塔康地面信标半幅探测电路对测距精度的影响分析

王鼎，章小梅，栾宝宽

（海军航空工程学院青岛校区，青岛 266041）

塔康是战术空中导航（Tactical Air Navigation，TACAN）的英文缩写的音译名称，该系统采用极坐标定位原理，主要有距离测量、方位测量和台识别三个功能。塔康系统主要由地面信标和机载设备组成，发射的信号是一系列有序的高斯形脉冲，它正是通过发射和接收高斯脉冲来实现上述功能的。

塔康采用的是询问/回答式双程脉冲测距原理，由机载设备和地面信标配合来完成测距。首先，机载设备发出测距询问脉冲，地面信标接收到询问脉冲后，经过系统固定延时0t，发出测距应答脉冲，具体如图1（a）所示。这样，机载设备就可以测量出从发出询问脉冲到接收到应答脉冲之间的时间间隔总t，如图1（b）所示。由于无线电波传播的速度远远大于飞机的飞行速度，飞机与地面信标之间的距离R在时间总t内可以认为是不变的，那么距离R就可以利用下面的式（1）计算出来。

从测距原理可以看出，塔康是通过测量时间来完成距离测量的。要进行时间测量，就必须先确定一个时间上的参考点，即测距定时点。而高斯脉冲本身是有宽度的，并且这个宽度对塔康测距而言是不能忽略的，定时的精度直接影响测距的精度。

图1 塔康测距原理示意图

为了保证定时点的稳定可靠性，塔康地面信标通过对接收到的高斯脉冲进行半幅探测来获取定时点。

1 半幅探测的原理与实现

所谓半幅探测，就是将高斯脉冲前沿半幅度点对应的时间点作为测距定时点。半幅探测的实现原理是：首先取高斯脉冲峰值VP的一半（即VP/2）作为参考电压，然后将高斯脉冲和参考电压分别加到比较器的正相输入端和反相输入端，比较器就会输出一个矩形脉冲，即半幅探测脉冲，并且该脉冲的前沿与高斯脉冲前沿的半幅度点在时间上是对齐的，塔康地面信标正是以半幅探测脉冲的前沿作为定时点的，实际上也就是以高斯脉冲前沿的半幅度点作为定时点。

塔康地面信标之所以取VP/2作为参考电压，主要原因是：如果参考电压选取得过小，则定时点容易受脉冲底部噪声的干扰；如果参考电压选取得过大，由于高斯脉冲包络顶部的斜率较小，同样的幅度误差就会引入更大的定时误差。而在高斯脉冲的半幅度点处，幅度误差对定时点的影响较小，同时又能有效避免底部噪声的干扰，定时点比较稳定可靠。

但在实际中，为了保证信标接收机的动态性能，必须先对接收到的高斯脉冲进行对数压缩，然后再对对数脉冲进行处理。

对高斯脉冲的半幅度VP/2取以10为底的对数

在式（2）中，lgPV相当于对数脉冲的峰值，该式表明对数脉冲峰值以下 0.3V处的点与高斯脉冲的半幅度点是对应的。所以，参考电压应取在对数脉冲峰值以下 0.3V处。我们把对数脉冲峰值以下0.3V处的点也称为“半幅度点”。

图2为半幅探测电路的结构图。

图2 半幅探测电路结构图

半幅探测电路的工作过程：对数脉冲经过射随器的隔离之后分为完全相同的两路，其中一路经过补偿调节和半幅调节之后进入峰值检波电路，峰值检波的输出作为参考电压加到比较器的一个输入端；由于峰值检波电路的积分响应特性，峰值检波电压平直部分的到来时刻总是滞后于对数脉冲的起始时刻，为了保证两路信号的同步，另外一路对数脉冲必须先经过延时线，然后再送入比较器；两路信号比较之后，输出一个负脉冲，反相之后变为正脉冲，也就是半幅探测脉冲。半幅探测脉冲的后沿触发一个单稳态触发器产生一个约 μs3 的正脉冲，使放电管V1导通，峰值检波电路的检波电容通过三极管放电，放电之后峰值检波电路恢复到初始状态，等待下一个对数脉冲的到来。输出的半幅探测脉冲送入解码延时单元，进行下一步的处理。

2 幅度误差对测距精度的影响

为了保证定时点的准确性，就必须使参与比较的两路信号的幅度差满足要求，也就是使参考电压比对数脉冲的峰值低0.3V。在半幅探测电路中，这一点是通过调整三个电位器来实现的：一是通过调整静噪偏压电位器 RP1，使-8.4V分压之后得到的直流电压为-0.3V，以抑制脉冲底部的噪声抖动；二是调整补偿调节电位器RP3，使该路对数脉冲分压之后的幅度与另外一路对数脉冲经过延时线之后的幅度相等；三是调整半幅调节电位器RP2，使比较器两个输入端，峰值检波电压的平直部分比对数脉冲的峰值低0.3V。

在设备使用过程中，由于调整不当或者电路元件损坏等原因，参考电压与对数脉冲峰值的幅度关系就会发生偏差，从而导致定时误差，进而造成测距误差。

高斯脉冲的包络可以表示为

根据GJB914-90的要求，塔康系统高斯脉冲的半幅宽度应为 μs5.05.3 ± ，则对于标准的高斯脉冲应该有

计算可得，226.0≈β，式（3）就可以改写为

对数脉冲的包络可以表示为 )(lg)(0tutu= ，将式（5）代入整理后得到

为了计算方便，令0τ=，对式（6）求导得出

由于对数脉冲的包络上，某一点的斜率也就反映了该点处的定时误差Δt与参考电压的幅度误差Δu之间的关系。所以在“半幅度点”处，Δu(V)/Δt(μs)=0.35，即Δt(μs)/Δu(V)≈3。

假设参考电压的幅度误差仅为0.1V，对应的定时误差大约为 0.3 μs，根据塔康的测距公式（不考虑其它因素），引入的测距误差为45m。将45m的测距误差与塔康的测距精度进行比较，就会发现，参考电压的幅度误差对测距精度的影响是非常明显的，因此参考电压调整的准确性是保证测距精度的关键因素。

3 脉冲宽度对定时点的影响

前面主要讨论了设备自身的信号处理对测距精度可能带来的影响，但在实际应用中，影响塔康测距精度的因素有很多，其中一种很重要的因素就是多径干扰。

由于障碍物和地面对信号的反射，进入塔康信标接收机输入端的信号是直达信号和多径信号的叠加信号，不同的传播路径对测距询问脉冲对的影响也是不同的，大致可以分为三种情况，如图3所示。

第一种情况是，多径信号A的延迟时间小于脉冲宽度，多径信号脉冲对的第一个脉冲与直达信号脉冲对的第一个脉冲同时到达信标接收机的输入端，就会导致脉冲波形的畸变和展宽。第二种情况是，多径信号B的延迟时间大于脉冲宽度，同时小于脉冲对内两脉冲的间隔。第三种情况是，多径信号C的延迟时间大于脉冲对内两脉冲的间隔。

后两种情况，可能会导致接收机对测距询问脉冲对的“错误跟踪”，但接收机的解码延时电路能够在一定程度上抑制这类干扰，一般不会对测距精度造成影响。

对于第一种情况，如果半幅探测电路对变形的高斯脉冲进行处理，输出半幅探测脉冲前沿的位置即定时点就会产生误差，从而引入测距误差。同时半幅探测脉冲的宽度也会因为多径信号而展宽，并且半幅探测脉冲的宽度与定时点的位置存在一定的对应关系。当多径时延较小时，多径信号影响的是高斯脉冲前沿，半幅探测脉冲会展宽，也会引入定时误差，对测距精度产生影响；当定时误差较大时，多径信号影响是高斯脉冲后沿，半幅探测脉冲的宽度进一步增大，超过临界宽度值τ，但不会引入定时误差，将不会影响测距精度。

这样，我们就可以在半幅探测单元中设计一个数字延时补偿电路，原理如图4所示。其中，半幅探测脉冲的宽度T与定时误差tΔ之间的关系以及临界宽度值τ，可以通过实验或仿真获得。

图4 数字延时补偿原理示意图

如图4所示，首先对半幅探测脉冲进行宽度测量，然后判断宽度T是否满足条件τ≤≤Tμs5.3。如果不满足条件，就认为定时误差0Δ=t，不进行补偿控制；如果满足条件，计算定时误差tΔ，再利用定时误差tΔ去控制解码延时单元的可调数字延时器的延时时间，对定时误差进行补偿，从而在一定程度上提高塔康的测距精度。

4 结束语

本文在深入分析塔康系统测距过程中采用的定时方法和塔康地面信标半幅探测电路工作原理的基础上，通过理论推导，得到了定时误差与参考电压幅度误差之间的定量关系Δt(μs)/Δu(V)≈3；另外还进一步探讨了多径干扰对塔康测距精度的影响，根据半幅探测脉冲宽度T与定时误差Δt之间的关系，判断是否满足条件3.5μs≤T≤τ，并计算Δt，用于控制延时时间，从而减小定时误差对测距精度的影响。

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