较钟形脉冲信号有
14、所提升。对于相同信号格式及调制方式的欺骗信号，可利用伪码良好的自相关性对伪码序列进行区分，识别真正的询问信号，从而提高了系统测距功能的抗干扰性能。因此，新型码序列测距方法在精度、抗干扰等性能方面均优于脉冲式测距。塔康系统测距精度对比仿真分析新型塔康信标测距信号分析编码测距过程首先产生 位码序列，并进行采样，使其满足信号采样率及长度要求，利用此码序列对载波进行 调制，产生询问信号基本编码格式。使用随机函数控制其频率产生随机抖动进行询问信号编码，提取定时点位置并与载波混频作为测距询问信号。应答信号的信噪比假设为 ，增加 信号传播延时作为接收信号，其信号处理流程与信标类似，最终完成信号译码。对信号的
15、搜索过程首先产生 搜索门信号，并由计时起点开始每次延时 与译码信号做与运算，搜索应答信号，只有搜索门内译码信号数超过个时，判定为完成应答信号搜索，搜索门对应答信号分选后输出组询问信号的距离信息。由于测距信号频谱展宽，为保证地面信标接收机信号不产生失真，接收前端带通滤波器通带设置为，阻带为，输出信号送至 锁相环路提取相干载波解调得到携带直流分量的码信号，将其与本地码序列做相关运算解码，相关运算精度为 码元宽度，根据计算结果，其峰值大约为 ，其相关的副峰值约为 ，因此其峰值判决门限应大于 ，相关峰值位置即为测距信号的定时位置，将定时信息延时 产生应答触发信号。随机填充脉冲利用循环得到了其触发信号，
16、其优点是优先级控制更加便捷，只需对触发脉冲进行控制即可，不会出现信号波形的截断，信号编码首先根据触发信号不同，与相应编码信号做卷积运算，再将主辅群信号、填充信号和测距应答码信号相加即可得到信标发射信号的编码格式，避免使用循环叠加运算，极大减小运算量，完成信号调制即可作为发射信号送至天线。飞机接收端信号搜索采用 搜索门信号及 的搜索门延时进行搜索，保证完整提取出应答信号，并通过信号在搜索门内占空比判断是否为应答 信 号，基 准 群 信 号 在 门 内 占 空 比 最 大 约 为，测距信号占空比大于，因此占空比判决值可设为，接收处理过程与地面信标类似。信号频谱及编码格式由于测距信号采用编码调制，因此信号频谱相较于钟形脉冲有所展宽，信号接收过程中首先需考虑滤波器性能，保证数字信号滤波处理后失真较小，根据信号频谱调整滤波器参数，并最终确定滤波器通带宽度为、阻带宽度为。为保证相邻波道信号不产生干扰，使用不同编码格式的序列对波道进行划分。在此规定，波道间隔为，收发差频间隔 ，不再区分、模式，工作收发频率划分与原模式下相同，地面信标的发射频率为 、，对应收频 ，共 个波道，选取个码序列作为固定编码格
