基于DSP+CPLD的塔康系統測距/測位實現

陜西凌云電器總公司 賴杰鵬

TACAN是1955年研制并投入裝備的近程無線電導航系統，為適應艦載、移動臺站而開發的戰術空中導航系統。

1.系統工作原理

其測位原理是機載設備接收地面信標臺天線輻射特定的方位信號（其中包括基準和包絡信號）后經過處理，測量出基準與包絡之間的相位差，并顯示，完成測位功能。

距離測量是根據二次雷達工作原理，機載設備以80～120Hz（搜索狀態）或20～30Hz（跟蹤狀態）速率發射詢問脈沖對信號，地面信標接收到詢問脈沖信號后，經過一個固定延遲，在向機載設備發射應答脈沖對信號。機載設備接收到信標發射信號后，經過識別選擇出對自己的測距應答脈沖，并測量出詢問脈沖與應答脈沖之間的時間間隔。利用這個間隔T，按下式換算出機載設備與信標臺之間的實際距離D=1/2×C×(T-T0)，C為電波在空間的傳播速度，取為3×108m/s，T0為信標臺的固定延時。公式計算考慮發射詢問信號時和接收回答信號時飛機位置的變化，因為飛機運動速度想對于無線電波的傳輸速度而巖是相當緩慢的，在信號傳播的短時間內飛機位置的變化對計算精度相比較是可以忽略不計的。

2.主要信號形式以及信號特性

TACAN視頻信號是地面信標臺不斷通過天線向其周圍空間發射電磁波信號，經機載設備接收并解調后輸出的塔康視頻信號，它由有一定規律的外包絡調制的數千個脈沖或脈沖對組成，內含有相應的方位和距離等信息。

TACAN視頻信號是由鐘形脈沖組成，脈沖應為準鐘形脈沖(高斯形)；脈沖上升時間：2.0±0.25μs；脈沖下降時間：不超過3.0μs；脈沖寬度：3.5±0.50μs。主要功能用作普通精度方位、距離的測量，工作狀態R或R/T，A/A-R或A/A-R/T，如圖1。

圖1

TACAN視頻信號的識別信息，視頻信號是由大約2700對脈沖對組成，其中包括主基準脈沖群、輔基準脈沖群、識別信號、距離應答信號、隨機填充脈沖。編碼關系如表1所示。

3.測距的主要工作原理及過程

3.1 噪聲過濾控制過程

先對采樣到的1V以上視頻脈沖計數，如超過6000個/秒，即輸出噪音電平信號到噪音AGC控制，使視頻信號中噪聲幅度小于1V;同時通過脈寬鑒別電路，識別視頻信號脈沖寬度，過濾掉小于1.6μs、大于6.4μs的脈沖，即噪聲和強干擾，輸出經50%脈沖幅度檢波的矩形脈沖進行譯碼。

圖2 硬件原理框圖

3.2 脈沖對譯碼過程

當CPLD沖后，首先將計時值存入緩沖內存，如在T/R-X狀態時，判斷其與前面已存入的一個脈沖間隔時間是否為12±0.5μs，如“是”則認為是一對編碼脈沖，即將前一脈沖時間值計入已譯碼脈沖內存有待進一步處理并將緩沖內容清零，同時輸出一譯碼選通標記脈沖。如與前一脈沖間隔時間無任何關系或無前一脈沖，則可認為該脈沖為第一脈沖，可將計時值存入緩沖內存待用。在A/A-X狀態時，收到的脈沖為單脈沖信號，可直接計入譯碼脈沖內存有待處理。

3.3 信號分類識別方法

在R/T-X工作模式，CPLD有4類，一是隨機填充脈沖，只起填充視頻外包絡的作用，在此無任何意義，每秒2700對左右，占總數的74%，二是主、輔基準脈沖群，每秒135組900對占總數的24%。三是距離回答脈沖，每秒25～100對，占總數的2%，四是有規律的識別信號脈沖，此時無隨機及回答脈沖。

表1 塔康視頻信號識別信息

主基準脈沖群：按同樣對待相鄰脈沖的方法對譯碼脈沖內存的脈沖計時值，進行判斷，如T/R-X狀態時，主基準脈沖群規律為12對12μs編碼脈沖對，間隔30μs，如果收到一組脈沖發現間隔30±0.5μs且編碼為12±0.5μs的脈沖對多于8對即可認定是主基準群，當然，為避免干擾，可與前一主基準群進行比較，判斷是否是主基準群，然后輸出譯碼選通標記脈沖并開始主基準計時，同時與通過信號處理識別出的15Hz可變方位信號正斜率拐點的選通標記脈沖定時點比較，輸出16位計時值即方位數據。

輔基準脈沖群：同樣，T/R-X狀態時，輔基準群為間隔24μs編碼12μs的6對脈沖群，如連續收到4對具有該規律的信號脈沖，可認定是輔基準群而發出輔基準定位信號。識別信號：將收到的每一組信號變為一個單脈沖，主、輔基準群也各化為一個單脈沖進入內存，每25ms判斷一次，看是否有間隔100±10μs的脈沖對在25ms內連續出現25次(極限35次)或斷續出現25次，如有即認為是有效識別信號并發出1350Hz識別信號經過隔離放大輸出，直到某一25ms區間無該規律信號出現為止，按莫爾斯碼的規律，點長信號125±12.5ms，劃長信號375±37.5ms，在最壞情況下，點長信號可在4個25ms區間識別到，劃長信號可在14個25ms區間識別到，采樣判斷區間滿足正常使用要求，同時可判斷輸出臺址碼。

回答信號：對于回答信號的識別比較復雜一些，可分為“搜索”、“跟蹤”、“記憶”三種情況。DSP根據距離(“搜索”、“跟蹤”、“記憶”)的工作狀態，定時按數學規律給CPLD時計數值進行延時。先送一按偽隨機序列碼延時的計數值到16位比較寄存器，時間到后，開始發射導前封閉脈沖(6.5μs)，復位計數頻率10MHz的16位高速計數器(高速計數器的精度為±0.1μS，相當于距離±15米)，同時將該信號經緩沖輸出去封閉接收分機、視頻通道及外部其它設備等；1.5μs后生成脈寬3μs的詢問脈沖，第二個導前封閉脈沖同樣生成第二詢問脈沖，即詢問脈沖對。當有外界封閉信號出現時，詢問脈沖不發射輸出，起到一保護作用。如正常，高速計數器即同時開始有效計數，將固定延時過后的500km路程中即3300μs時間均分為10μs間隔的區間，16位內存內的每一個字區間表示為1.5km的距離，將在這一3300μs時間內收到的所有隨機脈沖按其收到的時間計數值存入內存，在“搜索”狀態，設備每秒發射100對詢問脈沖，按70%的概率計算，應能收到70對脈沖，即0.1s應收到7對脈沖，連續搜索0.1s，收到的回答脈沖在某相鄰的二區間內可達到6～8對，而其它區間在0.1s內進入的總脈沖對數最壞情況下為370對，平均到每個區間僅為1.1對，遠遠小于距離回答脈沖在該區間出現的個數，轉入“跟蹤”狀態后，設備每秒發25對詢問脈沖，按70%概率計算，每秒應收到17.5對回答脈沖，如飛機相對于地面速率為±2km/s，則最差的情況時，連續有6對脈沖未收到，第7對脈沖收到時，飛機已飛越560m，相當于4μs時間，所以設定跟蹤區間為±1km，足以滿足動態范圍需要，丟失信號即“記憶”后8s范圍內，可按地速±2km/s逐步擴大搜索范圍，而顯示值則按原值加當時速率值繼續輸出，直到抓住新值。如4s時△t=±8km，8s時△t=±16km，在△t范圍內的任何一點如連續收到3組脈沖，即可認定重新抓住了信號，可鎖定后繼續“跟蹤”，否則過15s，即轉入“搜索”，按原方法重新搜索信號。

在A/A-X狀態，設備除發出詢問脈沖并等待回答信號外還接收其它設備發出的詢問脈沖，經譯碼識別確認后驅動總延時為T0=50μs固定延時電路延時后，形成3μs回答脈沖送至發射分機電路，當有外界封閉信號出現時，發射脈沖不輸出，起到一保護作用。為保護發射分機不因發射脈沖太多而燒毀，應控制到發射分機的詢問脈沖和回答脈沖發射數量，不超過600個。

4.硬件電路方案

本項目硬件電路部分主要是采用大容量的CPLD+DSP數字信號處理相結合，硬件電路設計主要包括信號預處理電路、CPLD電路、DSP處理電路等各部分電路之間的接口設計以及電源電路等部分。硬件電路為軟件處理模塊提供輸入數據和處理資源，并在軟件的統一協調下完成數字信號處理。硬件原理框圖如圖2所示。

5.結束語

提出了一種利用DSP和CPLD相結合的方式來完成塔康系統的測距、側位功能，利用數字信號處理和可編程邏輯器件來合理分配所需完成的功能。使得設備可靠性增強、功能模塊清晰。實際表明該方法有效可行。

[1]程慧莉,張洪戎.智能導航總體框架[J].北京航天航空大學.

[2]張忠興.無線電導航原理[J].空軍電訊工程學院.

[3]1993.9ICAO,AERONAUTICAL TELECOMMUNICATIONS ANNEX10.1990-11-15.