基于相关运算的TACAN信号检测方法

摘 要：根据理论设计出不同工作模式下的基准脉冲，作为本地脉冲序列并进行0、1编码，接收机接收到TACAN信号后，依据相同的规则进行0、1编码，把本地脉冲编码序列与接收到编码序列进行相关，通过相关峰值判断是否存在TACAN信号。

关键词：TACAN信号；相关峰值；编码序列

1 概述

导航己成为现代生活中重要的一部分 , 比如车辆驾驶、信息定位等各个方面，在军事方面，导航的作用突出了它的重要性。1955 年，美国军方研制出了近程无线电导航系统，简称为塔康（TACAN），塔康的作用是同时完成测位与测距。近程无线电导航系统主要组成部分是机载设备和塔康地面设备，还包括信标模拟器和信标监测器、塔康指示控制设备等，该系统的实现方式是按照地面设备为中心、以 350~500 公里为半径，从而对在此区域内的飞机进行导航服务，因此又称航空无线电近程导航系统。

塔康是现代飞机 CNS 系统中不可或缺的环节，其主要作用在于可以实现以下功能：测距、测向和信标台识别。在实际应用中，需要与塔康机载设备相适应的塔康信标模拟器，从而实现机载设备的测试；模拟信标的设计方式一般采取的是与硬件相结合。随着技术发展，新的概念不断被提出，其中之一便是“综合航电”，它意味着航电测试系统的对象从之前的单一化航电系统转变为综合性航电多系统。

2 TCAN信号模型

如图 1 所示，塔康系统的调制方式有两种：脉冲调制（PM）以及调幅调制（AM）。

其中调幅调制方式原理如下：主要塔康地面信标台中央天线经过旋转，从而生成了辐射信号；辐射信号在经过第一级调制器件后，该调制器件会不断地旋转，转速为每 s15 圈，产生 15 Hz 脉冲包络调制信号；辐射信号在经过第二级调制器件后，该调制器件会不断的旋转，转速为每 s135 圈，产生 135 Hz 脉冲包络调制信号。

塔康脉冲包络 AM 调制信号的函数表达式为：

塔康也称为近程极坐标式无线电导航系统，它可以为飞机提供距离和方位的导航相关信息。其中，方位信号由两部分构成，基准信号以及包络信号。

基准信号由视频编码脉冲序列组成，该序列有其固定的编码特征；视频编码脉冲的组成部分包括主基准脉冲、辅基准脉冲。

塔康系统分为两种工作模式：X 模式和 Y 模式，工作模式的不同所对应的脉冲序列编码特征也不一样。

在 X 工作模式下，它的主基准脉冲是脉冲对编码序列，脉内时间间隔是 12 μs ，脉冲对时间间隔是 18 μs ；在 Y 工作模式下为 30 μs 。

在 X、Y 工作模式下，它们的辅基准脉冲是连续脉冲序列，其间隔时间分别是 12 μs ，15 μs。

本次实验中以 X 工作模式下为例，对塔康信号完成检测仿真实验分析。

3 X模式主基准脉冲序列检测识别分析

3.1 X模式主基准脉冲本地序列编码

塔康信号由脉冲这一基本单元组成，它的形状如图 2 所示。

图2 塔康信号脉冲示意图

TOA：脉冲上升沿处于半峰值时相应时刻，其意义为脉冲的到达时间。TOA 的两种物理意义：当前信号的时刻以及当前脉冲与相邻脉冲和脉冲对之间的间隔时间。这是 TACAN 信号的特征参数之一。

PW：脉冲上升沿半峰值以及其下降沿半峰值之间所形成的时间差值，也称为脉冲宽度。PW = 3.5 ±0.5 μs。

PA：脉冲的最高点所对应的数值，即脉冲幅度。主要制约因素有信号功率、以及信号之间的传输距离等，PA 可以作为当接收端需要分辨离散出不同信号源的信号的时候重要的参考部分。

脉冲的上升时间 = 2.0±0.25 μs。

脉冲的下降时间 = 2.5±0.25 μs。

根据 TCAN 协议，X 工作模式下，它的主基准脉冲序列如图 3 所示。

假设采样率为 1 MHz，在 X 工作模式下，对其主 基准脉冲序列实现 01 编码，01 编码的规则是在脉冲的峰值处为 1，剩余部分为 0，该序列在进行编码完成后， 其值为 [1000000000001,...1000000000001]。

3.2 X模式主基准脉冲序列检测

接收机接收到信号后，下变频到基带 IQ 信号，并求出幅度值，其计算公式如下：

根据幅度门限 thd，在时域上提取出脉冲信号，并进行峰值提取，确定峰值的位置；根据 3.1 中的方法进行脉冲序列量化，量化后的脉冲序列与本地量化后的脉冲序列进行相关运算。当接收到的信号为 X 模式主基准脉冲序列时，最大的相关峰值为 24，考虑到在实际应用中，受到环境影响，存在误码的可能，设置相关峰值最小门限为 23，最大门限为 25，若相关峰值落在此门限范围内的值，则认为检测到X模式主基准脉冲序列。其检测流程如图 4 所示。

4 仿真及结果分析

接收机的采集带宽为 1 MHz，采样率 fs 为 1.6 MHz，图5为通过基带IQ求出幅度的数据，横坐标为采样点数，纵坐标为幅度值，图 6 为接收序列编码后与本地编码序列相关峰值图，横坐标为采样点数，纵坐标为相关峰值。

从图 5 中可以看出，在 1 356 点处出现了 X 模式主基准脉冲序列，从图 6 中可以看出，在 1 365 点处存在峰值为 24 的相关峰，说明通过本文中的方法，能够准确的识别出 TCAN 信号并初步确定 X 模式主基准脉冲序列的起始位置，从而验证了此方法的可行性。

参考文献：

[1] VENKAIAH P, AVALA R. A novel approach to design of a squared cosine (Cos2) pulse modulated power amplifier used for airborne navigational applications[C].IEEE International Microwave and RF Conference (IMaRC), 2015: 99-101.

[2] 胡可欣,胡爱明.旁瓣消隐技术在雷达中的应用[J].舰船电子工程,2006,26(5): 163-165.

[3] GAO X, HENG L. HORNBOSTEL A, etc.DME/TACAN interference mitigation for GNSS: algorithms and flight test results[J].GPS Solutions, 2013（17）: 561-573.

[4] WANG H, LIU R. DME/TACAN interference mitigated by mixed blanking i n B 2 band[C]. IEEE 13th International Conference on Communication,2011: 897-900.

[5] 庞育才.TACAN信号处理仿真分析及硬件系统方案设计[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

[6] 周振国.塔康系统关键技术的研究与塔康测位的实现[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[7] DING Y Z, JIN L. Algorithm optimization of Kalman filtering in the tactical air navigation system[C]. The 10th International Conference on Communications, Circuits and Systems(ICCCAS), 2018:255-259.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年10月期)