王鼎，章小梅，欒寶寬

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

塔康是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航（Tactical Air Navigation，TACAN）的英文縮寫的音譯名稱，該系統(tǒng)采用極坐標(biāo)定位原理，主要有距離測量、方位測量和臺識別三個功能。塔康系統(tǒng)主要由地面信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備組成，發(fā)射的信號是一系列有序的高斯形脈沖，它正是通過發(fā)射和接收高斯脈沖來實(shí)現(xiàn)上述功能的。

塔康采用的是詢問/回答式雙程脈沖測距原理，由機(jī)載設(shè)備和地面信標(biāo)配合來完成測距。首先，機(jī)載設(shè)備發(fā)出測距詢問脈沖，地面信標(biāo)接收到詢問脈沖后，經(jīng)過系統(tǒng)固定延時0t，發(fā)出測距應(yīng)答脈沖，具體如圖1（a）所示。這樣，機(jī)載設(shè)備就可以測量出從發(fā)出詢問脈沖到接收到應(yīng)答脈沖之間的時間間隔總t，如圖1（b）所示。由于無線電波傳播的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛機(jī)的飛行速度，飛機(jī)與地面信標(biāo)之間的距離R在時間總t內(nèi)可以認(rèn)為是不變的，那么距離R就可以利用下面的式（1）計算出來。

從測距原理可以看出，塔康是通過測量時間來完成距離測量的。要進(jìn)行時間測量，就必須先確定一個時間上的參考點(diǎn)，即測距定時點(diǎn)。而高斯脈沖本身是有寬度的，并且這個寬度對塔康測距而言是不能忽略的，定時的精度直接影響測距的精度。

圖1 塔康測距原理示意圖

為了保證定時點(diǎn)的穩(wěn)定可靠性，塔康地面信標(biāo)通過對接收到的高斯脈沖進(jìn)行半幅探測來獲取定時點(diǎn)。

1 半幅探測的原理與實(shí)現(xiàn)

所謂半幅探測，就是將高斯脈沖前沿半幅度點(diǎn)對應(yīng)的時間點(diǎn)作為測距定時點(diǎn)。半幅探測的實(shí)現(xiàn)原理是：首先取高斯脈沖峰值VP的一半（即VP/2）作為參考電壓，然后將高斯脈沖和參考電壓分別加到比較器的正相輸入端和反相輸入端，比較器就會輸出一個矩形脈沖，即半幅探測脈沖，并且該脈沖的前沿與高斯脈沖前沿的半幅度點(diǎn)在時間上是對齊的，塔康地面信標(biāo)正是以半幅探測脈沖的前沿作為定時點(diǎn)的，實(shí)際上也就是以高斯脈沖前沿的半幅度點(diǎn)作為定時點(diǎn)。

塔康地面信標(biāo)之所以取VP/2作為參考電壓，主要原因是：如果參考電壓選取得過小，則定時點(diǎn)容易受脈沖底部噪聲的干擾；如果參考電壓選取得過大，由于高斯脈沖包絡(luò)頂部的斜率較小，同樣的幅度誤差就會引入更大的定時誤差。而在高斯脈沖的半幅度點(diǎn)處，幅度誤差對定時點(diǎn)的影響較小，同時又能有效避免底部噪聲的干擾，定時點(diǎn)比較穩(wěn)定可靠。

但在實(shí)際中，為了保證信標(biāo)接收機(jī)的動態(tài)性能，必須先對接收到的高斯脈沖進(jìn)行對數(shù)壓縮，然后再對對數(shù)脈沖進(jìn)行處理。

對高斯脈沖的半幅度VP/2取以10為底的對數(shù)

在式（2）中，lgPV相當(dāng)于對數(shù)脈沖的峰值，該式表明對數(shù)脈沖峰值以下 0.3V處的點(diǎn)與高斯脈沖的半幅度點(diǎn)是對應(yīng)的。所以，參考電壓應(yīng)取在對數(shù)脈沖峰值以下 0.3V處。我們把對數(shù)脈沖峰值以下0.3V處的點(diǎn)也稱為“半幅度點(diǎn)”。

圖2為半幅探測電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 半幅探測電路結(jié)構(gòu)圖

半幅探測電路的工作過程：對數(shù)脈沖經(jīng)過射隨器的隔離之后分為完全相同的兩路，其中一路經(jīng)過補(bǔ)償調(diào)節(jié)和半幅調(diào)節(jié)之后進(jìn)入峰值檢波電路，峰值檢波的輸出作為參考電壓加到比較器的一個輸入端；由于峰值檢波電路的積分響應(yīng)特性，峰值檢波電壓平直部分的到來時刻總是滯后于對數(shù)脈沖的起始時刻，為了保證兩路信號的同步，另外一路對數(shù)脈沖必須先經(jīng)過延時線，然后再送入比較器；兩路信號比較之后，輸出一個負(fù)脈沖，反相之后變?yōu)檎}沖，也就是半幅探測脈沖。半幅探測脈沖的后沿觸發(fā)一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器產(chǎn)生一個約 μs3 的正脈沖，使放電管V1導(dǎo)通，峰值檢波電路的檢波電容通過三極管放電，放電之后峰值檢波電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下一個對數(shù)脈沖的到來。輸出的半幅探測脈沖送入解碼延時單元，進(jìn)行下一步的處理。

2 幅度誤差對測距精度的影響

為了保證定時點(diǎn)的準(zhǔn)確性，就必須使參與比較的兩路信號的幅度差滿足要求，也就是使參考電壓比對數(shù)脈沖的峰值低0.3V。在半幅探測電路中，這一點(diǎn)是通過調(diào)整三個電位器來實(shí)現(xiàn)的：一是通過調(diào)整靜噪偏壓電位器 RP1，使-8.4V分壓之后得到的直流電壓為-0.3V，以抑制脈沖底部的噪聲抖動；二是調(diào)整補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器RP3，使該路對數(shù)脈沖分壓之后的幅度與另外一路對數(shù)脈沖經(jīng)過延時線之后的幅度相等；三是調(diào)整半幅調(diào)節(jié)電位器RP2，使比較器兩個輸入端，峰值檢波電壓的平直部分比對數(shù)脈沖的峰值低0.3V。

在設(shè)備使用過程中，由于調(diào)整不當(dāng)或者電路元件損壞等原因，參考電壓與對數(shù)脈沖峰值的幅度關(guān)系就會發(fā)生偏差，從而導(dǎo)致定時誤差，進(jìn)而造成測距誤差。

高斯脈沖的包絡(luò)可以表示為

根據(jù)GJB914-90的要求，塔康系統(tǒng)高斯脈沖的半幅寬度應(yīng)為 μs5.05.3 ± ，則對于標(biāo)準(zhǔn)的高斯脈沖應(yīng)該有

計算可得，226.0≈β，式（3）就可以改寫為

對數(shù)脈沖的包絡(luò)可以表示為 )(lg)(0tutu= ，將式（5）代入整理后得到

為了計算方便，令0τ=，對式（6）求導(dǎo)得出

由于對數(shù)脈沖的包絡(luò)上，某一點(diǎn)的斜率也就反映了該點(diǎn)處的定時誤差Δt與參考電壓的幅度誤差Δu之間的關(guān)系。所以在“半幅度點(diǎn)”處，Δu(V)/Δt(μs)=0.35，即Δt(μs)/Δu(V)≈3。

假設(shè)參考電壓的幅度誤差僅為0.1V，對應(yīng)的定時誤差大約為 0.3 μs，根據(jù)塔康的測距公式（不考慮其它因素），引入的測距誤差為45m。將45m的測距誤差與塔康的測距精度進(jìn)行比較，就會發(fā)現(xiàn)，參考電壓的幅度誤差對測距精度的影響是非常明顯的，因此參考電壓調(diào)整的準(zhǔn)確性是保證測距精度的關(guān)鍵因素。

3 脈沖寬度對定時點(diǎn)的影響

前面主要討論了設(shè)備自身的信號處理對測距精度可能帶來的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中，影響塔康測距精度的因素有很多，其中一種很重要的因素就是多徑干擾。

由于障礙物和地面對信號的反射，進(jìn)入塔康信標(biāo)接收機(jī)輸入端的信號是直達(dá)信號和多徑信號的疊加信號，不同的傳播路徑對測距詢問脈沖對的影響也是不同的，大致可以分為三種情況，如圖3所示。

第一種情況是，多徑信號A的延遲時間小于脈沖寬度，多徑信號脈沖對的第一個脈沖與直達(dá)信號脈沖對的第一個脈沖同時到達(dá)信標(biāo)接收機(jī)的輸入端，就會導(dǎo)致脈沖波形的畸變和展寬。第二種情況是，多徑信號B的延遲時間大于脈沖寬度，同時小于脈沖對內(nèi)兩脈沖的間隔。第三種情況是，多徑信號C的延遲時間大于脈沖對內(nèi)兩脈沖的間隔。

后兩種情況，可能會導(dǎo)致接收機(jī)對測距詢問脈沖對的“錯誤跟蹤”，但接收機(jī)的解碼延時電路能夠在一定程度上抑制這類干擾，一般不會對測距精度造成影響。

對于第一種情況，如果半幅探測電路對變形的高斯脈沖進(jìn)行處理，輸出半幅探測脈沖前沿的位置即定時點(diǎn)就會產(chǎn)生誤差，從而引入測距誤差。同時半幅探測脈沖的寬度也會因?yàn)槎鄰叫盘柖箤?，并且半幅探測脈沖的寬度與定時點(diǎn)的位置存在一定的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)多徑時延較小時，多徑信號影響的是高斯脈沖前沿，半幅探測脈沖會展寬，也會引入定時誤差，對測距精度產(chǎn)生影響；當(dāng)定時誤差較大時，多徑信號影響是高斯脈沖后沿，半幅探測脈沖的寬度進(jìn)一步增大，超過臨界寬度值τ，但不會引入定時誤差，將不會影響測距精度。

這樣，我們就可以在半幅探測單元中設(shè)計一個數(shù)字延時補(bǔ)償電路，原理如圖4所示。其中，半幅探測脈沖的寬度T與定時誤差tΔ之間的關(guān)系以及臨界寬度值τ，可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真獲得。

圖4 數(shù)字延時補(bǔ)償原理示意圖

如圖4所示，首先對半幅探測脈沖進(jìn)行寬度測量，然后判斷寬度T是否滿足條件τ≤≤Tμs5.3。如果不滿足條件，就認(rèn)為定時誤差0Δ=t，不進(jìn)行補(bǔ)償控制；如果滿足條件，計算定時誤差tΔ，再利用定時誤差tΔ去控制解碼延時單元的可調(diào)數(shù)字延時器的延時時間，對定時誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而在一定程度上提高塔康的測距精度。

4 結(jié)束語

本文在深入分析塔康系統(tǒng)測距過程中采用的定時方法和塔康地面信標(biāo)半幅探測電路工作原理的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)，得到了定時誤差與參考電壓幅度誤差之間的定量關(guān)系Δt(μs)/Δu(V)≈3；另外還進(jìn)一步探討了多徑干擾對塔康測距精度的影響，根據(jù)半幅探測脈沖寬度T與定時誤差Δt之間的關(guān)系，判斷是否滿足條件3.5μs≤T≤τ，并計算Δt，用于控制延時時間，從而減小定時誤差對測距精度的影響。

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