一种塔康外场信标模拟器的制作方法

本发明涉及塔康信标模拟系统，特别是涉及一种具有塔康、dme测距、dme(多台)测距及塔康(dme)定位等信标综合模拟功能的外场模拟器，属于无线电导航领域。

背景技术：

塔康信标模拟器是用来校准、测量、调整机载设备主要技术指标的专用设备,它真实的模拟产生塔康信标台发射的方位、距离回答信号，并准确地为机载设备提供台站识别信号和方位、距离、射频电平等定标指示,还可模拟方位和距离变化率，具有完善的控制和测试功能。根据使用场所不同可分为标准信标模拟器和塔康外场信标模拟器，标准信标模拟器功能全、技术性能高，但电路规模大，体积重量大等，多用于内场对机载设备的大修、校验和定标；塔康外场信标模拟器只模拟几个固定台站的方位、距离和识别信息，能为机载设备提供辅助的方位、距离、射频电平等定标指示，虽然功能简易，但使用、操作、携带方便，多用于飞机起飞前(出航)、归航后或在座舱、停机坪等外场对机载设备进行功能和部分性能的检查，为飞机的安全放飞提供依据。

方位信号是由脉冲序列中的编码基准群(主、辅基准群)和脉冲列的幅度调制包络所携带的，它的相对相位差就决定了方位读数。方位模拟就是设法产生不同相位关系的基准和包络信号(含主、辅基准和15hz、135hz正弦包络信号)。对于定点方位即为基准和包络之间相位差固定的信号，对于连续可变的方位，则为基准和包络之间相位差可连续变化的信号。

距离信号的模拟实际上就是控制“询问/应答”式测距中应答信号的延迟时间。

识别信号是由莫尔斯电码“点”、“划”字组成，传统的实现方法是用固态电子键的原理来实现的。

塔康信标模拟器去掉方位模拟功能就成了dme测距信标模拟器，它产生dme测距信标台距离回答信号和台站识别信号的原理、体制、技术和方法与塔康信标模拟器产生塔康信标台距离回答信号和台站识别信号是完全相同的。也就是说塔康信标的距离模拟功能完全兼容dme测距信标模拟器的距离模拟功能。

目前，现有的塔康外场信标模拟器仅限于在一个通道中模拟几个固定信标台站的方位、距离和台站识别信号，同一时间只能为机载设备提供一个信标台站的模拟信号，与机载设备只能进行一对一的性能检测，不能满足机载设备对多个信标台的需要。

传统塔康外场信标模拟器由视频信号处理模块和高频信号处理模块及天线组成，原理示意图见图1。视频信号处理模块产生的不同方位点或连续变化的方位信号和距离回答信号及塔康视频信号，在高频信号处理模块中经射频产生及调制电路,形成射频信号经环行器送天线辐射。从天线接收到的询问信号经检波和询问放大后送视频信号处理模块，经固定延时形成距离回答信号。环行器用作收发隔离。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种塔康外场信标模拟器，主要目的是用一台设备同时产生五个通道、五个不同台站的塔康、dme测距信标模拟信号，为塔康、dme测距机载设备及dme(多台)测距和塔康(dme)定位机载设备提供一种直接、高效、可靠的外场信标模拟检测设备，实现对塔康、dme测距机载设备及dme(多台)测距和塔康(dme)定位机载设备功能和性能的外场检测。

目前现役的塔康外场信标模拟器几乎全部都是模拟单一信标台站的方位、距离和台站识别信号，功能单一，只能对塔康(dme)机载设备的测距、测位等基本功能进行测试，如果要检测具有塔康(dme)定位和dme(多台)测距功能的机载设备，一般需要最少三台塔康(dme)信标模拟器再加上其它辅助测量器具才能完成，同时三个塔康(dme)信标模拟器的输出频谱性能往往影响机载设备塔康(dme)定位和dme(多台)测距功能的实现，测试结果往往得不到保证，操作繁杂,测试成本大，外场大多还不具备搭建测试环境的条件。

当使用塔康外场信标模拟器测试机载设备时，塔康外场信标模拟器利用一个通道产生塔康模拟信标台站的方位、距离和识别信号完成对机载设备塔康性能的检测；利用五个通道产生dme测距信标台站的距离和识别信号完成对dme测距、塔康(dme)定位和dme(多台)测距机载设备性能的检测；在测试具有塔康(dme)定位和dme(多台)测距功能的机载设备时，塔康外场信标模拟器同时产生五个独立的不同频率、不同台址的地面模拟信标信号并以等待的方式接受机载设备的轮流询问，机载设备在每个模拟地面台站上捕捉到自己的回答信号后就测得了五个模拟台站的五个模拟距离，实现dme(多台)测距机载设备功能和性能的检测，同时具有塔康(dme)定位功能的机载设备还可根据所测得的五个模拟距离和预先已知的五个模拟地面台站的坐标信息，应用距离-距离定位原理就可解算出机载设备的坐标位置信息，该坐标位置信息与塔康外场信标模拟器预设的机载设备坐标位置信息的差异，就测量了机载设备定位性能。

从而为机载设备的外场检测、维护提供了一种全新的多功能信标模拟检测设备，提高了测试效率、降低了测试成本，既满足了现役机载设备对塔康外场信标模拟器的需求，也满足了现役机载设备更新换代和设备升级对塔康外场信标模拟器的需求。

本发明采用多通道并行技术、钟形(高斯形)脉冲和pin调制技术、电平检波技术实现了用一台设备模拟多个信标台站的功能，为机载设备提供了一种多功能、高性能的塔康外场信标模拟器。

塔康外场信标模拟器原理示意图见图2，与传统塔康外场信标模拟器不同的是视频信号处理模块不仅能产生五路不同距离点或连续变化的距离回答信号及塔康视频信号、一路不同方位点或连续变化的方位信号，而且具有键盘控制和数据显示能力。高频信号处理模块由五路射频产生及调制电路、五路功率合成及射频终端电路和放大检测电路组成，产生五路射频信号经功率合成后从双向耦合器的主路送到天线。询问检波器、放大检测电路共同组成塔康外场信标模拟器的电平检波器，用双向耦合器的方向性代替传统方案中环形器实现收发信号的隔离。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

现役各型塔康外场信标模拟器，功能单一，还仅限于模拟一个地面台站的方位、距离和识别信号，没有多台信标模拟功能。塔康外场信标模拟器在保留塔康信标模拟器基本功能的前提下，采用多通道技术、钟形(高斯形)脉冲和pin调制技术、电平检波技术等，可同时产生多个地面台站的模拟信标信号。

要实现多个地面台站的模拟信标信号，需要解决以下几个问题：输出频谱性能问题、多通道视频信号形成控制及处理问题，塔康(dme)定位信标台站的选取问题。

1、输出频谱性能问题

塔康外场信标模拟器的工作频段在962mhz～1213mhz，分为252个波道，射频脉冲频谱的好坏将直接影响全频段覆盖和多通道性能的实现。传统的塔康外场信标模拟器是由62mhz晶体振荡器经谐波发生器输出16～19次谐波，经视频脉冲信号调制产生992mhz、1054mhz、1116mhz、1178mhz四个经脉冲调制的射频信号，图3是传统塔康外场信标模拟器输出信号的频谱图，在全频段范围内只有固定的四个波道，噪声大，频谱能量发散。同时由于采用了方波和三极管调制技术,输出频谱占有较大的带宽(超过10mhz)，频谱能量不集中，在偏离中心频率0.8mhz处功率电平仅下降18db，在偏离中心频率±1mhz以外仍有-40dbm的功率电平，几乎无邻波道抑制能力，无法实现工作频段的全频段覆盖功能，检测机载设备时往往会对机载设备的相邻多个波道产生干扰。

塔康外场信标模拟器采用现代频率合成、钟形(高斯形)脉冲和pin调制技术及微带技术产生全频段塔康射频信号。每个通道都可在962mhz～1213mhz内产生频率间隔为1mhz的252个波道，同时视频脉冲信号波形采用钟形(高斯形)脉冲作调制信号，频谱能量集中，输出频谱在偏离工作频率标称值±0.8mhz处功率电平下降超过27db；偏离工作频率标称值±2mhz以外及远端的功率电平远远小于-60dbm，同时钟形(高斯形)脉冲与方波相比能量集中，频谱性能更优，具有一定的邻道能力，多通道输出时不会产生频谱混叠和相互干扰，检测机载设备时也就不会对机载设备的邻波道或其它波道产生干扰。

塔康外场信标模拟器与传统的塔康外场信标模拟器相比最大区别之一就是有效提高了输出频谱性能，实现了多通道、全工作频段的覆盖，保证了五个射频通道之间工作波道互不干扰、输出频谱互不重叠，具有较好的电磁兼容性。

2、多通道视频信号形成控制和处理技术

塔康外场信标模拟器在模拟塔康信标功能时，视频信号是由一等幅的脉冲串和15hz、135hz调幅信号组成，该脉冲串包括主基准脉冲群、辅助基准脉冲群、随机脉冲和距离回答脉冲(在被询问时出现)或者识别和均衡脉冲组成；在模拟dme测距信标功能时，视频信号是由一等幅的脉冲串组成，包括距离回答脉冲(在被询问时出现)和询问脉冲。dme测距与塔康测距时的视频信号格式、波形和编码体制都是相同的。实质上塔康外场信标模拟器视频信号就是以上信号的综合，包括一路方位包络(15hz、135hz)信号和五路视频信号。

距离模拟性能包括距离精度、距离变化速率、随机脉冲等，影响距离处理精度的因素一方面是由射频电路引入的延时，当射频电路固定后，其射频延时一般来说就相对固定，可通过软件校准的方法予以抵消；另一方面是由视频处理部分带来的量化误差，为减小这一部分误差，视频处理电路主时钟采用20mhz高速时钟，这样量化误差就可以做到15m，可有效提高塔康外场信标模拟器距离精度。随机脉冲由软件通过计算来完成，随机性较好，脉冲总数也容易得到控制。

方位模拟性能包括方位精度、方位变化速率、15hz/135hz调制度、主基准群编码、辅基准群编码等，方位处理时钟采用540khz时钟，其处理精度可达到0.1°，可提高方位、方位变化速率、调制度等；由于主时钟采用20mhz高速时钟，主基准群和辅基准群编码精度可达到0.05μs。

脉冲编码包括钟形(高斯形)脉冲波形和脉冲对编码，用20mhz时钟采用数字化方法(d/a等)实现，处理精度达到0.05μs。

识别信号由软件完成的。

与传统塔康外场信标模拟器相比，塔康外场信标模拟器采用fpga和高速mcu框架，用软件实现了一路方位信号和五路视频信号的形成、显示、控制和对询问信号的译码处理及识别信号的产生等功能，极大的降低了电路规模和结构，可靠性好，采用高速时钟有效提高了距离和方位模拟精度，方便地实现了对塔康外场信标模拟器工作状态的显示和控制。

3、塔康(dme)定位信标台站的选取问题

塔康外场信标模拟器在功能上不同于传统塔康外场信标模拟器的最大的区别之二就是具有多通道工作体制，它能同时针对一个塔康机载设备或者一至五个dme机载设备同时工作，既可满足现役塔康机载设备、dme测距机载设备的外场测试，又可满足新一代塔康(dme)定位机载设备和dme(多台)测距机载设备的外场检测、维护和维修。

塔康外场信标模拟器不仅可以为dme(多台)测距机载设备提供五个不同地面台站的模拟距离信息和台站识别信号，同时还可为塔康(dme)定位机载设备提供与五个预设的实际地面台坐标及与五个模拟距离值相对应的模拟位置坐标p(x、y、z)，这五个模拟距离值是由模拟位置坐标p(x、y、z)与五个预设的地面台站坐标a(x1、y1、z1)，b(x2、y2、z2)、c(x3、y3、z3)、d(x4、y4、z4)、e(x5、y5、z5)通过高斯投影换算得出的距离值。

塔康外场信标模拟器在外场对塔康(dme)定位机载设备测试检查时，塔康(dme)定位机载设备首先对塔康外场信标模拟器预设的模拟台站序列的主台信号进行识别译码，解算出主台站的识别码信息，再从自身数据库中选出与主台站识别码相同的模拟台站序列，然后测量出到相应模拟信标台站的模拟距离信息，将模拟距离信息通过高斯投影公式换算成坐标信息输出给机上显示设备。通过比对塔康外场信标模拟器预设的模拟位置坐标信息和机上显示设备显示的坐标信息，即可确认机载设备的定位性能状态。

预设的模拟信标台站序列及坐标信息是从我国民航在国内布置的实际导航台中依据塔康(dme)定位限制条件选取的,这样就满足了塔康(dme)定位机载设备对定位台站的要求。

有益效果：

本发明用一台塔康外场信标模拟器实现了多个信标台站的信标模拟功能，既满足了现役塔康(dme)机载设备外场检查、维修、维护的需要，也满足了塔康(dme)机载设备升级换代对塔康外场信标模拟器的需求。功能全、性能优、功耗低、体积小、重量轻、操作携带方便，人机交互界面完善。同时也为内场提供了一种维护、修理、调整机载设备的辅助模拟器。可靠性高，生产维修性好，具有良好的经济性和较高的性价比，具有较强的市场占有率和市场竞争力。

本发明涉及的某型塔康(dme)塔康外场信标模拟器已通过外场使用验证，能够模拟五个塔康(dme)地面信标台站的信标信号，同时还能为塔康(dme)定位机载设备提供模拟定位信息，达到了预期的目的。

附图说明：

图1为传统塔康外场信标模拟器原理示意图；

图2本专利塔康外场信标模拟器原理示意图；

图3本专利塔康外场信标模拟器组成框图；

图4微波调制模块原理框图；

图5显控与视频处理模块结构图；

图6本专利塔康外场信标模拟器结构图；

其中：1为显控与视频处理模块、2为频率合成器模块、3为微波调制模块、4为锂电池。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图2、3、4、5、6，做如下描述：

①硬件实施方式

塔康外场信标模拟器通过天线辐射塔康模拟信标信号、也通过天线接收机载设备的询问信号。从图3塔康外场信标模拟器组成框图可以看出，塔康外场信标模拟器由频率合成器模块、微波调制模块、显控与视频处理模块等三个模块构成。频率合成器模块和微波调制模块以微波信号处理和微带技术为基础，完成五路射频信号的产生和接收。显控与视频处理模块以大规模集成电路fpga和高速单片机mcu为中心，一方面对显示控制单元的控制信息进行处理显示形成塔康视频信号与方位包络，另一方面对接收到的询问信号进行检测、译码、延时产生五路视频信号。

●频率合成器模块是由五个独立的频率合成器组成，具有较宽的频带并具有低的相位噪声和功耗。在模拟塔康和dme测距信标时，只有一路频率合成器工作，其它四路不工作(休眠)，在模拟dme(多台)测距信标和塔康(dme)定位信标时五路频率合成器同时工作，输出五路不同的射频信号。

●微波调制模块由五路pin调制器、五路程控衰减器、五路功率合成器、双向耦合器、检波器等射频终端电路组成，见图4微波调制模块原理框图。

本发明采用双向耦合器的方向性代替传统方案中环形器实现收发信号的隔离，五路pin调制器是微波调制模块的核心。从显控与视频处理模块来的五路视频信号和一路包络信号分别加到五路pin调制器上用来调制频率合成器输出的五路rf信号，五路被调制过的rf信号经程控衰减器后通过五路功率合成器合成为一路射频信号,再经双向耦合器的主路送到天线端口。双向耦合器左副路用于对发射输出信号的耦合，耦合信号送自检检波器完成发射射频信号的检波，双向耦合器的右副路用于对天线接收信号的耦合，耦合信号送询问检波器完成对机载备询问信号的检波。双向耦合器具有最少25db的方向性。

通过控制程控衰减器的衰减量可控制各路射频输出信号功率的大小。

●pin调制器组是由五路相同的pin调制器组成。pin调制器是由两组性能相近的pin二极管串并联而成，一组实现视频脉冲调制一组实现包络幅度调制，在产生dme测距、dme(多台)测距和塔康(dme)定位机载设备信标信号时幅度调制器的合成包络信号只是一直流电平。

pin调制器在直流偏置条件下，是用低频信号的幅度改变pin二极管的内阻来实现对射频信号的调制，调制指数通过调节低频信号的幅度实现，由于pin调制器所呈现的非线性，我们用三极管输入特性曲线的指数关系激励补偿pin二极管的对数关系来改善调制特性。从显控与视频处理模块来的五路视频信号和一路包络信号经三极管激励电路转换后送pin调制器，实现视频脉冲调制和包络调制，输出五路射频信号。

pin调制器的具体电路连接是完全对称的，双pin二极管在总输入线分支口以后的λ/4波长处以并联方式连接，采用双pin二极管串接是为了改善输出频谱特性。

●询问检波器、放大检测电路共同组成了塔康外场信标模拟器的电平检波器，电平检波器的检测门限随询问信号幅度变化而变化，当询问信号幅度发生变化时始终保持门限和询问信号幅度的相对比值不变，克服了传统塔康外场信标模拟器询问信号幅度变化引起的定时时差，定时时差精度最少提高0.5μs，有效提高了测距精度。同时询问检波器、放大检测电路结构简单，频响好、动态范围宽，体积小、温度稳定性好。

●为减小微波调制模块的体积重量，五路功率合成器、双向耦合器、滤波器等微波部件均用微带电路实现，这些微波部件不仅要满足塔康频段要求还要满足驻波和插损要求，这样才能保证射频功率及频谱。

●显控与视频处理模块原理框图见图5，显控与视频处理模块采用mcu和fpga框架，fpga主要完成对接收检波信号的译码延时和五路视频信号的编码及方位综合包络的形成，完成对发射检波信号的采样和处理。mcu主要完成工作模式控制、数据传输、键盘操作、参数控制、数据显示和对五路频率合成器、五路程控衰减器的控制。

③结构实施方式

塔康外场信标模拟器所有的操作按键和显示屏都在面板上，显示屏在面板上部，键盘在面板下部，工作状态指示灯在面板中部，电源接口、开关和检测接口设置在侧部，天线端口在顶部。各模块之间的连接关系见图6，外形尺寸：宽×深×高为109mm×64mm×218mm(不含接插件)。

本发明特点：

①本发明塔康外场信标模拟器实现了全波道覆盖

采用钟形(高斯形)脉冲和pin调制技术使频谱性能得到有效提高，实现了塔康外场信标模拟器的全频段、全波道覆盖功能。

②本发明塔康外场信标模拟器实现了一机多台功能

采用多通道并行技术和具有微波信号处理功能的微波调制模块产生了多个信标台站的模拟信号，实现了一机多台(或一机多站)功能，但体积重量仅增加五分之一。

③本发明塔康外场信标模拟器性能优

采用一片fpga和mcu芯片，极大的简化了硬件电路规模和复杂度，增强了设备可靠性。同时采用高速时钟和电平检波器，有效提高了模拟方位、距离精度。

④本发明塔康外场信标模拟器功能配置灵活

在结构和硬件电路不变的情况下，通过对pin调制器综合包络信号和视频信号的不同配置，可将五个通道配置为任意塔康模拟信标通道和任意dme测距模拟信标通道。同时在dme测距模拟信标基础上通过调整视频信号编码体制和脉冲波形(升余弦波形:sin/cos²)等技术措施可将dme测距模拟信标通道配制成具有精密测距(dme/p)信标模拟功能的通道，可实现对微波着陆设备精密测距性能的外场检测。

⑤本发明塔康外场信标模拟器外观独特、操作携带方便。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。