采用高增益塔康天線構建戰術導航網

栗秀清

（國營七六四廠，天津 300210）

1 概述

1.1 塔康系統

塔 康（TACAN）是 戰 術 空 中 導 航 系 統（Tactical Air Navigation System）的簡稱，又名航空近程導航系統。該系統具有測向、測距及信標臺識別功能，以實現極坐標定位。系統主要包括地面塔康信標和塔康機載設備兩部分。

1.2 塔康天線

塔康天線是塔康系統的關鍵設備之一。它把塔康地面應答機產生的射頻信號輻射出去，產生旋轉的九瓣心形輻射場型，在其服務空域內為裝有塔康機載設備的飛機提供方位、距離及識別信號，實現對飛機的極坐標導航，塔康天線輻射方向圖如圖1所示。

圖1 塔康天線輻射方向性圖

塔康天線按其方向圖掃描形成的方案可分為機械掃描天線和電子掃描天線。按包絡調制形式，可分為單15赫調制天線和15赫與135赫合成調制天線。電子掃描天線有三種實現方式。分別是寄生調制、幅度調制和相位調制。

1.3 天線增益

天線增益是天線在某一方向上輻射能量集中程度表征，一般參考輻射源為全方向性輻射源。增益與天線方向圖密切相關系，方向圖主瓣越窄，輻射能量越集中，增益越高。

不同種類的塔康天線垂直方向圖有很大區別，其中主瓣最大值所處的仰角范圍直接涉及到系統工作區和場地影響問題，一般來說，小型天線主瓣仰角比較高，與半波對稱振子相比的天線網絡增益約為2dB左右，一般大型天線主瓣仰角比較低，與半波對稱振子相比的天線網絡增益約為5dB左右。

2 塔康導航系統作用距離估算

2.1 電磁波視距傳播特性

由于電磁波的視距傳播特性，所以塔康系統的最遠作用距離受限于視距傳播的最遠距離，但是由于大氣折射因素，實際電磁波視距傳播距離會變遠，所以，塔康系統的最遠作用距離可按公式（1）進行估算：

其中，Rmax為電磁波傳播的最遠作用距離，H1為塔康信標天線的架設高度，Hmax為飛機的最高飛行高度。根據該公式可知，由于電磁波的視距傳播特性，塔康導航系統可能的最遠作用距離約為552千米（飛行高度18000米），但考慮飛機性能差異，飛行高度按12000米來進行分析評估，這時塔康導航系統可能的最遠作用距離約為450千米。

2.2 系統最大傳輸損耗

因為塔康系統測距功能必須通過信號的下傳和上傳雙程傳輸，電磁波在空間傳輸的過程中總是有損耗的，所以系統的作用距離主要考慮電磁波的空間傳輸損耗。空間兩點間正常無線通信能量平衡關系見公式（2）：

式中，Pr為接收點天線收到的輻射信號功率；Gr為接收天線增益系數；Pt為發射點天線輻射出去的信號功率；Gt為發射天線增益系數。

對上式兩邊取對數化簡得關系式：

其中，工作頻率f的單位為兆赫茲；r的單位為千米；Pt和Pr的單位都為瓦。

則（3）式變為

公式（4）為電磁波自由空間傳輸損耗，公式（5）為空間兩點間通信的系統最大傳輸損耗，如果按照最遠視距傳播距離552千米計算，空間傳輸損耗約為148dB。如果限定最遠作用距離為450千米，則電磁波自由空間傳輸損耗約為146dB。

設Pt為2700W（考慮1dB電纜損耗），Pr為-120dBW（考慮1dB電纜損耗），中心頻率為1088MHz。可計算出上行鏈路允許的系統最大傳輸損耗約為156dB。

設Pt為400W（考慮1dB電纜損耗），Pr為-121dBW（考慮1dB電纜損耗），中心頻率為1088MHz。可計算出下行鏈路允許的系統最大傳輸損耗約為149dB。

2.3 影響系統作用距離的因素分析

從電磁波視距傳播特性及塔康系統通信傳輸損耗來看，理論上采用2dB低增益塔康天線（與半波對程振子相比）也可以滿足最大作用距離的要求，但實際上由于塔康信標天線調制方向圖衰減特性及周圍的地面反射可能產生的測距“零陷區”，實際的系統最大傳輸損耗還需考慮這兩個因素，根據文獻4中的分析，信標天線的調制方向圖衰減量約為1.32dB，由于地面反射引起的谷點電平比自由空間電平低4～6.6dB。

如果以最大視距傳播450千米考慮，由于信標天線調制方向圖和地面反射引起的谷點電平之和約為5.32～7.92dB，所以下行鏈路系統最大允許的傳輸損耗平均值約為142.38 dB，與450千米空間傳輸損耗146dB相差約3.62dB。由于系統信號傳輸損耗高于自由空間信號傳輸損耗，所以影響系統的最遠作用距離。

2.4 提升作用距離的措施分析

通過塔康系統雙向鏈路信號傳輸損耗的計算，可知塔康系統的最大作用距離主要取決于下行鏈路的系統最大傳輸損耗。同時要考慮信標天線調制方向圖和地面反射引起的谷點電平衰減的影響，所以要減少下行鏈路的系統傳輸損耗，由下行鏈路的計算方法可知能夠降低系統傳輸損耗的有效措施主要是提高塔康信標的接收機靈敏度和塔康信標天線的增益。由于塔康地面接收機的動態范圍、抗干擾容限、電磁兼容等方面的制約，接收機靈敏度的提高難度較大，所以提高系統作用距離的有效措施就是提升信標天線的增益，選用5dB高增益塔康信標天線（與半波對程振子相比）比2dB低增益塔康天線提升3dB天線增益。

參照文獻1中論述，當飛機高度在12000米高空時，需要考慮第一號零區的影響。文獻1的附錄三，零區與天線高度（H1）、反射點距離（d1）的關系曲線顯示，在一般陸地反射面，零區1的反射點大約在1千米左右，在多數情況下，距離塔康信標臺1千米的位置多數地勢不會平坦，或者有樹木、建筑或土丘，所以因地面反射引起的谷點電平實際上小于根據理想反射面計算得到的信號衰減量，而且塔康地面接收機靈敏度指標一般也有1dB的靈敏度裕度，機載塔康設備也具有一定的測距和測位記憶功能（8～10秒），所以說提高塔康天線增益3dB后，考慮塔康系統影響作用距離因素的實際現狀，系統信號下行鏈路滿足傳輸要求。

綜合以上分析，采用高增益塔康信標天線，飛機在最大飛行高度12000米的情況下，能夠滿足450千米的最大作用距離。

3 采用高增益塔康天線構建戰術導航網的可行性分析

3.1 建網必要性

構建戰術導航網絡，有利于提升飛機導航信號安全性和完備性，以及飛機遠距離巡航時導航信號的連續性，也有利于保證各信標臺之間信號交叉覆蓋的冗余度。建成的導航網絡將覆蓋我國整個空域，有利于飛機緊急情況下靈活執行特定任務。

3.2 建網可行性

根據實際的校飛經驗和理論計算，如果采用高增益塔康信標天線，飛機在12000米飛行高度的情況下，塔康系統的作用距離能達到450千米，這就為戰術導航網絡的構建創造了條件，如圖2所示，為了實現兩個塔康信標臺之間導航信號的不間斷覆蓋，最大間距大約為900千米。我國東西跨度約5200千米，南北跨度約5500千米，如果按照最大間距900千米設置塔康導航臺，理論上東西設置6個塔康臺、南北設置7個塔康臺就能滿足東西和南北方向的塔康導航信號覆蓋要求，這在塔康臺選址難度和建設費用來說都是可以接受的。因此，建議塔康信標臺采用高增益塔康天線，合理選擇塔康信標臺的臺址，兼顧信號交叉覆蓋和信號不間斷原則，構建塔康系統的戰術導航網絡。

當然，提高塔康信標信號覆蓋范圍，更有利于戰術導航網的構建，在實際的戰術導航網構建設計上還有許多系統的問題需要考。

圖2 兩套塔康信標組網最遠距離示意圖

4 結束語

通過本文的分析，如果塔康信標選用高增益塔康天線，將會以較小的成本投入實現空中戰術導航網絡的構建，并且該戰術導航網絡能夠覆蓋沿海專署經濟區范圍，對鞏固國防具有重要的戰略意義。