軟件化塔康信標(biāo)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李朝陽(yáng)，張?zhí)靷?，鄭志?/p>

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)航空研究院六一三研究所，河南 洛陽(yáng) 471009)

軟件化塔康信標(biāo)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李朝陽(yáng)1，張?zhí)靷?，鄭志聰2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)航空研究院六一三研究所，河南 洛陽(yáng) 471009)

針對(duì)塔康導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)試需求，結(jié)合軟件無線電技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)；首先介紹了塔康導(dǎo)航臺(tái)導(dǎo)航的原理，包括：測(cè)向原理和測(cè)距原理；接著，根據(jù)塔康導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)的特點(diǎn)，給出信號(hào)模擬系統(tǒng)的需求分析；在需求分析的基礎(chǔ)上，完成了信號(hào)模擬系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件結(jié)構(gòu)組成及軟件的模塊化設(shè)計(jì)；然后，根據(jù)塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)信號(hào)的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)模擬信號(hào)模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并在GNU Radio上編程實(shí)現(xiàn)；最后，搭建了信號(hào)模擬系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，在平臺(tái)上完成了模擬系統(tǒng)各個(gè)信號(hào)模塊的測(cè)試驗(yàn)證，并對(duì)塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了功能試驗(yàn)驗(yàn)證。

軟件無線電；塔康；信號(hào)模擬；測(cè)向

0 引言

我國(guó)大飛機(jī)工程項(xiàng)目的大型運(yùn)輸機(jī)在幾年內(nèi)將要投入批量生產(chǎn)，為保證裝機(jī)的CNS設(shè)備狀況完好，需要提供先進(jìn)、完善的技術(shù)手段，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)于大型運(yùn)輸機(jī)單個(gè)機(jī)載通信和導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行裝機(jī)前的全面檢測(cè)。在總裝生產(chǎn)線上對(duì)所安裝的CNS系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)在線測(cè)試，以保證系統(tǒng)在飛機(jī)上運(yùn)行正常[1]。塔康是現(xiàn)代飛機(jī)CNS系統(tǒng)中重要的一部分，主要完成測(cè)距、測(cè)向以及信標(biāo)臺(tái)識(shí)別的功能。塔康機(jī)載設(shè)備的測(cè)試需要相應(yīng)塔康信標(biāo)模擬器的支持，模擬信標(biāo)的設(shè)計(jì)采用較多的是結(jié)合硬件的方式。但隨著“綜合航電”概念的提出，航電測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)象由原來的單一航電系統(tǒng)變?yōu)榫C合航電多系統(tǒng)。針對(duì)單一航電系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備，就難以滿足綜合航電多系統(tǒng)的測(cè)試需求。常規(guī)的航電設(shè)備測(cè)試[2-4]往往需要多個(gè)真實(shí)機(jī)載設(shè)備和模擬地面臺(tái)來提供測(cè)試信號(hào)，通常采用手工操作，自動(dòng)化程度較低。如通信系統(tǒng)的互通測(cè)試需要兩個(gè)電臺(tái)的配合，無線電導(dǎo)航設(shè)備的完整測(cè)試也需要根據(jù)導(dǎo)航設(shè)備的不同，采用不同的模擬地面臺(tái)提供無線電信號(hào)激勵(lì)等。這些測(cè)試方式，效率較低，成本較高，需要真實(shí)機(jī)載設(shè)備也限制了測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)于先進(jìn)的大型運(yùn)輸機(jī)和其它軍民用飛機(jī)而言其方法和技術(shù)已明顯落后，因此，需要研究解決不需要真實(shí)機(jī)載設(shè)備，并應(yīng)用綜合地面臺(tái)，通過軟件控制來產(chǎn)生無線電信號(hào)的方法和技術(shù)。軟件無線電技術(shù)是解決這一問題的有效手段。

軟件無線電技術(shù)是近年來在無線電電子領(lǐng)域發(fā)展十分迅速的一個(gè)研究方向[5-6]。采用軟件無線電技術(shù)的模擬航電測(cè)試工作過程中的無線電信號(hào)其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：①各類CNS系統(tǒng)的信號(hào)模擬可以共用相同的硬件平臺(tái)，可以降低系統(tǒng)成本。②信號(hào)模擬系統(tǒng)的軟件可劃分為公共模塊和專用模塊，而公共模塊也是CNS各設(shè)備信號(hào)模擬可以共用的，降低了新系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本。③這種采用軟件無線電技術(shù)的機(jī)載通信、導(dǎo)航系統(tǒng)無線電信號(hào)模擬是可用軟件控制和再定義的。將具有很強(qiáng)的靈活性，可以通過增加軟件模塊，很容易增加新的功能。④信號(hào)模擬系統(tǒng)將同時(shí)具有較強(qiáng)的開放性，由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，其硬件可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展而更新或擴(kuò)展，軟件也可以隨需要而不斷升級(jí)。采用軟件無線電技術(shù)構(gòu)造的機(jī)載通信、導(dǎo)航系統(tǒng)無線電信號(hào)信號(hào)模擬系統(tǒng)包括一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、數(shù)據(jù)通信信號(hào)編、解碼，測(cè)距信號(hào)編、解碼，角度、方位信號(hào)測(cè)量算法，波束形成算法等用軟件來完成，是一種具有高度靈活性、開放性的新一代無線電系統(tǒng)[7-8]。

文章針對(duì)飛機(jī)塔康導(dǎo)航的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合軟件無線電技術(shù)，將塔康系統(tǒng)的模擬信標(biāo)軟件化實(shí)現(xiàn)，同時(shí)搭載了一個(gè)具有射頻前端功能的通用硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)塔康地面信標(biāo)臺(tái)信號(hào)的模擬，從而保證在機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備裝機(jī)之前，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)功能的測(cè)試與驗(yàn)證，增加了飛機(jī)飛行的可靠性與安全性[9-10]。同時(shí)，為解決飛機(jī)航電在綜合測(cè)試和總裝在線測(cè)試中無線電信號(hào)的模擬問題奠定了一定基礎(chǔ)。

1 塔康導(dǎo)航臺(tái)導(dǎo)航原理

1.1 測(cè)向原理

塔康系統(tǒng)測(cè)向是通過信標(biāo)臺(tái)天線輻射特定的方位信號(hào)(包括基準(zhǔn)信號(hào)和包絡(luò)調(diào)制信號(hào))，機(jī)載設(shè)備接收此信號(hào)后經(jīng)過信號(hào)處理，解算出對(duì)應(yīng)的方位，并予以顯示[11]。塔康方位包絡(luò)信號(hào)是由15 Hz主包絡(luò)和135 Hz輔包絡(luò)調(diào)制產(chǎn)生的，用來提供粗、精方位信息。將兩種測(cè)量方式結(jié)合起來，設(shè)機(jī)載接收15 Hz信號(hào)對(duì)應(yīng)相位為φ15，135 Hz信號(hào)對(duì)應(yīng)相位為φ135，根據(jù)公式：

(1)

式中：?」表示向下取整，φ15為15 Hz信號(hào)對(duì)應(yīng)相位，φ135為135 Hz信號(hào)對(duì)應(yīng)相位。這樣可以得到精度較高的相位信息φ。

1.2 測(cè)距原理

塔康系統(tǒng)的測(cè)距采用的是詢問/問答式脈沖測(cè)距技術(shù)，這與測(cè)距機(jī)系統(tǒng)原理完全相同，通過測(cè)量機(jī)載設(shè)備發(fā)射和接收脈沖信號(hào)的時(shí)差而獲得飛機(jī)到地面臺(tái)的距離[12-13]。由距離計(jì)算模塊根據(jù)詢問脈沖與應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間延時(shí)t，計(jì)算出飛機(jī)到測(cè)距信標(biāo)臺(tái)之間的直線距離。即：

(2)

式中：t為機(jī)載測(cè)距機(jī)發(fā)射和接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔；t0為地面應(yīng)答機(jī)的固定延時(shí)(一般為50 μs)；c為光速，c=3×108m/s。

2 基于軟件無線電的塔康模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能需求分析

塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)基本的任務(wù)就是模擬產(chǎn)生塔康導(dǎo)航信號(hào)。結(jié)合《GJB 914-90》[14]對(duì)塔康地面信號(hào)的要求，對(duì)塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)進(jìn)行功能分析如下：

1)射頻載波頻率在960 MHz～1215 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，發(fā)射功率是100 mW～200 mW。在頻段內(nèi)可以控制選擇X波道和Y波道兩種模式。

2)產(chǎn)生鐘形脈沖，上升時(shí)間為2.0±0.25 us，下降時(shí)間為2.5±0.5 us，脈沖寬度是3.5±0.5 us；產(chǎn)生鐘形脈沖對(duì)，X波道脈沖間隔為12±0.10 us，Y波道脈沖間隔30±0.10 us。

3)產(chǎn)生隨機(jī)填充脈沖對(duì)，重復(fù)頻率可調(diào)(50～2 700對(duì)/秒)。

4)塔康模擬距離，輸入模擬距離的變化步長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)可以自動(dòng)模擬距離的變化；塔康模擬方位，輸入模擬方位角的變化步長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)模擬方位角的變化。

5)產(chǎn)生15±0.03 Hz和135±0.27 Hz方位包絡(luò)信號(hào)，調(diào)制度均應(yīng)在10%～30%范圍內(nèi)可調(diào)，兩者之和不應(yīng)大于55%。

6)當(dāng)工作于測(cè)距模式時(shí)，能夠?qū)C(jī)載設(shè)備發(fā)出的詢問信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答，以供機(jī)載設(shè)備進(jìn)行距離解算。

2.2 塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合軟件無線電硬件架構(gòu)體系的研究，選擇基于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)的軟件無線電體系架構(gòu)，搭建塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案見圖1所示。系統(tǒng)的硬件部分完成的工作包括：接口模塊對(duì)網(wǎng)口數(shù)據(jù)的處理；A/D模塊、D/A模塊完成信號(hào)的模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換；射頻模塊完成信號(hào)的模擬上/下變頻及功率放大功能；信號(hào)預(yù)處理模塊完成包括數(shù)字上/下變頻、濾波、速率轉(zhuǎn)換等功能。軟件部分主要是在處理機(jī)上實(shí)現(xiàn)功能軟件，完成系統(tǒng)信號(hào)的處理和產(chǎn)生，形成信號(hào)流。

圖1 塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.3 硬件部分設(shè)計(jì)

在詳細(xì)分析塔康地面導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)特征和相應(yīng)測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，采用軟件無線電技術(shù)，給出信號(hào)模擬系統(tǒng)硬件總體方案。硬件功能劃分為接口模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、模擬變頻模塊、A/D模塊、D/A模塊、功率放大模塊、模擬濾波模塊、天線。按照信號(hào)流的方向，相應(yīng)地給出系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)流程圖，見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)系統(tǒng)的硬件模塊需求分析和軟件無線電技術(shù)對(duì)硬件平臺(tái)的要求：需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、小型化、數(shù)字信號(hào)處理部分必須能夠處理大量的數(shù)據(jù)的通用硬件平臺(tái)。決定采用了Ettus公司生產(chǎn)的軟件無線電外設(shè)USRP N210系列的產(chǎn)品來做為硬件平臺(tái)[15-17]，配置全雙工的收發(fā)子板：WBX子板。

2.4 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)。塔康地面導(dǎo)航臺(tái)的功能主要為發(fā)射測(cè)向信號(hào)和測(cè)距應(yīng)答信號(hào)。其中測(cè)向功能模塊主要包括正弦波產(chǎn)生模塊、高斯脈沖產(chǎn)生模塊，主基準(zhǔn)脈沖群編碼模塊，輔基準(zhǔn)脈沖群編碼模塊、識(shí)別信號(hào)脈沖對(duì)模塊、均衡脈沖編碼模塊、圖形顯示模塊、參數(shù)控制模塊、波道控制模塊等；而測(cè)距模塊包括正弦波產(chǎn)生模塊、隨機(jī)脈沖產(chǎn)生模塊、等間隔脈沖對(duì)產(chǎn)生模塊、Morse碼產(chǎn)生模塊、脈沖識(shí)別應(yīng)答模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、波道控制模塊、圖形顯示模塊等。

根據(jù)以上對(duì)測(cè)向信號(hào)和測(cè)距信號(hào)軟件功能模塊的介紹，可以發(fā)現(xiàn)有些功能軟件模塊在測(cè)向和測(cè)距軟件模塊中都有出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的功能基本相同，只是在參數(shù)的設(shè)置上存在差別。因此，可以將一些功能相同的模塊進(jìn)行綜合，作為公共模塊調(diào)用，下面給出塔康地面導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)模擬系統(tǒng)軟件功能模塊圖，測(cè)向功能模塊和測(cè)距功能模塊具體劃分如圖3所示。

圖3 塔康地面導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)模擬系統(tǒng)軟件模塊組成

塔康地面導(dǎo)航臺(tái)信號(hào)主要分為測(cè)向信號(hào)和測(cè)距信號(hào)。這兩種功能信號(hào)最終都是對(duì)射頻載波進(jìn)行幅度調(diào)制，然后以射頻脈沖群的形式發(fā)射出去。

測(cè)向信號(hào)是由方位包絡(luò)信號(hào)對(duì)調(diào)制好的基準(zhǔn)脈沖群進(jìn)行幅度調(diào)制得到的，軟件中方位信號(hào)詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 方位信號(hào)設(shè)計(jì)流程圖

塔康地面臺(tái)測(cè)距包括對(duì)機(jī)載詢問信號(hào)的判斷和應(yīng)答信號(hào)的延時(shí)發(fā)射兩部分。在發(fā)射應(yīng)答信號(hào)的同時(shí)，也發(fā)射本臺(tái)識(shí)別碼信號(hào)。在對(duì)測(cè)距信號(hào)的軟件模塊劃分的基礎(chǔ)上，給出軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖5所示。

圖5 測(cè)距信號(hào)軟件總體設(shè)計(jì)

3 模擬信標(biāo)軟件化詳細(xì)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用ubuntu系統(tǒng)下的gnuradio-companion軟件(簡(jiǎn)稱grc軟件)，grc軟件是一種基于GNU Radio平臺(tái)的開放性軟件。

3.1 方位包絡(luò)信號(hào)的設(shè)計(jì)

塔康方位包絡(luò)信號(hào)是由15 Hz主包絡(luò)和135 Hz輔包絡(luò)調(diào)制產(chǎn)生的，這兩個(gè)包絡(luò)都由正弦波產(chǎn)生模塊產(chǎn)生，對(duì)信號(hào)各自進(jìn)行調(diào)制度設(shè)定后，將兩個(gè)包絡(luò)信號(hào)相加即產(chǎn)生塔康方位包絡(luò)信號(hào)。由于選用的是無方向形天線發(fā)射，所以采用設(shè)定方位包絡(luò)信號(hào)相位來實(shí)現(xiàn)方位信息的發(fā)射。采取對(duì)產(chǎn)生的信號(hào)做延時(shí)處理來達(dá)到設(shè)定相位的目的。 給出相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖6。

圖6 方位包絡(luò)信號(hào)設(shè)計(jì)流程圖

3.2 主、輔基準(zhǔn)脈沖群的編碼設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)脈沖群為機(jī)載設(shè)備接收解算方位信息提供參考。首先產(chǎn)生高斯脈沖，由于GNU Radio軟件中的信號(hào)源類里沒有產(chǎn)生脈沖的信號(hào)源模塊，但是其中矢量模塊可以可以產(chǎn)生幅值為1，持續(xù)時(shí)間確定的矩形波。采用升余弦FIR濾波器對(duì)矢量源信號(hào)進(jìn)行整形濾波的方案來產(chǎn)生鐘形高斯脈沖[18-19]。雖然相同的基準(zhǔn)脈沖群在不同波道中的編碼要求不同，相同波道的中不同基準(zhǔn)脈沖群的編碼要求也不同，但是整體編碼流程類似，統(tǒng)一給出基準(zhǔn)脈沖群的編碼流程，如圖見圖7。圖7中，N為相應(yīng)基準(zhǔn)脈沖群所包含的脈沖(對(duì))數(shù)量，t為響應(yīng)基準(zhǔn)脈沖群要求的脈沖(對(duì))之間的時(shí)間間隔。

圖7 主/輔基準(zhǔn)脈沖群編碼的設(shè)計(jì)流程圖

基準(zhǔn)脈沖群的產(chǎn)生可以理解為主、輔基準(zhǔn)脈沖群在保持時(shí)間上同步的前提下相加得到。對(duì)于基準(zhǔn)脈沖群的產(chǎn)生給出設(shè)計(jì)流程圖，如圖8。圖8中N=9；t=1/15s，t是脈沖群時(shí)間間隔。

圖8 主輔基準(zhǔn)脈沖群設(shè)計(jì)流程圖

3.3 識(shí)別與均衡信號(hào)的編碼設(shè)計(jì)

識(shí)別信號(hào)由脈沖間隔對(duì)X波道為12±0.1 μs,對(duì)Y波道為30±0.1 μs。其脈沖對(duì)重復(fù)率為1 350對(duì)/s，在時(shí)間上與主、輔基準(zhǔn)脈沖群同步。為了在發(fā)射識(shí)別信號(hào)期間穩(wěn)定發(fā)射機(jī)的恒定工作比，并減小系統(tǒng)的方位誤差，在每個(gè)識(shí)別脈沖對(duì)定時(shí)點(diǎn)之后100±10 μs發(fā)射一對(duì)編碼特性相同均衡脈沖對(duì)。識(shí)別信號(hào)脈沖組群的編碼方式參考基準(zhǔn)脈沖群編碼，流程圖及程序這里就不再?gòu)?fù)述。

3.4 譯碼、編碼模塊的設(shè)計(jì)

塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)在接收到機(jī)載詢問信號(hào)后，會(huì)對(duì)詢問信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷該信號(hào)是有效的詢問信號(hào)后，經(jīng)過固定延時(shí)進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)。譯碼、編碼模塊設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。軟件采用“觸發(fā)”機(jī)制對(duì)詢問信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)詢問信號(hào)強(qiáng)度滿足設(shè)定值時(shí)，每個(gè)脈沖在檢測(cè)時(shí)都會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)與矢量源模塊輸出數(shù)據(jù)類型一致的序列數(shù)“1”；當(dāng)詢問信號(hào)強(qiáng)度較弱時(shí)，則輸出為“0”。將所有脈沖用等幅的序列數(shù)“1”表示，歸一化了脈沖檢測(cè)輸出。在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)檢測(cè)輸出的序列數(shù)進(jìn)行整形編碼，整形編碼的方法與基準(zhǔn)脈沖群的產(chǎn)生方法一樣。

圖9 譯碼、編碼模塊流程圖

3.5 隨機(jī)脈沖對(duì)的設(shè)計(jì)

當(dāng)無詢問脈沖時(shí)，每秒應(yīng)發(fā)射2 700±90對(duì)隨機(jī)脈沖對(duì)，每秒發(fā)射的次數(shù)隨著詢問脈沖數(shù)的增加而相應(yīng)的減少。這里采用隨機(jī)源結(jié)合重復(fù)模塊，再與周期產(chǎn)生的脈沖對(duì)乘積的方法來得到隨機(jī)脈沖對(duì)，通過控制隨機(jī)產(chǎn)生脈沖個(gè)數(shù)來達(dá)到控制隨機(jī)脈沖對(duì)的數(shù)量。隨機(jī)脈沖對(duì)設(shè)計(jì)流程圖，如圖10。

圖10 隨機(jī)脈沖對(duì)設(shè)計(jì)流程圖

4 各信號(hào)模塊實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由設(shè)計(jì)的塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)與測(cè)試設(shè)備組成，如圖11所示。塔康信號(hào)模擬系統(tǒng)由PC機(jī)和軟件無線電設(shè)備USRP N210以及各自的專用線纜等組成。信號(hào)模擬系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)主要借助示波器、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備來完成。

圖11 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

4.1 方位包絡(luò)信號(hào)的測(cè)試分析

塔康方位包絡(luò)信號(hào)測(cè)試主要參數(shù)為頻率和調(diào)制度。通過波形可以測(cè)出大包絡(luò)的周期為66.6 ms，基本與15 Hz的周期一致，從波形上也可以得到大包絡(luò)與小包絡(luò)周期9倍的關(guān)系，從而驗(yàn)證135 Hz信號(hào)。方位包絡(luò)信號(hào)的周期這一參數(shù)基本驗(yàn)證發(fā)射的符合要求。圖12為方位包絡(luò)信號(hào)的測(cè)試波形圖。

圖12 示波器方位包絡(luò)信號(hào)的波形

4.2 脈沖波形的測(cè)試分析

塔康要求的鐘形脈沖上升時(shí)間為2.0±0.25 us，下降時(shí)間為2.5±0.5 us，脈沖寬度是3.5±0.5 us，經(jīng)示波器接收的高斯脈沖波形如圖13，符合塔康信號(hào)要求。

圖13 示波器接收的X波道高斯脈沖對(duì)波形

4.3 主輔基準(zhǔn)脈沖群測(cè)試分析

塔康信號(hào)基準(zhǔn)脈沖群在X波道的編碼示意圖14所示。示波器接收到的基準(zhǔn)脈沖群如圖15所示，脈沖個(gè)數(shù)、脈沖間隔以及脈沖對(duì)間隔都符合信號(hào)的要求。

圖14 基準(zhǔn)脈沖群在X波道的編碼示意圖

圖15 示波器顯示的基準(zhǔn)脈沖群的波形

4.4 識(shí)別編碼的測(cè)試分析

這一部分包括識(shí)別信號(hào)和均衡信號(hào)兩個(gè)信號(hào)，對(duì)這兩個(gè)信號(hào)的發(fā)射后的測(cè)試結(jié)果如下圖16所示，從(a)圖中可以看出脈沖間隔為12 μs，符合X波道脈沖編碼。(b)圖可以讀出脈沖對(duì)間隔為100 μs，符合均衡脈沖對(duì)在識(shí)別脈沖對(duì)的第一個(gè)脈沖發(fā)射后100 μs出現(xiàn)的要求。

圖16 示波器顯示的識(shí)別編碼脈沖對(duì)波形

4.5 隨機(jī)脈沖對(duì)的測(cè)試分析

隨機(jī)脈沖對(duì)，顧名思義就是產(chǎn)生時(shí)間不定。為了使波形顯示清晰，易于觀察，以下給出兩次發(fā)射產(chǎn)生的隨機(jī)脈沖對(duì)的部分示波器接收波形，如圖17。

圖17 示波器顯示的兩次發(fā)射的隨機(jī)脈沖波形

5 系統(tǒng)功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)從測(cè)向測(cè)試和延遲應(yīng)答測(cè)試兩部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證信號(hào)模擬系統(tǒng)的測(cè)向、測(cè)距功能，實(shí)驗(yàn)方案如下：

5.1.1 測(cè)向功能測(cè)試方案

本實(shí)驗(yàn)對(duì)這兩個(gè)頻率包絡(luò)信號(hào)以及各自對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)脈沖群分兩次發(fā)射，發(fā)射前的調(diào)制方式改為基準(zhǔn)脈沖群與包絡(luò)信號(hào)相加。發(fā)射時(shí)方位角信息一致。這樣通過示波器測(cè)量并計(jì)算基準(zhǔn)脈沖群與包絡(luò)信號(hào)的重疊點(diǎn)處的角度就能分析計(jì)算出方位角，并與設(shè)定信息比照。如果計(jì)算結(jié)果與設(shè)定值變化趨勢(shì)一致，就基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的目的。具體的解算過程為：設(shè)程序中設(shè)定的方位角為φ，接收解算出15 Hz信號(hào)的方位角為φ15，135 Hz信號(hào)的方位角為φ135。15 Hz信號(hào)一個(gè)周期對(duì)應(yīng)平面空間360°，現(xiàn)將360°方位劃分為每40°一個(gè)區(qū)間，共九個(gè)區(qū)間，區(qū)間與方位角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示粗測(cè)部分確定方位角在哪個(gè)方位區(qū)間內(nèi)，精測(cè)部分精確測(cè)量，二者結(jié)合得出最終方位角。對(duì)于精測(cè)方位角解算，首先確定基準(zhǔn)脈沖群與包絡(luò)信號(hào)交疊處包絡(luò)斜率符號(hào)，然后測(cè)量交疊處幅值大小，反正弦算出對(duì)應(yīng)的角度，對(duì)應(yīng)表信息，確定精測(cè)方位角。將粗測(cè)方位角和精測(cè)方位角代入式(1)中，即可得到最終方位角。

表1 區(qū)間與方位角的對(duì)應(yīng)關(guān)系表區(qū)間號(hào)角度范圍

5.1.2 延遲應(yīng)答測(cè)試方案

本程序在接收到詢問信號(hào)后會(huì)設(shè)定模擬距離，也就是設(shè)定一定的延時(shí)，最終將詢問信號(hào)與應(yīng)答信號(hào)一起發(fā)射出去，以便于示波器測(cè)量二者之間的時(shí)差。限于實(shí)驗(yàn)條件，詢問信號(hào)由軟件仿真產(chǎn)生。示波器接收測(cè)量延遲時(shí)間，然后代入式(2)，就可以解算出距離。

5.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.2.1 測(cè)向功能測(cè)試

利用示波器對(duì)方位信號(hào)的角度信息進(jìn)行驗(yàn)證。從15 Hz包絡(luò)與主基準(zhǔn)波形圖可以得到方位角位于第三區(qū)間，即在80°～120°之間，從135 Hz包絡(luò)與輔基準(zhǔn)波形圖測(cè)出精測(cè)角度后除以9，再與80°相加即可得到方位角的測(cè)量值。如圖18所示，為方位角設(shè)定為110°時(shí)示波器接收波形圖。

圖18 方位角設(shè)定為110°時(shí)示波器接收波形圖

根據(jù)解算方法，對(duì)每一個(gè)區(qū)間都取一個(gè)角度，各進(jìn)行100次等時(shí)間間隔測(cè)試，分別解算并求平均值，最后給出誤差絕對(duì)值。并繪制誤差絕對(duì)值表，如表2所示。

表2 方位角誤差絕對(duì)值表

5.2.2 距離應(yīng)答延遲測(cè)試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，利用示波器對(duì)發(fā)射信號(hào)距離應(yīng)答延遲進(jìn)行驗(yàn)證。本實(shí)驗(yàn)以延遲的時(shí)間來代表距離。首先對(duì)以脈沖對(duì)為仿真詢問信號(hào)模擬延時(shí)100 μs進(jìn)行測(cè)試。 X波道下，地面臺(tái)從識(shí)別詢問脈沖到產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。固定延時(shí)為50 μs，加上代表距離的時(shí)間延遲100 μs，從識(shí)別詢問脈沖到產(chǎn)生應(yīng)答脈沖之間時(shí)間差應(yīng)該為150 μs，波形圖如圖19。

圖19 示波器顯示的模擬延時(shí)100 us發(fā)射的波形圖

塔康測(cè)距范圍從幾十千米到幾百千米，取5個(gè)距離對(duì)應(yīng)時(shí)間延遲進(jìn)行測(cè)試，對(duì)每個(gè)延遲量分別測(cè)試100次，并求平均值，最后給出誤差絕對(duì)值。繪制平均誤差絕對(duì)值表，如表3所示。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，可以看出，距離應(yīng)答延遲誤差較小，與設(shè)定值相差不大，并且誤差變化隨著示波器分辨率降低而增大，主要是觀測(cè)誤差。而方位角測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值偏差略大。對(duì)系統(tǒng)以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，得出造成方位角測(cè)量較大誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：

表3 應(yīng)答延遲誤差絕對(duì)值表

1)人為因素。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備主要為示波器。整個(gè)操作過程，尤其是測(cè)量幅值的過程中，波形放大后觀察判斷數(shù)據(jù)難以做到準(zhǔn)確判斷。這是造成測(cè)試結(jié)果存在誤差的一個(gè)主要原因。

2)硬件因素。本系統(tǒng)基帶信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)制都是由軟件設(shè)計(jì)完成的，調(diào)制好的數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換之后，會(huì)有低通濾波器對(duì)模擬信號(hào)低通濾波，低通濾波器的相位特性決定了輸出信號(hào)的相位特性，這一過程可能會(huì)對(duì)方位信號(hào)的相位造成一定的延遲。

3)程序原因。本系統(tǒng)脈沖的產(chǎn)生與編碼都是軟件完成的。GNU Radio軟件中脈沖的生成是對(duì)矩形脈沖整形濾波得到的。主、輔基準(zhǔn)脈沖群的調(diào)制在vector source中是以采樣點(diǎn)的形式進(jìn)行的，主、輔基準(zhǔn)脈沖群在周期上不是絕對(duì)的9倍關(guān)系，隨著發(fā)射時(shí)間的延長(zhǎng)，誤差會(huì)逐漸累積，這也是造成誤差的原因之一。但是根據(jù)對(duì)示波器接收波形的較長(zhǎng)時(shí)間觀察，基準(zhǔn)脈沖群與方位包絡(luò)信號(hào)相位關(guān)系基本相對(duì)不變，所以這個(gè)因素影響應(yīng)該不是很大。

綜上所述，對(duì)信號(hào)模塊的測(cè)試，驗(yàn)證了信號(hào)參數(shù)及編碼符合塔康導(dǎo)航信號(hào)國(guó)軍標(biāo)要求。雖然方位測(cè)試有略大的誤差，但基本在預(yù)期之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果基本驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

論文采用軟件無線電思想設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了塔康系統(tǒng)地面臺(tái)的信號(hào)模擬系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號(hào)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。既滿足了飛機(jī)對(duì)塔康信號(hào)的測(cè)試要求，也符合軟件無線電技術(shù)思想，為塔康系統(tǒng)的測(cè)試提供了一種新的平臺(tái)，為塔康系統(tǒng)設(shè)備驗(yàn)收及在生命周期中正常工作提供了重要的保障手段。也為解決飛機(jī)航電設(shè)備在綜合測(cè)試和總裝在線測(cè)試中無線電信號(hào)的模擬問題奠定了一定基礎(chǔ)；同時(shí)，這種基于軟件無線電技術(shù)構(gòu)建的信號(hào)模擬系統(tǒng)，稍加改造，也能用于未來新研制或增加機(jī)載設(shè)備。針對(duì)新研制或增加機(jī)載設(shè)備的開發(fā)更多地轉(zhuǎn)到相應(yīng)的軟件的開發(fā)和設(shè)計(jì)上來，可大大地降低成本。

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Software Design of TACAN Simulation System

Li Zhaoyang1, Zhang Tianwei1, Zheng Zhicong2

(1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China 2.Chinese Aeronautical Establishment,Luoyang 471009,China)

This paper designs and achieves the TACAN excitation source using software radio technique, based on the testing need of TACAN(Tactical Air Navigation)system. Firstly, this paper introduces the principle of TACAN navigation, including: the principle of direction finding and ranging. Secondly, the demand analysis is given combined with signal character analysis. Then the general design, hardware structure constitution and software module design are finished based on the former analysis, and a software radio platform—USRP N210 is chosen as hardware application platform. Thirdly，the detail design for each signal module is completed and programed on GNU Radio. Finally, the experiment platform for signal simulation system testing is constructed, and each signal module is verified on the platform, as well as the function of TACAN signal simulation system.

software defined radio；TACAN；signal simulation；direction finding

2016-01-16；

2017-02-27。

李朝陽(yáng)(1992-)，男，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事軟件無線電技術(shù)方向的研究。

張?zhí)靷?1968-)，男，博士，副教授，主要從事機(jī)載設(shè)備ATE設(shè)計(jì)和飛行品質(zhì)評(píng)估方向的研究。

1671-4598(2017)07-0159-06

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.040

TN966

A