机载TACAN设备接收信道健康评估方法*

李光彩，任 震,文 佳,梁淏翔,梁天辰

(1.中国西南电子技术研究所，成都 610036;2.中国人民解放军95960部队，西安 710089)

0 引 言

机载战术空中导航(Tactical Air Navigation，TACAN)设备为飞机提供测距、测向功能，保障飞机沿预定航线飞行以及在复杂气象条件下引导飞机归航和进场着陆，是重要的导航设备，其完好状态直接影响飞行安全[1-2]。现代飞机视情维修模式要求具备对机载设备实时、精确的健康状态评估能力，以便提前安排维修活动，保证设备完好与飞行安全，而机载TACAN设备已有的机内测试(Built-in-Test，BIT)和地面测试手段存在一定的局限。

针对BIT和地面测试方法存在的问题，国外学者提出了基于故障预测与健康管理(Prognostic and Health Management，PHM)的技术解决方案[3-4]，通过引入先进的传感器手段和各种智能推理算法、模型，达到数据采集更全面、信息利用更高效的目的，实现了对机载设备实时、精确的健康感知与评估能力，并在航空、航天等领域获得了成功的应用[5-7]。针对机载TACAN设备，PHM技术应用的瓶颈在于故障机理认知不充分，导致健康表征参数识别不准确，缺乏定量化的健康评估模型。

本文通过分析机载TACAN设备的工作原理，提出一种基于自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)偏差的机载TACAN设备接收信道健康评估方法。该方法利用机载TACAN设备实时采集记录的飞行数据信息，定量化评估设备接收信道的健康度水平，使得飞机维护人员可以实时、准确地掌握设备的健康状态，从而合理安排设备维修时机，在设备完全故障之前进行维修更换，减少因为设备故障导致的飞机停机时间，实现基于状态的维修。

1 机载TACAN设备简介

1.1 机载TACAN设备工作原理

机载TACAN设备主要由天线、接收信道、发射信道和信号处理四部分组成，其工作原理如图1所示。

图1 机载TACAN设备组成及工作原理

接收时，接收信道对天线接收的TACAN信号进行下变频、滤波放大、程控衰减、A/D变换等处理，形成数字中频，然后送入信号处理进行解调和基带处理，并产生最终的测量数据。发射时，由信号处理产生所需的数字信号，经发射信道完成D/A变换、上变频、信号调制和功率放大后，形成发射信号送到天线进行发射。

1.2 AGC电路工作原理

AGC电路的功用是对接收信道的滤波放大后的信号进行动态范围压缩，即当接收信道的输入信号幅度起伏变化时，通过控制接收信道增益，使信号输出幅度保持恒定，以满足后续数字采样和信号处理的要求[8]。AGC电路由程控衰减器、比较器、计数器和计算模块几部分构成，其工作原理如图2所示。

图2 AGC控制电路工作原理

AGC电路通过检测视频信号包络的占空比变化，计算接收信号幅度的变化量和接收增益的衰减量即AGC衰减量，经过一定的放大反馈给数控衰减器，调整输入信号幅度，使输入信号保持在A/D采样范围之内。

2 AGC衰减量计算

2.1 标准AGC衰减量计算

AGC的目的是将接收信号在A/D变换前控制在AD芯片要求的信号电平范围内。假设接收信道增益(设计值)为LRec，AD芯片要求的信号电平为LAD，可得AGC衰减量标准值满足

LAGC=P-L-Ls+LRec-LAD。

(1)

空地模式下，P表示地面TACAN设备发射脉冲功率；Ls表示空地模式下电磁波传播路径上的固定衰减量，与地面TACAN设备天线最小增益(L1)、机载TACAN设备天线平均增益(L2)、机载TACAN设备射频电缆插入损耗(L3)、地面TACAN设备射频电缆插入损耗(L4)、监测器损耗(L5)和传播影响地面多路径损耗(L6)相关，计算公式为

Ls(AE)=-L1-L2+L3+L4+L5+L6。

(2)

空空模式下，P表示机载TACAN设备发射功率；Ls表示空空模式下电磁波传播路径上的固定衰减，与机载TACAN设备天线平均增益(L2)和射频电缆插入损耗(L3)相关，计算公式为

Ls(AA)=-2L2+2L3。

(3)

L是电磁波空间衰减量，单位dB，计算公式为

L=32.4+20lg(f)+20lg(D) 。

(4)

式中：f是信号频率，单位MHz；D是传播距离，表示机载TACAN设备与被测对象的距离，单位km。空地模式下被测对象为地面信标台，空空模式下被测对象为另一架飞机的机载TACAN设备。TACAN工作在962～1 213 MHz，以中位数1 088 MHz作为信号频率f代入计算，可得到空间衰减量L与传播距离D的关系。

机载TACAN设备与被测对象的距离可利用应答式脉冲测距原理测量得到。机载TACAN设备以80～120 Hz(搜索状态)或20～30 Hz(跟踪状态)速率发射询问脉冲对信号，地面信标台收到该询问脉冲后，经过一个固定延时再向机载TACAN设备发出回答脉冲对信号。机载TACAN设备收到询问脉冲信号后，经过识别，选择出对自己的测距应答脉冲，并测出询问脉冲和信标台回答脉冲之间的时间间隔，传播距离与该时间间隔成正比，计算公式如下：

D=C×(t-t0)/2。

(5)

式中：C为光速；t为机载TACAN设备发出询问脉冲到收到地面信标台回答脉冲的时间间隔；为了补偿各地面信标台对信号延时的不同而产生距离误差，规定所有地面TACAN设备都有t0的回答延迟，如图3所示。

图3 TACAN测距原理(空地模式下)

机载TACAN设备将飞机与被测对象之间的距离D(利用应答式脉冲测距原理计算得到，见公式(5))、工作模式(空空或空地模式)、接收信道AGC值、数据记录时间等信息发送给机上健康管理模块。机上健康管理模块采用公式(1)计算得到某一时刻TACAN处于空空或空地模式下的AGC衰减量标准值。

2.2 考虑接收信道退化的AGC偏差计算

当接收信道性能退化的情况下，如接收信道中放大器增益减小、噪声系数增大等，接收信道增益会下降。为使A/D变换前的信号电平保持在要求范围内，AGC衰减量的实际值会比计算的标准值小，此时AGC衰减量实际值的计算公式为

L′AGC=P-L-Ls+LRec-Lreduct-LAD。

(6)

式中：L′AGC表示AGC衰减量的实际值，Lreduct表示接收信道增益的损耗量。

由公式(1)和公式(6)可知，Lreduct等于AGC衰减量标准值与实际值之差：

Lreduct=LAGC-L′AGC。

(7)

当接收信道正常时，接收信道增益的损耗为0，此时AGC衰减量实际值与标准值的偏差Lreduct=0；当接收信道完全故障时，接收信道增益由设计值LRec减小到0，此时为AGC衰减量实际值与标准值的偏差，Lreduct(max)=LRec，为最大值。

3 接收信道健康评估

3.1 机载TACAN设备最大作用距离计算

机载TACAN设备的最大作用距离由设备发射功能的最大作用距离和接收功能的最大作用距离共同决定。当只考虑接收功能时，机载TACAN设备的作用距离取决于接收信道增益、AGC衰减量的范围以及A/D芯片的信号电平要求，即当A/D前的信号电平小于A/D芯片的输入范围时，机载TACAN功能软件无法解算距离或方位，TACAN功能失效。

假设AGC衰减量的值域范围为[0～LAGC(max)]，则由公式(1)可得机载TACAN设备作用距离满足：

0≤P-L-Ls+LRec-LAD≤LAGC(max)。

(8)

将公式(4)代入式(8)可得

(9)

由公式(9)可得机载TACAN设备的最大作用距离为

(10)

以上计算未考虑接收信道退化的情况，当引入接收信道增益损耗时，机载TACAN设备最大作用距离为

(11)

由公式(11)可知，随着机载TACAN设备接收信道不断退化，接收信道损耗Lreduct增大，TACAN功能最大作用距离D′max缩短。

3.2 接收信道健康度计算

由设备基本可靠性预计和型号中机载TACAN设备实际故障数据统计结果可知，接收信道增益损耗是导致TACAN功能接收灵敏度下降和作用距离缩短的主要原因。因此，本文选定接收信道增益损耗作为机载TACAN设备接收信道的健康表征参数，通过对比AGC衰减量实际值与计算标准值之间的偏差得到增益损耗的具体数值(见公式(7))，进而计算接收信道的健康度。

(1)当不考虑设备误差和外界环境影响时，TACAN接收信道健康度的计算公式为

(12)

由式(12)可知：当接收信道完全故障时，IH=0；当接收信道正常时，IH=1；当接收信道退化时，0

(13)

4 验证分析

以某型机TACAN设备为例，采用实测数据与仿真分析结合的方式，验证计算模型的可行性。机载和地面TACAN设备的主要技术指标如表1所示。

表1 机载和地面TACAN设备技术指标

由表1可知，空地模式下，P=67 dBm，Ls=7 dB；空空模式下，P=58 dBm，Ls=6 dB。

AD芯片信号电平范围LAD大于-10 dBm，接收信道的固定增益LRec为+77 dBm，则AGC衰减量的标准值LAGC满足

LAGC=P-L-Ls+87。

(14)

空空模式下，将P=58 dBm、Ls=6 dB代入式(14)，可得AGC衰减量标准值为

LAGC(A_A)=139-L。

(15)

空地模式下，将P=67 dBm、Ls=7 dB代入式(14)，可得AGC衰减量标准值为

LAGC(A_E)=147-L。

(16)

机载TACAN设备AGC衰减量的值域范围为0～90 dB，步进为2 dB。将空间衰减量L的计算公式代入式(16)，绘制空地模式下AGC衰减量标准值与飞机和地面台之间距离s变化的曲线，以及飞行过程中AGC衰减量的实测数据曲线，如图4所示。

图4 AGC衰减量随距离变化曲线

图4中选取了飞行过程中AGC衰减量的实测值与计算标准值两组数据进行对比，每组数据包含3 800个数据点，分别对应距离从0.001～370 km范围内AGC衰减量的实测值与计算标准值。由图4可知，TACAN接收信道AGC衰减量实测值与计算标准值的曲线基本吻合，且AGC值与距离之间存在是一个相对固定的关系。

(17)

空空模式下，AGC衰减量为

(18)

空地模式下，AGC衰减量为

(19)

选取空地距离从0.001～370 km范围接收信道正常状态AGC衰减量标准计算值与实测值，以及接收信道退化10 dB、退化20 dB、退化30 dB、退化40 dB、退化50 dB、退化60 dB对应的AGC衰减量仿真值共8组数据进行对比分析，绘制接收信道正常与不同退化条件下空地距离及对应的AGC衰减量曲线，如图5所示。

图5 接收信道退化条件下AGC衰减量随距离变化曲线

由图5可知，当接收机性能退化时，即信道接收增益下降的情况下，实际TACAN功能检测到的AGC值与标准AGC值会出现偏差，且退化程度越大，偏差越大。

由公式(12)计算不同恶化条件下接收信道增益的下降值，以及对应的TACAN设备接收信道健康度，结果见表2。

表2 接收信道增益下降情况

5 结 论

视情维修模式是新一代航空装备维修保障的发展趋势，而精准、量化的健康评估能力是实现机载设备视情维修的基础。本文将机载TACAN设备空空或空地测距结果、AGC衰减量等动态实测数据与设备接收、发射信道和天线的静态设计指标相结合，建立了接收信道AGC衰减量偏差、增益损耗与健康度指标的计算模型，可用于维护人员在飞行数据离线分析时定量评估机载TACAN设备接收信道的增益退化情况。该方法以数据分析为基础，在不额外增加机载设备测试电路和传感器的前提下，解决了目前机载TACAN设备BIT方法测试结果难量化、地面测试方法可定量但测试时机受限的工程问题，支持机载TACAN设备开展视情维修，具有良好的工程应用价值。