塔康\精密测距设备测距精度分析方法与流程

本发明涉及精密测距设备(DME/P)、塔康系统(TACAN)，用于分析、评价精密测距、塔康系统的测距精度。

背景技术：

精密测距设备(DME/P)为飞机提供相对于引导点的距离信息，与微波着陆测角设备配合，可以为飞机提供相对于着陆点的坐标信息；塔康系统(TACAN)又称战术空中导航系统，可以为飞机提供实时准确的方位和距离引导信号。

测距精度是DME/P、TACAN系统的重要指标，直接影响到飞机导航，长期以来，还没有系统分析DME/P、TACAN测距精度的方法，常常是凭经验进行电路及软件设计，待设备调试完成，经测试后才能确定实际的测距性能，给DME/P、TACAN设备的正向设计带来很多不便。

DME/P、TACAN的测距原理相同，采用询问应答式脉冲测距，工作频段为960～1213MHz，机载询问设备(又称询问器)发出成对的询问脉冲，应答器(在DME/P和TACAN地-空模式下，应答器为地面信标；TACAN空-空模式下，应答器为另外一架飞机的机载设备)接收到后，首先进行译码，经过一定延时，发出成对应答信号，机载设备对应答器发出的应答脉冲解调、译码，通过测量询问脉冲和应答信号之间的时间差，同时减去应答器的固定时延，便可计算出飞机与应答器的距离，计算公式如下：

T：机载设备发出询问信号与收到应答信号的时间间隔；

T₀：应答器的固定延时；

C：无线电传播速度，等于3×10⁸m/s。

可知，影响DME/P、TACAN测距精度的原因主要有两方面：一是机载询问设备发出询问信号与收到应答信号之间的时间测量误差；二是应答器的延时误差。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种DME/P、TACAN测距精度的详细分析方法，为DME/P、TACAN系统设计提供了理论依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1、确定机载询问设备的应答脉冲时间测量误差σ_A1，其中：

DME/P功能FA模式PFE应答脉冲时间测量误差

DME/P功能FA模式CMN应答脉冲时间测量误差

DME/P功能IA模式PFE应答脉冲时间测量误差

DME/P功能IA模式CMN应答脉冲时间测量误差

TACAN功能地-空模式应答脉冲时间测量误差

TACAN功能空-空模式应答脉冲时间测量误差

SNR为机载询问设备接收应答信号的输出视频信噪比；

步骤2、确定机载询问设备的电路延时修正误差，包括采用导脉冲技术的电路延时测量误差及机载设备导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差σ_A3，f_AS为机载设备系统时钟；

步骤3、确定机载询问设备的应答脉冲延时测量误差其中，T_A为需要测量的时间长度，等于询问脉冲与应答脉冲之间的时间间隔，S为机载询问设备与应答器之间的距离，C为电波传播速度，T₀为相应工作模式下应答信号的固定延时，p为机载询问设备的时钟精度；

步骤4、将时间测量误差转换为距离测量误差，得到机载询问设备的测距误差，其中：

DME/P功能FA模式PFE误差

DME/P功能FA模式CMN误差

DME/P功能IA模式PFE误差

DME/P功能IA模式CMN误差

TACAN功能地-空模式误差

TACAN功能空-空模式误差

步骤5、确定应答器的机载设备询问脉冲时间测量误差，其中：

DME/P功能FA模式误差

DME/P功能IA模式误差

TACAN功能地-空模式误差

步骤6、确定应答器的电路延时修正误差，包括采用导脉冲技术的电路延时测量误差σ_M2及应答器导脉冲环路外电路不稳定引起的延时抖动误差σ_M3；

步骤7、确定应答器的固定时延误差σ_M4；

步骤8、将时间测量误差转换为距离测量误差，得到应答器的测距误差，其中：

DME/P功能FA模式地面信标的测距误差

DME/P功能IA模式地面信标的测距误差

TACAN功能地-空模式地面信标的测距误差

TACAN功能空-空模式机载应答设备的测距误差

步骤9、综合机载设备和应答器对测距误差的影响，得到测距系统的误差，其中：

DME/P功能FA模式测距系统的测距PFE误差

DME/P功能FA模式测距系统的测距CMN误差

DME/P功能IA模式测距系统的测距PFE误差

DME/P功能IA模式测距系统的测距CMN误差

TACAN功能地-空模式测距系统误差

TACAN功能空-空模式测距系统误差

本发明的有益效果是：从影响DME/P、TACAN测距精度的诸多因素出发，给出DME/P、TACAN测距精度的详细分析方法，为DME/P、TACAN系统的设计提供了理论依据。

附图说明

图1为DME/P、TACAN测距原理示意图；

图2a为DME/P功能IA模式X编码脉冲包络波形图；

图2b为DME/P功能FA模式X编码脉冲包络波形图；

图3为塔康\精密测距设备测距精度分析流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明从机载询问设备和应答器两方面对DME/P、TACAN测距精度进行分析，其中涉及到的时间单位均为秒。

一、机载询问设备测距误差

机载询问设备测距误差主要包括：应答脉冲时间测量误差、采用导脉冲技术的机载设备电路延时修正误差、导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差及信号处理电路带来的时延误差。

1.应答脉冲时间测量误差σ_A1

(1)DME/P功能FA模式

●FA模式PFE应答脉冲时间测量误差：

●FA模式CMN应答脉冲时间测量误差：

(2)DME/P功能IA模式

●IA模式PFE应答脉冲时间测量误差：

●IA模式CMN应答脉冲时间测量误差：

(3)TACAN功能地-空模式

地-空模式应答脉冲时间测量误差：

(4)TACAN功能空-空模式

空-空模式，应答脉冲时间测量误差：

其中：SNR为机载询问设备接收应答信号的输出视频信噪比

2.机载设备电路延时修正误差，包括采用导脉冲技术的电路延时测量误差σ_A2及机载设备导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差σ_A3，其中，f_AS为机载设备系统时钟。

3.应答脉冲延时测量误差σ_A4

其中：T_A为需要测量的时间长度，等于询问脉冲与应答脉冲之间的时间间隔，等于无线电波在机载询问设备与应答器传播时延与应答器固定延时之和：即：(S为机载询问设备与应答器之间的距离，C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s，T₀为应答器在相应工作模式下，应答信号的固定延时。)

p为机载询问设备的时钟精度

4.将时间测量误差转换为距离测量误差，得到机载询问设备的测距误差

●DME/P功能FA模式PFE误差为：

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能FA模式CMN误差为：

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能IA模式PFE误差为：

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能IA模式CMN误差为：

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能地-空模式误差为：

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能空-空模式误差为：

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

二、应答器的测距误差

1.机载设备询问脉冲时间测量误差

●DME/P功能FA模式：

●DME/P功能IA模式：

●TACAN功能地-空模式：

SNR：应答器接收机载设备询问脉冲，输出的视频信噪比

2.应答器电路延时修正误差，包括采用导脉冲技术的电路延时测量误差σ_M2及应答器导脉冲环路外电路不稳定引起的延时抖动误差σ_M3。

3.应答器固定时延误差σ_M4

4.将时间测量误差转换为距离测量误差，得到应答器的测距误差

●DME/P功能FA模式地面信标的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能IA模式地面信标的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能地-空模式地面信标的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能空-空模式机载应答设备的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

三、测距系统的测距精度

综合考虑机载设备和应答器对测距误差的影响，得到测距系统的误差：

●DME/P功能FA模式测距系统的测距PFE误差

●DME/P功能FA模式测距系统的测距CMN误差

●DME/P功能IA模式测距系统的测距PFE误差

●DME/P功能IA模式测距系统的测距CMN误差

●TACAN功能地-空模式测距系统误差

●TACAN功能空-空模式测距系统误差

本发明的实施例从机载询问设备和应答器两方面分析DME/P、TACAN的测距误差。

第一部分：机载询问设备的测距误差

分以下步骤进行说明：

步骤一：应答脉冲时间测量误差

应答脉冲时间测量点的选取，对于DME/P功能FA模式来说是脉冲包络前沿的5％振幅点到30％振幅点之间的某一点；对于DME/P功能的IA模式和TACAN功能是脉冲包络的半幅度点。应答脉冲的前沿和信噪比是决定应答脉冲时间测量误差的主要原因，设应答脉冲时间测量误差的均方根为σ_A1，可由下式计算：

其中：

S(jω)：为应答脉冲包络s(t)的傅里叶变换

E_s：应答脉冲包络的能量

N₀：为噪声的功率谱密度(设噪声为高斯白噪声)

下面分别对DME/P功能的FA模式、IA模式和TACAN功能进行具体说明。

(1)DME/P功能FA模式：

依据GJB6277-2008《航空精密距离测量系统性能要求和测试方法》要求的FA波形，进行仿真、计算可得：β²＝2.82×10¹⁰(Hz²)。

进而得出时间间隔测量误差的均方根：

其中：为应答信号包络的信噪比。

机载接收机采用10弧度/秒输出滤波器来均化，这个均化作用可以用减缓因子g来估算：

其中：f_c为应答频率

BW为机载设备滤波器噪声带宽

对于FA模式PFE误差，f_c＝40Hz，BW＝1.5弧度/秒，计算得：g＝83.7

可得FA模式PFE应答脉冲时间测量误差：

对于FA模式CMN误差，f_c＝40Hz，BW＝9.5弧度/秒，计算得：g＝13.2

可得FA模式CMN应答脉冲时间测量误差：

(2)DME/P功能IA模式：

依据GJB6277-2008《航空精密距离测量系统性能要求和测试方法》要求的波形，进行仿真、计算可得β²＝6.33×10⁹(Hz²)。

进而得出时间间隔测量误差的均方根：

机载接收机采用10弧度/秒输出滤波器来均化，这个均化作用可以用减缓因子g来估算：

其中：f_c为应答频率

BW为机载设备滤波器噪声带宽

IA模式PFE误差，f_c＝16Hz，BW＝1.5弧度/秒，计算得：g＝33.5

IA模式PFE应答脉冲时间测量误差：

IA模式CMN误差，f_c＝16Hz，BW＝9.5弧度/秒，计算得：g＝5.3

IA模式，CMN应答脉冲时间测量误差：

(3)TACAN功能地-空模式

机载接收机采用10弧度/秒输出滤波器来均化，这个均化作用可以用减缓因子g来估算：

其中：f_c为应答频率

BW为机载设备滤波器噪声带宽

按照GJB914-90的要求，TACAN功能地-空模式，机载设备在跟踪状态时的测距询问脉冲应不超过30对/秒，也就是对于一套机载设备，地面信标的应答频率f_c≤30对/秒。

设f_c＝30Hz，BW＝10弧度/秒，计算得：g＝9.42

则在TACAN功能地-空模式，应答脉冲时间测量误差为：

(4)TACAN功能空-空模式

机载接收机采用10弧度/秒输出滤波器来均化，这个均化作用可以用减缓因子g来估算：

其中：f_c为应答频率

BW为机载设备滤波器噪声带宽

按照GJB914-90的要求，TACAN功能空-空模式，机载设备在跟踪状态时的测距询问脉冲应不低于22对/秒，也就是应答频率f_c≥22对/秒。

设f_c＝22Hz，BW＝10弧度/秒，计算得：g＝6.91

则在TACAN功能空-空模式，应答脉冲时间测量误差为：

步骤二：机载设备电路延时修正误差

包括采用导脉冲技术的电路延时测量误差σ_A2及导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差σ_A3。

●导脉冲技术的电路延时测量误差σ_A2

采用导脉冲技术可以测量机载设备部分电路的时间延迟，理论上，可以将时间补偿减小到系统时钟周期T_AS的一半，

即：

f_AS：机载设备系统时钟频率

●导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差σ_A3

导脉冲环路没有包含机载设备的所有电路，因此采用导脉冲技术不可能测量机载设备的所有电路延时，这些没有包含在环路中的电路可以应用通用仪器进行事先测量，例如环行器及功率放大的部分电路就没有包含在导脉冲环路中，可以应用矢量网络分析仪、衰减器及耦合器等，在整个工作频带测量其时延参数，这部分时延误差可以通过事后进行补偿，也就是说事先将射频预处理模块在不同温度、不同频率下的延迟时间测出来，根据相应的波道和环境温度进行补偿，补偿后，这部分延时误差设为σ_A3。步骤三：应答脉冲距离延时测量误差σ_A4

T_A：需要测量的时间长度，等于询问脉冲与应答脉冲之间的时间间隔，等于无线电波在机载设备与应答器传播时延与应答器固定延时之和，即：(S为机载设备与应答器之间的距离，C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s，T₀为应答器在相应模式下的固定延时)

p：机载设备的时钟精度

步骤四：将时间测量误差转换为距离测量误差，得到机载询问设备的测距误差

将应答脉冲时间测量误差、采用导脉冲技术的机载设备电路延时修正误差、导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差、应答脉冲距离延时测量误差取均方根，转换为距离，可得机载询问设备的距离测量误差：

●DME/P功能FA模式PFE误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能FA模式CMN误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能IA模式PFE误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能IA模式CMN误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能地-空模式误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能空-空模式误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

第二部分：应答器的测距误差

应答器引起的测距误差与分析机载询问设备的测距误差过程类似，分析过程如下：步骤一：机载设备询问脉冲时间测量误差

应答器在测量机载设备询问脉冲时间测量点的选取与机载设备相同，DME/P功能的FA模式、IA模式和TACAN功能询问脉冲时间测量误差的均方根分别如下：

●DME/P功能FA模式：

●DME/P功能IA模式：

●TACAN功能地-空模式：

SNR：应答接收机载设备询问脉冲的输出视频信噪比

步骤二：应答器电路延时修正误差

应答器电路延时修正误差包括采用导脉冲技术的电路延时测量误差σ_M2及导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差σ_M3。

●采用导脉冲技术电路延时修正误差

采用导脉冲技术可以测量部分电路的时间延迟，理论上，可以将时间补偿减小到系统时钟周期T_MS的一半，即：

其中，f_MS为应答系统时钟频率。

●导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差

导脉冲环路没有包含应答器的所有电路，可以事先将这些电路在不同温度、不同频率下的延迟时间测出来，根据相应的波道和环境温度进行补偿，补偿后，这部分延时误差设为σ_M3。

步骤三：应答器固定时延误差σ_M4

T₀：应答器在相应工作模式下的固定时延

p：应答器的时钟精度

步骤四：将时间测量误差转换为距离测量误差，得到应答器的测距误差

将机载设备询问脉冲时间测量误差、采用导脉冲技术地面信标电路延时修正误差σ_M2、导脉冲环路外电路不稳定引起的时延误差σ_M3、应答器固定时延误差σ_M4取均方根，可得应答器距离测量误差为:

●DME/P功能FA模式地面信标的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●DME/P功能IA模式地面信标的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能地-空模式地面信标的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

●TACAN功能空-空模式机载应答设备的测距误差

其中：C为电波传播速度，等于3×10⁸m/s

第三部分：机载设备、应答器合成测距误差

由机载询问设备的测距误差和应答器的测距误差，就可得到出DME/P、TACAN测距系统的综合测距误差:

●DME/P功能FA模式测距系统的测距PFE误差

●DME/P功能FA模式测距系统的测距CMN误差

●DME/P功能IA模式测距系统的测距PFE误差

●DME/P功能IA模式测距系统的测距CMN误差

●TACAN功能地-空模式测距系统误差

●TACAN功能空-空模式测距系统误差