塔康信标模拟器方位角精度标校方法与流程

本发明属于塔康系统(Tactical Navigation System)，用于塔康信标模拟器方位角精度的标校与评估。

背景技术：

塔康信标模拟器是检查、测试、校准塔康机载设备的专用设备，可以模拟塔康信标发射的方位信号和距离应答信号，为塔康机载设备提供方位、距离及射频电平等定标指示。

塔康测角分为粗测和精测两方面：通过计算主基准脉冲群定时点与15Hz包络上升沿过零点之间的相位差，可得到粗方位角度；计算辅基准脉冲群定时点与135Hz包络上升沿过零点之间的相位差，即可得到精方位角度；两者组合构成塔康的角度测量。

国内研制塔康模拟器的单位主要是中国电子科技集团公司第二十研究所和陕西宝鸡765厂，由于没有完善模拟器方位角的标定方法，模拟器方位角只能通过机载设备进行功能性测量。

目前，广泛使用的进口塔康模拟器主要是AIRCO REPUBLIC ELECTRONICS公司的DTS-200型模拟器，其使用维护说明书中有关于方位角标校的介绍，分粗角度标校和精角度标校两方面，标校步骤如下：

1.粗角度标校

(1)模拟器设置状态：

15Hz调制度：0％；

135Hz调制度：0％；

射频电平输出功率：0dBm；

随机填充脉冲对数量：0对/秒。

(2)测试连接状态(如图1所示)：

示波器通道1连接到15Hz同步信号；

示波器通道2连接到模拟器射频输入/输出接口。

(3)测量通道1的15Hz同步信号下降沿与主基准脉冲群的第10个脉冲上升沿50％点间的时间间隔。

(4)将15Hz同步信号与主基准脉冲群的时间间隔转换为方位角，与模拟器设定角度比较，可得出模拟器粗角度输出误差。

2.精角度标校

精角度标校与粗角度标校方法相同，只需将示波器通道1连接到135Hz同步信号，测量通道1的135Hz同步信号下降沿与辅基准脉冲群的第12个脉冲上升沿50％点间的时间间隔，并转换为角度，即可标校出模拟器精角度。

该标校方法存在以下问题：

1.没有从模拟器输出信号入手，测试模拟器的方位角，得出角误差输出精度，可信度不高；

2.在标校中需要将模拟器15Hz、135Hz信号的调制度设为0％，在实际应用中，如果是这样不可能输出方位角；

3.没有考虑模拟器射频输出信号中15Hz、135Hz上升沿过零点在塔康方位角中的作用。

因此，需要一个实用、可靠的塔康信标模拟器方位角输出精度的标校方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种塔康信标模拟器方位角输出精度的标校方法，通过构建塔康信号数学模型，测试模拟器实际输出信号，得到模拟器方位角输出精度，本发明具有普遍通用性，适应于所有塔康信标模拟器方位角输出精度的标校。

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、构建塔康信号数学模型

其中，A为载波信号幅值；π为圆周率常数；t为时间变量；m₁₅为15Hz正弦包络信号调制度；m₁₃₅为135Hz正弦包络信号调制度；θ₁₅为15Hz正弦包络信号初相；θ₁₃₅为135Hz正弦包络信号初相；f₀为载波频率；G(t)为塔康脉冲波形；t_i为塔康脉冲到达时刻；δ(t-t_i)为冲击函数；N为脉冲个数；

步骤2、构建塔康方位包络信号数学模型

u(t)＝a₀+a₁sin(2π·15t)+a₂cos(2π·15t)+a₃sin(2π·135t)+a₄cos(2π·135t)

其中，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄为系数；

步骤3、设置模拟器15Hz、135Hz调制度为20％，设置射频输出信号功率电平为-10dBm，设置随机填充脉冲对数量为2700对/秒，方位角θ₀在0～359.9°范围内设置；

步骤4、对模拟器输出信号进行采样，存储采样数据(t_i,s_i)，t_i为采样的时间点，s_i为采样幅值，i＝1,2,3....n，n为采样点数，n大于f_s为采集设备的采样率；

步骤5、将采样数据(t_i,s_i)进行Hilbert变换，得到模拟器的输出包络信号(t_i,u_i)，其中，u_i为Hilbert变换后的幅值；

步骤6、测量主基准脉冲群的第10个脉冲上升沿50％点的时间t_j，j＝1,2,3....l，其中，主基准脉冲群有l组；

步骤7、测量辅基准脉冲群的第12个脉冲上升沿50％点的时间t_j，j＝1,2,3....p，其中，辅基准脉冲群有p组；

步骤8、计算包络信号中脉冲的峰值y(t_k,u_k)，k＝1,2,3....m，其中包络信号中共有m个脉冲；

步骤9、应用最小二乘法拟合塔康信号包络，计算a₀、a₁、a₂、a₃、a₄的值，得到模拟器输出信号包络的拟合模型

u(t)＝a₀+a₁sin(30πt)+a₂cos(30πt)+a₃sin(270πt)+a₄cos(270πt)；

步骤10、将拟合得到的塔康包络信号模型除去直流分量，分解成15Hz、135Hz两部分，

15Hz信号包络模型u₁₅(t)＝a₁sin(30πt)+a₂cos(30πt)；

135Hz信号包络模型u₁₃₅(t)＝a₃sin(270πt)+a₄·cos(270πt)；

步骤11、计算15Hz包络信号上升沿过零点对应的时间点t_q，q＝1,2,3....q₁₅，其中，q₁₅表示15Hz包络信号上升沿过零点的个数；

步骤12、计算135Hz包络信号上升沿过零点对应的时间点t_w，w＝1,2,3....w₁₃₅，其中，w₁₃₅表示135Hz包络信号上升沿过零点的个数；

步骤13、以主基准脉冲群参考点t_j为起始点，计算15Hz包络信号上升沿过零点t_q，滞后主基准脉冲群参考点t_j的时间Δt₁₅(i)并转换为角度，测量出i₁₅个粗测方位角θ₁₅(i)＝360°·15·Δt₁₅(i)，i＝1,2,3...i₁₅，i₁₅＝min(l,q₁₅)；

步骤14、以辅基准脉冲群参考点t_j为起始点，计算135Hz包络信号上升沿过零点t_w，滞后辅基准脉冲群参考点t_j的时间Δt₁₃₅(i)并转换为角度，得到i₁₃₅个精测方位角θ₁₃₅(i)＝360°·135·Δt₁₃₅(i)，i＝1,2,3...i₁₃₅，i₁₃₅＝min(p,w₁₃₅)；

步骤15、计算模拟器输出的方位角

其中，若第i₁₅个主基准后没有精测角度，n＝i₁₅-1，否则n＝i₁₅；n₁₃₅(i)为第i个主基准与第i+1个主基准之间精测角度的数量；

计算模拟器输出方位角的方差其中，θ(i)为测量的方位角，i＝1,2,3...n，n为方位角测量的数量；θ₀为模拟器设置的方位角。

本发明的有益效果是：首先构建塔康信号数学模型，然后对模拟器输出塔康信号直接采样，基于构建出的塔康信号数学模型，并对采样信号进行包络拟合，分离出主基准脉冲、辅基准脉冲信号，按照塔康测角原理，计算得到塔康模拟器输出的方位角，与模拟器标称方位角比较，最终实现塔康方位角精度的标校。本发明基于通用测试仪器，通过直接测试塔康信标模拟器输出信号，实现塔康信标模拟器输出方位角标校，具有溯源性好、测量精度高的优点，对塔康信标模拟器方位角精度标校具有普遍适用性，填补了塔康信标模拟器方位角精度标校的空白。

附图说明

图1为DTS-200型塔康模拟器方位角标校框图；

图2为塔康基带信号波形示意图；

图3为塔康模拟器方位角精度标校流程图。

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。

本发明提供的塔康信标模拟器方位角输出精度标校方法包括以下步骤：

1.构建塔康信号数学模型

其中：A为载波信号幅值；

π为圆周率常数；

t为时间变量；

m₁₅为15Hz正弦包络信号调制度；

m₁₃₅为135Hz正弦包络信号调制度；

θ₁₅为15Hz正弦包络信号初相；

θ₁₃₅为135Hz正弦包络信号初相；

f₀为载波频率；

G(t)为塔康脉冲波形；

t_i为塔康脉冲到达时刻；

δ(t-t_i)为冲击函数；

N为脉冲个数。

2.构建塔康方位包络信号数学模型

由塔康信号的数学模型可得出方位包络信号数学模型：

u(t)＝a₀+a₁sin(2π·15t)+a₂cos(2π·15t)+a₃sin(2π·135t)+a₄cos(2π·135t)

其中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄为系数；

t为时间变量；

π为圆周率常数。

3.模拟器设置

在进行塔康方位角标校时，为确保塔康包络信号的解调，模拟器15Hz、135Hz调制度的设置为20％，射频输出信号功率电平设置为-10dBm，随机填充脉冲对数量设为2700对/秒，方位角θ₀可在0～359.9°范围内设置(因为模拟器方位角步进量通常为0.1°)。

4.对模拟器输出信号进行采样，并存储采样数据(t_i,s_i)，t_i为采样的时间点，s_i为采样幅值(i＝1,2,3....n，n为采样点数)，如采集设备的采样率为f_s，需采集不小于6个完整塔康周期，则采样点数n应大于

5.将采样数据(t_i,s_i)进行Hilbert变换，得到模拟器的输出包络信号(t_i,u_i)，其中，t_i为采样的时间点，u_i为Hilbert变换后的幅值(i＝1,2,3....n)。

6.主基准脉冲群参考点的测量

由Hilbert变换得到的包络信号数据(t_i,u_i)，(i＝1,2,3....n)，结合主基准脉冲群的编码特性，测量主基准脉冲群的第10个脉冲上升沿50％点的时间t_j(j＝1,2,3....l)，其中有l组主基准脉冲群。

7.辅基准脉冲群参考点的测量

由Hilbert变换得到的包络信号数据(t_i,u_i)，(i＝1,2,3....n)，结合辅基准脉冲群的编码特性，测量辅基准脉冲群的第12个脉冲上升沿50％点的时间t_j(j＝1,2,3....p)，其中辅基准脉冲群有p组。

8.由Hilbert变换得到的包络信号数据(t_i,u_i)，(i＝1,2,3....n)，计算包络信号中脉冲的峰值y(t_k,u_k)，(k＝1,2,3....m)，其中信号包络中共有m个脉冲。

9.拟合模拟器输出信号包络

依据脉冲的峰值y(t_k,u_k)，(k＝1,2,3....m)，应用最小二乘法拟合塔康信号包络，计算a₀、a₁、a₂、a₃、a₄的值，得到模拟器输出信号包络的拟合模型：

u(t)＝a₀+a₁sin(30πt)+a₂cos(30πt)+a₃sin(270πt)+a₄cos(270πt)

其中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄为包络模型的拟合系数；

t为时间变量；

π为圆周率常数。

10.将拟合得到的塔康包络信号模型除去直流分量，分解成15Hz、135Hz两部分。

15Hz信号包络模型：u₁₅(t)＝a₁sin(30πt)+a₂cos(30πt)

135Hz信号包络模型：u₁₃₅(t)＝a₃sin(270πt)+a₄·cos(270πt)

其中：a₁、a₂、a₃、a₄为包络模型的拟合系数；

t为时间变量；

π为圆周率常数。

11.由15Hz信号包络模型计算15Hz包络信号上升沿过零点对应的时间点t_q(q＝1,2,3....q₁₅)，其中，q₁₅表示15Hz包络信号上升沿过零点的个数。

12.由135Hz信号包络模型计算135Hz包络信号上升沿过零点对应的时间点t_w(w＝1,2,3....w₁₃₅)，其中，w₁₃₅表示135Hz包络信号上升沿过零点的个数。

13.方位角粗测

以主基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....l)为起始点，计算15Hz包络信号上升沿过零点t_q(q＝1,2,3....q₁₅)，滞后主基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....l)的时间Δt₁₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₅)，通过下式转换为角度，可测量出i₁₅个粗测方位角。

θ₁₅(i)＝360°·15·Δt₁₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₅)

其中：i₁₅＝min(l,q₁₅)

14.方位角精测

以辅基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....p)为起始点，计算135Hz包络信号上升沿过零点t_w(w＝1,2,3....w₁₃₅)，滞后辅基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....p)的时间Δt₁₃₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₃₅)，通过下式转换为角度，可得到i₁₃₅个精测方位角。

θ₁₃₅(i)＝360°·135·Δt₁₃₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₃₅)

其中：i₁₃₅＝min(p,w₁₃₅)

15.计算测量的方位角及方差

●模拟器输出方位角的计算

按照下式计算模拟器输出的方位角：

其中：i＝1,2,3...n，若第i₁₅个主基准后没有精测角度时，n＝i₁₅-1，否则n＝i₁₅；

n₁₃₅(i)为第i个主基准与第i+1个主基准之间精测角度的数量；

floor为向下取整函数，例如，floor(3.9)＝3。

●模拟器输出方位角标准偏差的计算

按照下式计算模拟器输出方位角的方差σ：

其中：θ(i)为测量的方位角，i＝1,2,3...n，n为方位角测量的数量；

θ₀为模拟器设置的方位角。

从塔康信号特性出发，本发明的实施例提出了塔康方位角的数学模型，依据方位角解算原理，给出了塔康模拟器方位角标定的具体方法。

步骤一：构建塔康信号数学模型

塔康信号是脉冲幅度调制，在每个钟形脉冲内由正弦波调制，脉冲幅值形成的包络是15Hz和135Hz正弦信号的叠加，塔康信号的方位角体现在15Hz和135Hz正弦信号的相位中，由此构建塔康信号数学模型如下：

其中：A为载波信号幅值；

m₁₅为15Hz正弦包络信号调制度；

m₁₃₅为135Hz正弦包络信号调制度；

θ₁₅为15Hz正弦包络信号初相；

θ₁₃₅为135Hz正弦包络信号初相；

f₀为载波频率；

G(t)为塔康脉冲；

t_i为塔康脉冲到达时刻；

δ(t-t_i)为冲击函数；

N为脉冲个数。

步骤二：构建塔康方位包络信号数学模型

由塔康信号的数学模型可得出方位包络信号数学模型：

将(1)式展开，可得：

u(t)＝A{1+m₁₅[sin(2π·15t)cosθ₁₅+cos(2π·15t)sinθ₁₅]+

m₁₃₅[sin(2π·135t)cosθ₁₃₅+cos(2π·135t)sinθ₁₃₅]}

即：

u(t)＝a₀+a₁sin(2π·15t)+a₂cos(2π·15t)+a₃sin(2π·135t)

+a₄cos(2π·135t) (2)

其中：a₀＝A

a₁＝Am₁₅cosθ₁₅

a₂＝Am₁₅sinθ₁₅

a₃＝Am₁₃₅cosθ₁₃₅

a₄＝Am₁₃₅sinθ₁₃₅

可见，塔康信号的包络可以看作是sin(2π·15t)、cos(2π·15t)、sin(2π·135t)和cos(2π·135t)的线性组合。

步骤三：模拟器设置

在进行塔康方位角标校时，为确保塔康包络信号的解调，模拟器15Hz、135Hz调制度的设置为20％，射频输出信号功率电平设置为-10dBm，随机填充脉冲对数量设为2700对/秒，方位角θ₀可在0～359.9°范围内设置。

步骤四：应用数据采集设备(如通用高速数字存储示波器)对模拟器输出信号进行采样，并存储采样数据(t_i,s_i)，t_i为采样的时间点，s_i为采样幅值(i＝1,2,3....n，n为采样点数)，如采集设备的采样率为f_s，需采集不小于6个完整塔康周期，则采样点数n应大于

步骤五：将采样数据(t_i,s_i)进行Hilbert变换，得到模拟器的输出包络信号(t_i,u_i)，其中：t_i为采样的时间点，u_i为Hilbert变换后的幅值(i＝1,2,3....n)。

注：Hilbert变换是一种将时域实信号变为时域解析信号的方法，Hilbert变换所得的解析信号的实部是实信号本身，虚部是实信号的Hilbert变换，而解析信号的幅值便是实信号的包络。

步骤六：主基准脉冲群参考点的测量

由Hilbert变换得到的包络信号数据(t_i,u_i)，(i＝1,2,3....n)，结合主基准脉冲群的编码特性，测量主基准脉冲群的第10个脉冲上升沿50％点的时间t_j(j＝1,2,3....l)，其中有l组主基准脉冲群。

步骤七：辅基准脉冲群参考点的测量

由Hilbert变换得到的包络信号数据(t_i,u_i)，(i＝1,2,3....n)，结合辅基准脉冲群的编码特性，测量辅基准脉冲群的第12个脉冲上升沿50％点的时间t_j(j＝1,2,3....p)，其中辅基准脉冲群有p组。

步骤八：由Hilbert变换得到的包络信号数据(t_i,u_i)，(i＝1,2,3....n)，计算包络信号中脉冲的峰值y(t_k,u_k)，(k＝1,2,3....m)，信号包络中共有m个脉冲。步骤九：计算模拟器输出信号包络模型

依据脉冲的峰值y(t_k,u_k)，(k＝1,2,3....m)及公式(2)，应用最小二乘法，计算a₀、a₁、a₂、a₃、a₄的值，拟合得到模拟器输出信号包络模型：

u(t)＝a₀+a₁sin(30πt)+a₂cos(30πt)+a₃sin(270πt)+a₄cos(270πt) (3)

其中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄为包络模型的拟合系数；

t为时间变量；

π为圆周率常数。

步骤十：将拟合得到的信号模型除去直流分量，分解成15Hz、135Hz两部分：

u₁₅(t)＝a₁sin(30πt)+a₂cos(30πt) (4)

u₁₃₅(t)＝a₃sin(270πt)+a₄·cos(270πt) (5)

其中：(4)式表示15Hz信号包络，(5)式表示135Hz信号包络；

a₁、a₂、a₃、a₄为包络模型的拟合系数；

t为时间变量；

π为圆周率常数。

步骤十一：由(4)式计算15Hz包络信号上升沿过零点对应的时间点t_q(q＝1,2,3....q₁₅)，其中，q₁₅表示15Hz包络信号上升沿过零点的个数。

步骤十二：由(5)式计算135Hz包络信号上升沿过零点对应的时间点t_w(w＝1,2,3....w₁₃₅)，w₁₃₅表示135Hz包络信号上升沿过零点的个数。

步骤十三：方位角粗测

通过计算主基准参考点与15Hz包络上升沿过零点之间的相位差，即可得到粗测方位角。

以主基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....l)为起始点，计算15Hz包络信号上升沿过零点t_q(q＝1,2,3....q₁₅)，滞后主基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....l)的时间Δt₁₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₅)，通过公式(6)转换为角度，可测量出i₁₅个粗测方位角。

θ₁₅(i)＝360°·15·Δt₁₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₅) (6)

其中：i₁₅＝min(l,q₁₅)

步骤十四：方位角精测

方位角精测原理与粗测相同，通过计算辅基准参考点与135Hz包络上升沿过零点之间的相位差，即可得到精测方位角。

以辅基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....p)为起始点，计算135Hz包络信号上升沿过零点t_w(w＝1,2,3....w₁₃₅)，滞后辅基准脉冲群参考点t_j(j＝1,2,3....p)的时间Δt₁₃₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₃₅)，通过公式(7)转换为角度，可得到i₁₃₅个精测方位角。

θ₁₃₅(i)＝360°·135·Δt₁₃₅(i)，(i＝1,2,3...i₁₃₅) (7)

其中：i₁₃₅＝min(p,w₁₃₅)

步骤十五：方位角精测和粗测的结合，计算测量的方位角及方差

●模拟器输出方位角的计算

按照公式(8)可测量出模拟器输出的方位角：

其中：i＝1,2,3...n，若第i₁₅个主基准后没有精测角度时，n＝i₁₅-1，否则n＝i₁₅；

n₁₃₅(i)为第i个主基准与第i+1个主基准之间精测角度的数量；

floor为向下取整函数，例如：floor(2.7)＝2。

●模拟器输出方位角标准偏差的计算

按照公式(9)可计算模拟器输出方位角的方差σ：

其中：θ(i)为测量的方位角，i＝1,2,3...n，n为方位角测量的数量；

θ₀为模拟器设置的方位角。