賴杰鵬，呂寶鋒

(陜西凌云電器總公司設(shè)計(jì)所，陜西寶雞 721006)

具有多臺(tái)鏈功能的測距設(shè)備實(shí)現(xiàn)

賴杰鵬，呂寶鋒

(陜西凌云電器總公司設(shè)計(jì)所，陜西寶雞 721006)

機(jī)載設(shè)備已由針對(duì)單一地面臺(tái)工作轉(zhuǎn)變?yōu)榭舍槍?duì)多地面臺(tái)工作，如測得距3個(gè)地面臺(tái)的斜距P，利用P－P－P定位方法，可進(jìn)行定位和導(dǎo)航計(jì)算，這種多地面臺(tái)掃描工作體制將成為DME發(fā)展的趨勢。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)鏈工作，性能穩(wěn)定可靠。

測距設(shè)備;多臺(tái)工作;定位

測距設(shè)備具有DME測距功能，與配套的地面信標(biāo)臺(tái)組成近程無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可連續(xù)自動(dòng)測定飛機(jī)至地面信標(biāo)臺(tái)的直線斜距，實(shí)現(xiàn)航路導(dǎo)航;以及與儀表著陸系統(tǒng)聯(lián)合工作，協(xié)助進(jìn)行進(jìn)場著陸引導(dǎo)。與傳統(tǒng)的測距器相比，該設(shè)備具有多臺(tái)鏈工作功能，可以同時(shí)給出飛機(jī)到幾個(gè)地面臺(tái)的直線斜距。

1 系統(tǒng)工作原理

距離測量是根據(jù)二次雷達(dá)工作原理，機(jī)載設(shè)備以20～24 Hz速率發(fā)射詢問脈沖對(duì)信號(hào)，地面信標(biāo)接收到詢問脈沖信號(hào)后，經(jīng)過一個(gè)固定延遲，在向機(jī)載設(shè)備發(fā)射應(yīng)答脈沖對(duì)信號(hào)。機(jī)載設(shè)備接收到信標(biāo)發(fā)射信號(hào)后，經(jīng)過識(shí)別選擇出對(duì)自己的測距應(yīng)答脈沖，并測量出詢問脈沖與應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔。利用這個(gè)間隔，計(jì)算出機(jī)載設(shè)備與信標(biāo)臺(tái)之間的實(shí)際距離。

測距設(shè)備通過信號(hào)處理單元發(fā)出的收發(fā)控制信號(hào)控制設(shè)備的收發(fā)狀態(tài);當(dāng)收發(fā)控制信號(hào)使得設(shè)備處于接收狀態(tài)時(shí)，由天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過收發(fā)開關(guān)進(jìn)入接收單元，射頻信號(hào)在接收單元中經(jīng)過濾波、放大、混頻后，以中頻信號(hào)的方式送至信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行高速A/D采樣，將采樣后的數(shù)據(jù)在FPGA中進(jìn)行濾波、峰值檢波、50%檢波、譯碼，將譯碼信號(hào)送入DSP完成距離回答脈沖的提取，并且計(jì)算出距離數(shù)據(jù);當(dāng)收發(fā)控制信號(hào)使得設(shè)備處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，由信號(hào)處理單元產(chǎn)生的詢問信號(hào)在發(fā)射單元中經(jīng)波型形成、功率放大、功率合成，最后將符合發(fā)射要求的大功率信號(hào)由天線發(fā)射出去。

2 主要信號(hào)形式以及信號(hào)特性

測距信號(hào)是地面信標(biāo)臺(tái)不斷通過天線向其周圍空間發(fā)射電磁波信號(hào)，經(jīng)機(jī)載設(shè)備接收并解調(diào)后輸出的測距中頻信號(hào)，它由有一定規(guī)律脈沖對(duì)組成，內(nèi)含有相應(yīng)的距離等信息。測距中頻信號(hào)包括地面臺(tái)址的識(shí)別信號(hào)、地面臺(tái)的距離應(yīng)答信號(hào)以及隨機(jī)填充脈沖。

3 測距設(shè)備的主要工作原理

3.1 測距設(shè)備的組成

LDME－2測距設(shè)備包括收發(fā)訊機(jī)和天線兩個(gè)部分，收發(fā)訊機(jī)是測距設(shè)備的主要部分，完成設(shè)備的主要功能，由發(fā)射單元、接收單元、信號(hào)處理單元和電源單元組成。測距設(shè)備組成框圖如圖1所示。

3.2 設(shè)備工作原理

測距設(shè)備通過信號(hào)處理單元發(fā)出的控制信號(hào)控制設(shè)備的收發(fā)狀態(tài);當(dāng)收發(fā)控制信號(hào)使設(shè)備處于接收狀態(tài)時(shí)，由天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過收發(fā)開關(guān)進(jìn)入接收單元，射頻信號(hào)在接收單元中經(jīng)過濾波、放大、混頻后，以中頻信號(hào)的方式送至信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行高速A/D采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和譯碼，從譯碼信號(hào)中提取距離回答脈沖，并且計(jì)算出距離數(shù)據(jù);當(dāng)收發(fā)控制信號(hào)使得設(shè)備處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，由信號(hào)處理單元產(chǎn)生的詢問信號(hào)在發(fā)射單元中經(jīng)波型形成、功率放大、功率合成，最后將符合發(fā)射要求的大功率信號(hào)由天線發(fā)射出去。

圖1 設(shè)備組成框圖

3.3 噪聲過濾控制過程

先對(duì)采樣到的一定幅度以上中頻脈沖計(jì)數(shù)，如超過9 000個(gè)/秒，即輸出噪音電平信號(hào)到噪音AGC控制，使中頻信號(hào)中噪聲幅度＜1 V;同時(shí)通過脈寬鑒別電路，識(shí)別視頻信號(hào)脈沖寬度，過濾掉 ＜1.6 μs、＞6.4 μs的脈沖，即噪聲和強(qiáng)干擾，輸出經(jīng)50%脈沖幅度檢波的矩形脈沖進(jìn)行譯碼。

3.4 詢問方式

由于測距設(shè)備在功能上要求能工作于單波道和頻率掃描兩種工作方式。信號(hào)處理單元通過接收控制命令控制設(shè)備的工作方式，當(dāng)設(shè)備工作于單波道工作方式時(shí)，設(shè)備的工作方式與普通測距器大致相同;當(dāng)設(shè)備工作于頻率掃描方式時(shí)，對(duì)詢問頻率以及詢問方式進(jìn)行了調(diào)整，各地面臺(tái)詢問脈沖時(shí)序如圖2所示。

圖2 脈沖時(shí)序

針對(duì)5個(gè)地面測距臺(tái)進(jìn)行輪流詢問，測距設(shè)備在每個(gè)地面臺(tái)上連續(xù)工作的時(shí)間約為20 ms，每次改變工作波道后，等待一段時(shí)間進(jìn)行硬件通道頻率切換來完成產(chǎn)生控制VGC電壓采集到標(biāo)準(zhǔn)地面測距信號(hào)，在捕捉到標(biāo)準(zhǔn)的地面臺(tái)信號(hào)后，信息處理單元轉(zhuǎn)入正常的測距程序。在測距程序中，當(dāng)在搜索模式下，20 ms時(shí)間內(nèi)對(duì)所工作的地面臺(tái)進(jìn)行兩次詢問，當(dāng)在跟蹤模式下，20 ms時(shí)間內(nèi)對(duì)所工作的地面臺(tái)進(jìn)行一次詢問，根據(jù)發(fā)出的詢問信號(hào)捕捉到不同地面臺(tái)的回答信號(hào)，完成多個(gè)地面臺(tái)的測距功能。對(duì)于每個(gè)地面臺(tái)的詢問頻率在跟蹤模式下10對(duì)/s，搜索模式下20對(duì)/s。對(duì)于多個(gè)地面臺(tái)，收發(fā)訊機(jī)發(fā)出的詢問頻率是單個(gè)地面的整數(shù)倍。

當(dāng)某個(gè)地面臺(tái)處于搜索模式時(shí)，每100 ms對(duì)其進(jìn)行兩次詢問，產(chǎn)生兩次回答，以16次詢問為參考，經(jīng)過800 ms后，當(dāng)回答概率滿足要求，就可對(duì)這個(gè)地面臺(tái)進(jìn)行鎖定，收發(fā)訊機(jī)轉(zhuǎn)入距離跟蹤模式，從而送出該地面臺(tái)的距離信息。

3.5 識(shí)別信號(hào)

當(dāng)設(shè)備工作于頻率掃描方式時(shí)，由于通道的頻繁切換，在一個(gè)波道上連續(xù)停留時(shí)間較短，無法接收到完整的識(shí)別信號(hào)，因此通過軟件的處理得到相應(yīng)地面臺(tái)的識(shí)別信號(hào)。當(dāng)頻率掃描到某一地面臺(tái)時(shí)，對(duì)該地面臺(tái)的隨機(jī)脈沖進(jìn)行鑒別、采樣，接收完成后對(duì)采樣所得的信號(hào)進(jìn)行整形，得到標(biāo)準(zhǔn)的識(shí)別控制信號(hào)，從而輸出該地面臺(tái)的識(shí)別臺(tái)址。由于地面臺(tái)詢問脈沖間隔為100 ms，識(shí)別信號(hào)中一個(gè)“點(diǎn)”的時(shí)間是125 ms，“劃”的時(shí)間是375 ms，“點(diǎn)”、“劃”之間的隨機(jī)填充間隔是125 ms，所以對(duì)于每一個(gè)“點(diǎn)”、“劃”以及他們的間隔都可以采集到，這樣就能夠保證經(jīng)過整形后得到正確的識(shí)別信息。

3.6 接收信號(hào)

天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過發(fā)射單元送入接收單元中，信號(hào)經(jīng)限幅器、定向耦合器后進(jìn)入放大濾波電路，然后與頻率源混頻得中頻，經(jīng)中頻濾波放大電路、進(jìn)入對(duì)數(shù)放大電路和VGC放大電路。經(jīng)過上述接收通道，－90～－10 dB的射頻輸入信號(hào)最后可變?yōu)椤? dB的中頻信號(hào)送至信號(hào)處理單元進(jìn)行處理，接收原理框圖3如下。

圖3 接收原理框圖

3.7 發(fā)射信號(hào)

發(fā)射單元通過對(duì)內(nèi)部頻率源的放大和隔離產(chǎn)生功率放大器需要的激勵(lì)信號(hào)。脈沖調(diào)制器根據(jù)信號(hào)處理單元提供的含有測距信息的詢問脈沖信號(hào)，進(jìn)入鐘形脈沖形成電路，鐘形脈沖形成電路中對(duì)詢問脈沖信號(hào)進(jìn)行整形、鐘形脈沖提取以及數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行放大，形成50 V的鐘形脈沖。功率放大器中利用脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號(hào)，對(duì)射頻激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制放大。功率放大器采用分級(jí)放大，前級(jí)使用脈沖調(diào)制，后級(jí)使用鐘形脈沖調(diào)制，產(chǎn)生滿足要求的具有鐘形脈沖波形的射頻調(diào)制脈沖功率信號(hào)，發(fā)射原理框圖4如下。

圖4 發(fā)射原理框圖

4 硬件電路方案

測距設(shè)備的信號(hào)處理單元是整個(gè)設(shè)備控制、數(shù)字信號(hào)處理以及距離解算的核心，使用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器和大規(guī)模可編程器件來相互配合完成信號(hào)處理單元的功能。需要完成總線的通訊，送出接收單元需要的調(diào)諧電壓、控制電壓、程控衰減器和濾波器的控制信號(hào)等，形成控制頻合的賦能、時(shí)鐘等數(shù)據(jù)，處理接收單元送來的中頻信號(hào)，計(jì)算距離值，產(chǎn)生識(shí)別信號(hào)，處理封閉信號(hào)以及完成自檢等功能。測距設(shè)備的發(fā)射單元用于發(fā)射詢問脈沖，以完成測距功能。發(fā)射分機(jī)主要由脈沖調(diào)制器和功率放大器部分組成。由于測距設(shè)備增加了多臺(tái)鏈工作方式，對(duì)接收分機(jī)通道切換時(shí)間提出了更高的要求，測距設(shè)備的接收單元主要包括限幅器、耦合器、濾波電路、頻率源、濾波放大電路、對(duì)數(shù)放大電路和VGC放大電路。

5 結(jié)束語

測距系統(tǒng)中的機(jī)載設(shè)備利用地面信標(biāo)臺(tái)的回答信號(hào)測量距離，為飛機(jī)提供航路距離信息。提出了利用分時(shí)工作改進(jìn)的測距設(shè)備，可以進(jìn)行利用多臺(tái)鏈測距方法進(jìn)行定位和導(dǎo)航計(jì)算，這便于對(duì)地面臺(tái)進(jìn)行導(dǎo)航測距是比較方便的。

［1］郭堃.基于PXA270嵌入式開發(fā)板GPS定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2010，23(12):56 －58.

［2］馮剛，江雷.基于無線局域網(wǎng)的礦下定位卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2010，23(9):54 －57，71.

［3］楊繼，陳乃剛.虛擬現(xiàn)實(shí)硬件平臺(tái)上的多機(jī)通訊［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2003(6):77 －78，64.

［4］鄭小東，王曉潔，王素立.空間球形物體自動(dòng)定位方法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(17):87－89.

［5］李棟，張利，張鴻.基于現(xiàn)代服務(wù)的電信業(yè)定位與發(fā)展探索［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(4):18－21.

Realization of a Distance Measuring Device with Multi Chains

LAI Jiepeng，Lü Baofeng
(Institute of Design，Shaanxi Lingyun Electrical Corporation，Baoji 721006，China)

Airborne Equipment has transformed from working for a single ground station to working for multi ground stations.If the slant-range P from 3 ground stations are measured，positioning and navigation can be achieved by the P-P-P positioning method.This multi ground stations scanning mechanism will be the development trend of DME.It is shown that this system can realize multi chain work and its performance is reliable.

distance measuring;several chain work;position

TN953+.2

A

1007－7820(2012)08－038－03

2012-04-02

賴杰鵬(1976—)，男，工程師。研究方向:發(fā)射原理框圖。