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无线电导航中频信号产生系统设计

工商管理 时间:2019-09-11 09:06:01 来源:电子技术与软件工程 作者:罗政元

罗政元

摘 要 DME/P和塔康是目前流行的两种无线电导航方式。DME/P与塔康系统在工作原理上基本相同。本文设计一套能够产生DME/P和塔康中频信号的模拟器系统,其可以通过上位机软件控制产生信号的各相参数。使用效果显示其可以在很大程度上提升无线电导航信号研发和校准检测人员的工作效率。

【关键词】精密测距 塔康导航中频

1 引言

目前国际流行的无线电导航方式中,精密测距(DME/P)系统和战术空中导航系统(Tactical Air Navigation System,简称塔康或TACAN)是两种主要的技术手段。它们为每架进场飞机提供相对于引导点的飞机三维位置信息,保障飞机按要求轨迹进场、着陆和滑跑,实现自动进场着陆。

其中精密测距DME/P采用双模式工作,按飞机距地面台的远近分为初始进场模式(IA)和最后进场模式(FA)。DME/P的初始进场模式与塔康系统的测距完全相同,最后进场模式也基于相同的工作原理,仅在脉冲波形和编码上有所差别。

因此,从理论上可以设计一套能够产生DME/P和塔康中频信号的模拟器系统。这样可以在很大程度上提升无线电导航信号研发和校准检测人员的工作效率。

2 无线电导航中频信号产生系统设计

本无线电导航信号产生系统主要包含以下几个单元,分别是DME/P模拟中频信号生成单元、塔康模拟中频信号生成单元、开关切换单元和输出接口。如图1所示。

2.1 DME/P模拟中频信号生成单元

该单元可生成符合DME/P标准的模拟中频信号,该单元产生的信号将送往开关切换单元进行选择。此外,还在此单元预留了校准接口,可完成对DME/P信号相关参数的溯源。

DME/P模拟中频信号的产生主要通过DDS芯片和FPGA来完成。如图2所示,DDS芯片是用来生成70MHz中频载波信号,此正弦波波形一般达不到设计的要求,需要在之后进行滤波处理,再送到下一级操作。FPGA 作为控制核心,用来完成与上位机通信、DDS芯片控制和产生符合DME/P信号要求的脉冲序列,而其中的脉冲序列与之前的中频载波信号进行调制,得到我们需要的中频DME/P模拟信号。再通过电平控制单元得到我们需要的电平输出。

模拟中频信号生成单元的输出分为了两路。一路作为输出信号送往开关切换单元中去;另一路作为溯源信号送入接口转换模块,作为校准装置溯源的一部分。激励信号是被测直接传输给信号生成单元,当接收到激励信号后开始工作,生成DME/P模拟中频信号。

生成DME/P模拟中频信号时,载波的产生使用的是DDS芯片。由于DDS的固有特点,正弦波幅度值存在量化误差、相位截断误差。通过DA转换后的输出正弦波波形达不到后续的要求。所以需要将输出波形进行滤波处理。

根据方案中信号的频谱结构和滤波器本身的传输特性,选择了截止特性较好的椭圆函数滤波器进行滤波电路的搭建。为了解决系统初始信号在滤波后信号幅度会随频率的增加而减少这一问题,设计了由电阻和LC并联谐振回路构成的校正电路。经过校正电路与滤波器后,可得到较为理想的信号,具体电路如图3所示。

2.2 塔康模拟中频信号生成单元

塔康信号生成单元可生成符合塔康标准的模拟中频信号,这个信号中包含了塔康信号特有的方位信息。该单元产生的信号将送往开关切换单元进行选择。此外,还在此单元预留了校准接口,可完成对塔康信号相关参数的溯源。

塔康模拟中频信号生成单元主要包括控制电路、载波信号产生电路、15Hz和135Hz包络信号产生电路、调制电路和电平控制电路这五个部分。

如图4所示,我们采用FPGA做为整个系统的控制核心。用来完成与上位机通信、DDS芯片控制、脉冲信号控制、包络信号DDS产生这几个功能。载波信号电路采用DDS芯片来产生70MHz中频载波信号,该信号需要进行滤波之后才能达到后续的使用要求。在TACAN系统中,信号的包络由15Hz信号和135Hz信号叠加而成。拟采用DDS技术,使用FPGA进行正弦波相位值的累加,送往DAC,由DAC输出得到所需要的波形。此信号也需滤波之后才能后续使用。在调制电路中,我们需要进行两次调制。先对70MHz载波信号与脉冲信号进行第一级调制,再将调制后形成的信号与外包络信号进行第二级调制,即可得到塔康模拟中频信号。再通过电平控制单元得到我们需要的电平输出。

与DME/P信号不同,塔康信号除能测量距离外,还包含有相位信息。塔康系统地面信标发射的脉冲信号都是以脉冲对编码(按照脉冲对内脉冲之间的间隔不同编码)构成单元脉冲。由这样的单元脉冲按照一定规则组成主基准群、辅助基准群、台识别信号、应该和随机填充脉冲。

在塔康发射的复杂信号中,方位测量信号由主基准脉冲群、15Hz方位粗测信号、辅基准脉冲群和135Hz方位精测信号组成。主基准脉冲群和15Hz信号用来区别360°全方位中40°的扇形区,而辅基准脉冲群和135Hz信号则是用来确定一个40°扇形区之内的精确的方位。

塔康信號的函数为:s(t)=A0+A1 sin(2πft)+A2 sin(9×2πft)。式中:f=15Hz,A0为直流成分,A1、A2分别为大包络和小包络的调制度。经调制后的信号携带方位信息,测方位时,根据主、辅基准脉冲,计算出基准与包络相位斜率过零点之间的相位差,便完成定位工作。

15Hz/135Hz的包络由FPGA控制DAC来具体实现。采用DDS技术,使用FPGA进行正弦波相位值的累加,通过相位累加器的输出,寻址正弦波幅值ROM表,最后把幅度值送到DAC,由DAC输出得到所需要的波形。此波形需要进行低通滤波后才能供后续使用。

对于塔康信号的生成来说,除了需要上面的载波滤波电路外,还需要对15Hz和135Hz外包络信号进行滤波。这里考虑采用集成运算放大器AD817,结合适当的外围RC电路,搭建三阶巴特沃斯低通滤波器,截止频率为200Hz,具体电路如图5所示。

2.3 开关切换单元

该单元的输入通路是DME/P模拟中频信号和塔康模拟中频信号,通过软件配置选择切换通路来进行输出。

3 结论

依照本文所述思路,搭建了无线电导航中频信号产生系统,该系统可通过软件设置产生DME/P或塔康导航中频信号,且导航参数亦可通过软件设置进行调整。

实际使用证明,该导航信号产生系统可以很好的满足日常科研和检定校准工作需要。

参考文献

[1]朱延军.DME/P精密测距技术研究[J].导航,2002(04):73-77.

[2]刘江庭.数字化精密测距技术的研究[J].现代电子技术,2012,35(07):161-163.

作者单位

中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西省西安市 710068