機載TACAN設備接收信道健康評估方法*

李光彩，任 震,文 佳,梁淏翔,梁天辰

(1.中國西南電子技術研究所，成都 610036;2.中國人民解放軍95960部隊，西安 710089)

0 引 言

機載戰(zhàn)術空中導航(Tactical Air Navigation，TACAN)設備為飛機提供測距、測向功能，保障飛機沿預定航線飛行以及在復雜氣象條件下引導飛機歸航和進場著陸，是重要的導航設備，其完好狀態(tài)直接影響飛行安全[1-2]?，F(xiàn)代飛機視情維修模式要求具備對機載設備實時、精確的健康狀態(tài)評估能力，以便提前安排維修活動，保證設備完好與飛行安全，而機載TACAN設備已有的機內(nèi)測試(Built-in-Test，BIT)和地面測試手段存在一定的局限。

針對BIT和地面測試方法存在的問題，國外學者提出了基于故障預測與健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)的技術解決方案[3-4]，通過引入先進的傳感器手段和各種智能推理算法、模型，達到數(shù)據(jù)采集更全面、信息利用更高效的目的，實現(xiàn)了對機載設備實時、精確的健康感知與評估能力，并在航空、航天等領域獲得了成功的應用[5-7]。針對機載TACAN設備，PHM技術應用的瓶頸在于故障機理認知不充分，導致健康表征參數(shù)識別不準確，缺乏定量化的健康評估模型。

本文通過分析機載TACAN設備的工作原理，提出一種基于自動增益控制(Automatic Gain Control,AGC)偏差的機載TACAN設備接收信道健康評估方法。該方法利用機載TACAN設備實時采集記錄的飛行數(shù)據(jù)信息，定量化評估設備接收信道的健康度水平，使得飛機維護人員可以實時、準確地掌握設備的健康狀態(tài)，從而合理安排設備維修時機，在設備完全故障之前進行維修更換，減少因為設備故障導致的飛機停機時間，實現(xiàn)基于狀態(tài)的維修。

1 機載TACAN設備簡介

1.1 機載TACAN設備工作原理

機載TACAN設備主要由天線、接收信道、發(fā)射信道和信號處理四部分組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 機載TACAN設備組成及工作原理

接收時，接收信道對天線接收的TACAN信號進行下變頻、濾波放大、程控衰減、A/D變換等處理，形成數(shù)字中頻，然后送入信號處理進行解調(diào)和基帶處理，并產(chǎn)生最終的測量數(shù)據(jù)。發(fā)射時，由信號處理產(chǎn)生所需的數(shù)字信號，經(jīng)發(fā)射信道完成D/A變換、上變頻、信號調(diào)制和功率放大后，形成發(fā)射信號送到天線進行發(fā)射。

1.2 AGC電路工作原理

AGC電路的功用是對接收信道的濾波放大后的信號進行動態(tài)范圍壓縮，即當接收信道的輸入信號幅度起伏變化時，通過控制接收信道增益，使信號輸出幅度保持恒定，以滿足后續(xù)數(shù)字采樣和信號處理的要求[8]。AGC電路由程控衰減器、比較器、計數(shù)器和計算模塊幾部分構成，其工作原理如圖2所示。

圖2 AGC控制電路工作原理

AGC電路通過檢測視頻信號包絡的占空比變化，計算接收信號幅度的變化量和接收增益的衰減量即AGC衰減量，經(jīng)過一定的放大反饋給數(shù)控衰減器，調(diào)整輸入信號幅度，使輸入信號保持在A/D采樣范圍之內(nèi)。

2 AGC衰減量計算

2.1 標準AGC衰減量計算

AGC的目的是將接收信號在A/D變換前控制在AD芯片要求的信號電平范圍內(nèi)。假設接收信道增益(設計值)為LRec，AD芯片要求的信號電平為LAD，可得AGC衰減量標準值滿足

LAGC=P-L-Ls+LRec-LAD。

(1)

空地模式下，P表示地面TACAN設備發(fā)射脈沖功率；Ls表示空地模式下電磁波傳播路徑上的固定衰減量，與地面TACAN設備天線最小增益(L1)、機載TACAN設備天線平均增益(L2)、機載TACAN設備射頻電纜插入損耗(L3)、地面TACAN設備射頻電纜插入損耗(L4)、監(jiān)測器損耗(L5)和傳播影響地面多路徑損耗(L6)相關，計算公式為

Ls(AE)=-L1-L2+L3+L4+L5+L6。

(2)

空空模式下，P表示機載TACAN設備發(fā)射功率；Ls表示空空模式下電磁波傳播路徑上的固定衰減，與機載TACAN設備天線平均增益(L2)和射頻電纜插入損耗(L3)相關，計算公式為

Ls(AA)=-2L2+2L3。

(3)

L是電磁波空間衰減量，單位dB，計算公式為

L=32.4+20lg(f)+20lg(D) 。

(4)

式中：f是信號頻率，單位MHz；D是傳播距離，表示機載TACAN設備與被測對象的距離，單位km?？盏啬Ｊ较卤粶y對象為地面信標臺，空空模式下被測對象為另一架飛機的機載TACAN設備。TACAN工作在962～1 213 MHz，以中位數(shù)1 088 MHz作為信號頻率f代入計算，可得到空間衰減量L與傳播距離D的關系。

機載TACAN設備與被測對象的距離可利用應答式脈沖測距原理測量得到。機載TACAN設備以80～120 Hz(搜索狀態(tài))或20～30 Hz(跟蹤狀態(tài))速率發(fā)射詢問脈沖對信號，地面信標臺收到該詢問脈沖后，經(jīng)過一個固定延時再向機載TACAN設備發(fā)出回答脈沖對信號。機載TACAN設備收到詢問脈沖信號后，經(jīng)過識別，選擇出對自己的測距應答脈沖，并測出詢問脈沖和信標臺回答脈沖之間的時間間隔，傳播距離與該時間間隔成正比，計算公式如下：

D=C×(t-t0)/2。

(5)

式中：C為光速；t為機載TACAN設備發(fā)出詢問脈沖到收到地面信標臺回答脈沖的時間間隔；為了補償各地面信標臺對信號延時的不同而產(chǎn)生距離誤差，規(guī)定所有地面TACAN設備都有t0的回答延遲，如圖3所示。

圖3 TACAN測距原理(空地模式下)

機載TACAN設備將飛機與被測對象之間的距離D(利用應答式脈沖測距原理計算得到，見公式(5))、工作模式(空空或空地模式)、接收信道AGC值、數(shù)據(jù)記錄時間等信息發(fā)送給機上健康管理模塊。機上健康管理模塊采用公式(1)計算得到某一時刻TACAN處于空空或空地模式下的AGC衰減量標準值。

2.2 考慮接收信道退化的AGC偏差計算

當接收信道性能退化的情況下，如接收信道中放大器增益減小、噪聲系數(shù)增大等，接收信道增益會下降。為使A/D變換前的信號電平保持在要求范圍內(nèi)，AGC衰減量的實際值會比計算的標準值小，此時AGC衰減量實際值的計算公式為

L′AGC=P-L-Ls+LRec-Lreduct-LAD。

(6)

式中：L′AGC表示AGC衰減量的實際值，Lreduct表示接收信道增益的損耗量。

由公式(1)和公式(6)可知，Lreduct等于AGC衰減量標準值與實際值之差：

Lreduct=LAGC-L′AGC。

(7)

當接收信道正常時，接收信道增益的損耗為0，此時AGC衰減量實際值與標準值的偏差Lreduct=0；當接收信道完全故障時，接收信道增益由設計值LRec減小到0，此時為AGC衰減量實際值與標準值的偏差，Lreduct(max)=LRec，為最大值。

3 接收信道健康評估

3.1 機載TACAN設備最大作用距離計算

機載TACAN設備的最大作用距離由設備發(fā)射功能的最大作用距離和接收功能的最大作用距離共同決定。當只考慮接收功能時，機載TACAN設備的作用距離取決于接收信道增益、AGC衰減量的范圍以及A/D芯片的信號電平要求，即當A/D前的信號電平小于A/D芯片的輸入范圍時，機載TACAN功能軟件無法解算距離或方位，TACAN功能失效。

假設AGC衰減量的值域范圍為[0～LAGC(max)]，則由公式(1)可得機載TACAN設備作用距離滿足：

0≤P-L-Ls+LRec-LAD≤LAGC(max)。

(8)

將公式(4)代入式(8)可得

(9)

由公式(9)可得機載TACAN設備的最大作用距離為

(10)

以上計算未考慮接收信道退化的情況，當引入接收信道增益損耗時，機載TACAN設備最大作用距離為

(11)

由公式(11)可知，隨著機載TACAN設備接收信道不斷退化，接收信道損耗Lreduct增大，TACAN功能最大作用距離D′max縮短。

3.2 接收信道健康度計算

由設備基本可靠性預計和型號中機載TACAN設備實際故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，接收信道增益損耗是導致TACAN功能接收靈敏度下降和作用距離縮短的主要原因。因此，本文選定接收信道增益損耗作為機載TACAN設備接收信道的健康表征參數(shù)，通過對比AGC衰減量實際值與計算標準值之間的偏差得到增益損耗的具體數(shù)值(見公式(7))，進而計算接收信道的健康度。

(1)當不考慮設備誤差和外界環(huán)境影響時，TACAN接收信道健康度的計算公式為

(12)

由式(12)可知：當接收信道完全故障時，IH=0；當接收信道正常時，IH=1；當接收信道退化時，0

(13)

4 驗證分析

以某型機TACAN設備為例，采用實測數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)合的方式，驗證計算模型的可行性。機載和地面TACAN設備的主要技術指標如表1所示。

表1 機載和地面TACAN設備技術指標

由表1可知，空地模式下，P=67 dBm，Ls=7 dB；空空模式下，P=58 dBm，Ls=6 dB。

AD芯片信號電平范圍LAD大于-10 dBm，接收信道的固定增益LRec為+77 dBm，則AGC衰減量的標準值LAGC滿足

LAGC=P-L-Ls+87。

(14)

空空模式下，將P=58 dBm、Ls=6 dB代入式(14)，可得AGC衰減量標準值為

LAGC(A_A)=139-L。

(15)

空地模式下，將P=67 dBm、Ls=7 dB代入式(14)，可得AGC衰減量標準值為

LAGC(A_E)=147-L。

(16)

機載TACAN設備AGC衰減量的值域范圍為0～90 dB，步進為2 dB。將空間衰減量L的計算公式代入式(16)，繪制空地模式下AGC衰減量標準值與飛機和地面臺之間距離s變化的曲線，以及飛行過程中AGC衰減量的實測數(shù)據(jù)曲線，如圖4所示。

圖4 AGC衰減量隨距離變化曲線

圖4中選取了飛行過程中AGC衰減量的實測值與計算標準值兩組數(shù)據(jù)進行對比，每組數(shù)據(jù)包含3 800個數(shù)據(jù)點，分別對應距離從0.001～370 km范圍內(nèi)AGC衰減量的實測值與計算標準值。由圖4可知，TACAN接收信道AGC衰減量實測值與計算標準值的曲線基本吻合，且AGC值與距離之間存在是一個相對固定的關系。

(17)

空空模式下，AGC衰減量為

(18)

空地模式下，AGC衰減量為

(19)

選取空地距離從0.001～370 km范圍接收信道正常狀態(tài)AGC衰減量標準計算值與實測值，以及接收信道退化10 dB、退化20 dB、退化30 dB、退化40 dB、退化50 dB、退化60 dB對應的AGC衰減量仿真值共8組數(shù)據(jù)進行對比分析，繪制接收信道正常與不同退化條件下空地距離及對應的AGC衰減量曲線，如圖5所示。

圖5 接收信道退化條件下AGC衰減量隨距離變化曲線

由圖5可知，當接收機性能退化時，即信道接收增益下降的情況下，實際TACAN功能檢測到的AGC值與標準AGC值會出現(xiàn)偏差，且退化程度越大，偏差越大。

由公式(12)計算不同惡化條件下接收信道增益的下降值，以及對應的TACAN設備接收信道健康度，結(jié)果見表2。

表2 接收信道增益下降情況

5 結(jié) 論

視情維修模式是新一代航空裝備維修保障的發(fā)展趨勢，而精準、量化的健康評估能力是實現(xiàn)機載設備視情維修的基礎。本文將機載TACAN設備空空或空地測距結(jié)果、AGC衰減量等動態(tài)實測數(shù)據(jù)與設備接收、發(fā)射信道和天線的靜態(tài)設計指標相結(jié)合，建立了接收信道AGC衰減量偏差、增益損耗與健康度指標的計算模型，可用于維護人員在飛行數(shù)據(jù)離線分析時定量評估機載TACAN設備接收信道的增益退化情況。該方法以數(shù)據(jù)分析為基礎，在不額外增加機載設備測試電路和傳感器的前提下，解決了目前機載TACAN設備BIT方法測試結(jié)果難量化、地面測試方法可定量但測試時機受限的工程問題，支持機載TACAN設備開展視情維修，具有良好的工程應用價值。