基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法

摘要

本发明公开了一种基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，包括对接收的信号进行滤波、数字正交变换处理；信号特征提取，提取后的信号分别进行询问信号方位角计算、ASK包络解调；提取后的信号经两路进行处理；对A/C/S模式询问信号解码单元解码后的信号进行编码后输入DA芯片数据配置单元；根据数据处理单元给出的方位角，产生应答信号方位信息和天线控制信息；根据天线控制信息，控制天线实现全向和定向两种模式的切换。大幅减少地面二次雷达站询问所带来的异步串扰问题；并利用定向天线收发增益，增长探测距离和降低发射机功率；处理时间短，时效性强，数字化程度高。

权利要求

1.基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，所述比幅测向体制的S模式应答机包括数字正交变换单元、数字正交信号预处理单元、A/C/S模式询问信号解码单元、S模式应答PPM/PCM编码单元、DA芯片数据配置单元、数据处理单元、应答信号方位角控制单元以及全向/定向天线控制单元；

数字正交变换单元用于接收测向信号，并对测向信号进行滤波；

数字正交信号预处理单元用于对数字正交变换单元输出的信号进行信号特征提取、询问信号方位角计算以及ASK包络解调；

A/C/S模式询问信号解码单元用于对数字正交信号预处理单元输出的询问信号包络波形进行解码，并将解码后的信号输出至数据处理单元；

S模式应答PPM/PCM编码单元根据数据处理单元给出的应答信号进行编码；DA芯片数据配置单元根据S模式应答PPM/PCM编码单元的编码信息，对数据进行配置；

数据处理单元用于产生本机应答信号数据，并将处理后的数据分别输出值S模式应答PPM/PCM编码单元和外部设备；

应答信号方位角控制单元用于产生方位角控制信号；

全向/定向天线控制单元根据应答信号方位角控制单元发出的方位角控制信号，控制天线在全向和定向两种模式切换；

其特征在于：所述方法包括以下处理步骤：

(a)数字正交变换单元接收待处理的测向信号，并对接收到的信号进行滤波、数字正交变换处理；

(b)经数字正交变换处理后的信号进入数字正交预处理单元，信号在数字正交预处理单元完成信号特征提取，提取后的信号分别进行询问信号方位角计算、ASK包络解调；

(c)一方面，提取后的信号经询问信号方位角计算得到询问信号方位信息，将该询问信号方位信息输入数据处理单元，数据处理单元输出相应的应答信息；另一方面，提取后的信号经ASK包络解调得到询问信号包络波形，将该询问信号包络波形输入A/C/S模式询问信号解码单元完成解码工作；

(d)S模式应答PPM/PCM编码单元对A/C/S模式询问信号解码单元解码后的信号进行编码，并将编码后的信号输入DA芯片数据配置单元；

(e)应答信号方位角控制单元根据数据处理单元给出的方位角，产生应答信号方位信息和天线控制信息；

(f)全向/定向天线控制单元根据步骤(e)给出的天线控制信息，控制天线实现全向和定向两种模式的切换。

2.根据权利要求1所述的基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，其特征在于：所述步骤(c)中询问信号方位角计算的具体过程为：(c1)通过四个天线阵子接收提取后的信号，并将每个天线阵子接收到的信号送入各自对应的信道；

(c2)每个信道输出的信号都分别送到两个减法器；

(c3)在减法器内，每个天线阵子的输出信号与左右相邻天线阵子的输出信号进行比幅运算，得到方位码，并将方位码传输给数据处理单元进行后续处理。

3.根据权利要求2所述的基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，其特征在于：所述步骤(c2)的具体过程为：(c21)将四个天线阵子输出的信号分别送入四个信道，四个信道分别输出信号A、B、C、D，每个信道输出两路信号；

(c22)信号A和B加到减法器J1，信号B和C加到减法器J2，信号C和D加到减法器J3，信号D和A加到减法器J4。

说明书

基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及空中交通管理和空中交通安全监视领域，具体涉及基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法。

背景技术

[0002] S模式应答机配合机载TCAS设备构成TCAS系统实现空空协调避撞，同时与地面二次雷达配合完成空中交通管制，通常兼容原有空中交通管制雷达信标系统(ATCRBS)A/C模式应答机功能(通常简称ATC应答机)，同时也具备离散寻址信标系统(DABS，简称S模式)S模式应答机功能。

[0003] 传统S模式应答机全向接收1030MHz询问信号，全向发射1090MHz应答信号。由于硬件环境和信道设计的差异，传统的S模式应答机使用安装在飞机顶部与底部的两部全向天线完成与地面二次雷达站或者空中飞机之间的询问和应答操作，因为无法判断询问信号的方位，使得询问设备必须保持较高的重复询问频率和较大的发射功率，以维持与机载应答机之间的通信，从而导致了飞行空域中存在大量的射频信号干扰，对于日益繁忙的空中交通管制造成了严重的影响，同时传统S模式应答机作为独立的个体也无法和TCAS设备共用硬件资源和天线信道，造成了硬件资源的浪费，不便于地面维护和管理。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，解决传统S模式应答机无法判断询问信号的方位，使得询问设备必须保持较高的重复询问频率和较大的发射功率，以维持与机载应答机之间的通信，从而导致飞行空域中存在大量的射频信号干扰，对于日益繁忙的空中交通管制造成严重的影响，而且传统S模式应答机作为独立的个体，无法和TCAS设备共用硬件资源和天线信道，造成硬件资源的浪费，不便于地面维护和管理的问题。

[0005] 本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：一种比幅测向体制的S模式应答系统，包括数字正交变换单元、数字正交信号预处理单元、A/C/S模式询问信号解码单元、S模式应答PPM/PCM编码单元、DA芯片数据配置单元、数据处理单元、应答信号方位角控制单元以及全向/定向天线控制单元；

[0006] 数字正交变换单元用于接收测向信号，并对测向信号进行滤波；

[0007] 数字正交信号预处理单元用于对数字正交变换单元输出的信号进行信号特征提取、询问信号方位角计算以及ASK包络解调；

[0008] A/C/S模式询问信号解码单元用于对数字正交信号预处理单元输出的询问信号包络波形进行解码，并将解码后的信号输出至数据处理单元；

[0009] S模式应答PPM/PCM编码单元根据数据处理单元给出的应答信号进行编码；DA芯片数据配置单元根据S模式应答PPM/PCM编码单元的编码信息，对数据进行配置；数据处理单元用于产生本机应答信号数据，并将处理后的数据分别输出值S模式应答PPM/PCM编码单元和外部设备；

[0010] 应答信号方位角控制单元用于产生方位角控制信号；

[0011] 全向/定向天线控制单元根据应答信号方位角控制单元发出的方位角控制信号，控制天线在全向和定向两种模式切换。

[0012] 进一步地，作为优选方案，所述数字正交变换单元包括数字信号带通滤波器模块和数字正交变换器模块，数字信号带通滤波器模块接收测向信号并完成信号滤波，滤波后的信号经数字正交变换器组模块进行数字正交变换处理。

[0013] 进一步地，作为优选方案，所述数字正交信号预处理单元包括信号特征提取模块、询问信号方位角计算模块以及ASK包络解调模块，所述信号特征提取模块对数字正交变换后的信号进行特征提取，得到信号幅度、相位、频率；询问信号方位角计算模块根据提取到的特征，产生询问信号方位信息并传输给数据处理单元；ASK包络解调模块根据信号特征提取模块提取到的特征，得到询问信号包络波形，并将该询问信号包络波形输出至A/C/S模式询问信号解码单元。

[0014] 一种基于上述比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，包括以下处理步骤：

[0015] (a)数字正交变换单元接收待处理的测向信号，并对接收到的信号进行滤波、数字正交变换处理；

[0016] (b)经数字正交变换处理后的信号进入数字正交预处理单元，信号在数字正交预处理单元完成信号特征提取，提取后的信号分别进行询问信号方位角计算、ASK包络解调；

[0017] (c)一方面，提取后的信号经询问信号方位角计算得到询问信号方位信息，将该询问信号方位信息输入数据处理单元，数据处理单元输出相应的应答信息；另一方面，提取后的信号经ASK包络解调得到询问信号包络波形，将该询问信号包络波形输入A/C/S模式询问信号解码单元完成解码工作；

[0018] (d)S模式应答PPM/PCM编码单元对A/C/S模式询问信号解码单元解码后的信号进行编码，并将编码后的信号输入DA芯片数据配置单元；

[0019] (e)应答信号方位角控制单元根据数据处理单元给出的方位角，产生应答信号方位信息和天线控制信息；

[0020] (f)全向/定向天线控制单元根据步骤(e)给出的天线控制信息，控制天线实现全向和定向两种模式的切换。

[0021] 进一步地，作为优选方案，所述步骤(c)中询问信号方位角计算的具体过程为：

[0022] (c1)通过四个天线阵子接收提取后的信号，并将每个天线阵子接收到的信号送入各自对应的信道；

[0023] (c2)每个信道输出的信号都分别送到两个减法器；

[0024] (c3)在减法器内，每个天线阵子的输出信号与左右相邻天线阵子的输出信号进行比幅运算，得到方位码，并将方位码传输给数据处理单元进行后续处理。

[0025] 进一步地，作为优选方案，所述步骤(c2)的具体过程为：

[0026] (c21)将四个天线阵子输出的信号分别送入四个信道，四个信道分别输出信号A、B、C、D，每个信道输出两路信号；

[0027] (c22)信号A和B加到减法器J1，信号B和C加到减法器J2，信号C和D加到减法器J3，信号D和A加到减法器J4。

[0028] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

[0029] (1)本发明在射频收发通道上参考综合监视系统的硬件电路设计思路，配合专用TCAS天线实现射频信号定向收发的功能，大幅减少地面二次雷达站询问所带来的异步串扰问题；并利用定向天线收发增益，增长探测距离和降低发射机功率；询问信号方位解算和应答信号方位角控制的软件逻辑算法全部集成在FPGA中，处理时间短，时效性强，数字化程度高。

[0030] (2)本发明可根据应用平台的不同需求，进行天线数量和收发链路结构裁剪，以满足支线客机、通用飞机、地面管制站等不同应用平台的实际要求；并可根据收发天线的设计特性，完成应答信号方位角控制软件算法的自适应匹配。

附图说明

[0031] 图1为本发明的整体组成结构示意图；

[0032] 图2为询问信号方位角计算过程示意图；

[0033] 图3为定向天线四阵子方向图。

具体实施方式

[0034] 下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0035] 实施例：

[0036] 如图1所示，本实施例所述的一种比幅测向体制的S模式应答系统，包括数字正交变换单元、数字正交信号预处理单元、A/C/S模式询问信号解码单元、S模式应答PPM/PCM编码单元、DA芯片数据配置单元、数据处理单元、应答信号方位角控制单元以及全向/定向天线控制单元；

[0037] 数字正交变换单元用于接收测向信号，并对测向信号进行滤波；

[0038] 数字正交信号预处理单元用于对数字正交变换单元输出的信号进行信号特征提取、询问信号方位角计算以及ASK包络解调；

[0039] A/C/S模式询问信号解码单元用于对数字正交信号预处理单元输出的询问信号包络波形进行解码，并将解码后的信号输出至数据处理单元；

[0040] S模式应答PPM/PCM编码单元根据数据处理单元给出的应答信号进行编码，这里的应答信号是A/C/S模式询问信号解码单元根据接收的询问信号解码后，传输给数据处理模块，数据处理模块再根据本机数据和其他机载设备传感器数据，给出56bit或者112bit的应答数据，再由S模式应答PPM/PCM编码单元进行应答信号编码。

[0041] DA芯片数据配置单元根据S模式应答PPM/PCM编码单元的编码信息，对数据进行配置；D/A芯片的配置分为两部分，其中一部分是对D/A芯片的工作状态进行配置，包括片选信号、复位信号、参考时钟信号、工作模式信号等等，具体由所选D/A芯片的数据手册决定；第二部分是根据S模式应答PPM/PCM编码单元输出的应答信号基带数据，进行I/Q正交变换、成形滤波等等工作。

[0042] 数据处理单元用于产生本机应答信号数据，并将处理后的数据分别输出值S模式应答PPM/PCM编码单元和外部设备；询问信号方位角计算模块输出的方位角数据，首先给数据处理单元，然后再传输给应答信号方位角控制单元；数据处理单元将询问信号方位角数据和询问信号数据等传输给外部设备用于显示询问信号的目标，并产生应答信号数据。数据处理单元存储了应答机的固有信息，并且与其他外部航电设备进行信息交互，询问信号方位角计算模块计算得出的方位需要传输给数据处理单元用于目标的显示，同时数据处理单元需要将应答机的应答信息连同应答信号的方位(与询问信号方位相对应)一起传输给后续单元/模块处理。

[0043] 应答信号方位角控制单元用于产生方位角控制信号；应答信号方位角控制单元根据询问信号方位角计算单元计算得出的询问信号方位，反算出应答信号方位，方位模拟的基本原理是使用定向天线在以飞机为中心的360°范围内按照机首、机尾与机身左右舷划分为4个90°的监视区域,如图3所示,将A、B、C、D象限分别对应定向天线的四个辐射单元，图中箭头所示为各象限模拟的角度范围。根据模拟的方位角度，控制该角度所在象限与相邻象限的两个辐射单元的电平衰减值，而剩余的两个辐射单元衰减最大，称为四比幅测向，天线辐射单元电平值与每个模拟目标含有的方位角数据之间是线性相关的。

[0044] 全向/定向天线控制单元根据应答信号方位角控制单元发出的方位角控制信号，控制天线在全向和定向两种模式切换。

[0045] 优选的，将数字正交变换单元分为数字信号带通滤波器模块和数字正交变换器模块，数字信号带通滤波器模块接收测向信号并完成信号滤波，滤波后的信号经数字正交变换器组模块进行数字正交变换处理。

[0046] 优选的，将数字正交信号预处理单元分为信号特征提取模块、询问信号方位角计算模块以及ASK包络解调模块，所述信号特征提取模块对数字正交变换后的信号进行特征提取，得到信号幅度、相位、频率；询问信号方位角计算模块根据提取到的特征，产生询问信号方位信息并传输给数据处理单元；ASK包络解调模块根据信号特征提取模块提取到的特征，得到询问信号包络波形，并将该询问信号包络波形输出至A/C/S模式询问信号解码单元。

[0047] 一种基于上述比幅测向体制的S模式应答机的信号处理方法，包括以下处理步骤：

[0048] (a)数字正交变换单元接收待处理的测向信号，并对接收到的信号进行滤波、数字正交变换处理；

[0049] (b)经数字正交变换处理后的信号进入数字正交预处理单元，信号在数字正交预处理单元完成信号特征提取，提取后的信号分别进行询问信号方位角计算、ASK包络解调；

[0050] (c)一方面，提取后的信号经询问信号方位角计算得到询问信号方位信息，将该询问信号方位信息输入数据处理单元，数据处理单元输出相应的应答信息；另一方面，提取后的信号经ASK包络解调得到询问信号包络波形，将该询问信号包络波形输入A/C/S模式询问信号解码单元完成解码工作；

[0051] (d)S模式应答PPM/PCM编码单元对A/C/S模式询问信号解码单元解码后的信号进行编码，并将编码后的信号输入DA芯片数据配置单元；

[0052] (e)应答信号方位角控制单元根据数据处理单元给出的方位角，产生应答信号方位信息和天线控制信息；

[0053] (f)全向/定向天线控制单元根据步骤(e)给出的天线控制信息，控制天线实现全向和定向两种模式的切换。

[0054] 如图2所示，步骤(c)中询问信号方位角计算的具体过程为：

[0055] (c1)通过四个天线阵子接收提取后的信号，并将每个天线阵子接收到的信号送入各自对应的信道；

[0056] (c2)每个信道输出的信号都分别送到两个减法器；

[0057] (c3)在减法器内，每个天线阵子的输出信号与左右相邻天线阵子的输出信号进行比幅运算，得到方位码，并将方位码传输给数据处理单元进行后续处理。

[0058] 具体地，步骤(c2)的具体过程为：

[0059] (c21)将四个天线阵子输出的信号分别送入四个信道，四个信道分别输出信号A、B、C、D，每个信道输出两路信号；

[0060] (c22)信号A和B加到减法器J1，信号B和C加到减法器J2，信号C和D加到减法器J3，信号D和A加到减法器J4。

[0061] 在本实施例中，信道包括放大器、检波器、视频对数放大器，每个信道的视频输出都分别加到两个减法器去，以完成该天线阵子输出信号与左右相邻天线阵子输出信号的比幅运算并给出方位码，由于各放大支路增益是相同的，因此方位数码表也代表输出信号的大小关系。

[0062] 如图3所示，相邻天线轴线的夹角称为倾斜角，通常让各天线之间的倾斜角相同，对于4个天线的全向比幅系统，倾斜角为90°。在毗邻天线正中间的角度是波束交叉点，通常波束交叉点的增益比最大增益最多低3dB，以保证测向系统的灵敏度在波束交叉点不至于下降太多，因此半波束宽度在这种限制下正好和倾斜角相同。相邻天线波束交叉点与坐标原点的连线加上四个天线波束的轴线把360°方位平面均分成八个区域，分别是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ。当雷达信号入射方向与正北方向成 角，被四个天线同时接收，由于正北天线此时以较大的天线增益接收，经过增益相同的接收机后输出信号最强。同理可知正东天线输出信号次强。而其它两个天线以尾瓣接收，输出信号很小。

[0063] 设天线的方向图为高斯函数：

[0064]

[0065] 其中：是信号入射方向与天线波束轴线的夹角，具体到图3中，即是信号入射方向与正北方向的夹角，K是比例常数，取值为0.693。通常全向比幅测向系统所采用的宽带天线，它的方向图可由式(1-1)来近似。将θS定义为四个宽带天线的轴线，θS的取值可以是90°、180°、270°、360°，当雷达信号的从区域Ⅰ、Ⅱ射入时，θS取值为90°，同理，当雷达信号的从区域Ⅲ、Ⅳ射入时，θS取值为180°，以此类推。对于射入区域Ⅰ的雷达信号来说，假设入射角度为θ，其中θ为相邻天线波束交叉点与坐标原点形成的连线与雷达信号入射方向之间的夹角，见图3，则正北、正东的宽带天线的轴线与雷达信号的入射方向形成的夹角分别为θS/2-θ、θS/2+θ，则在对数放大器的输出端，输出信号的功率分别为：

[0066]

[0067] 其中G1和G2分别是两个接收通道的功率增益，通常它们都相等。

[0068] 因此相减器的输出功率比值R为：

[0069]

[0070] 将通过式(1-3)可进一步地求得：

[0071]

[0072] 由式(1-4)可知，由于θS是已知的，只要对功率比值R进行A/D变换后得到R的值，可以求出信号入射的θ值，也就是在粗略方位角所规定的第Ⅰ区0～45°角度范围内的精确方位角。同理，对于其它区域的雷达信号，同样采用这样的计算方法，可以求出雷达信号的入射角。

[0073] 上述询问信号方位角计算测量方法在物理上较易实现，对硬件资源需求较小，可靠性高，在对目标方位的精度要求不高的情况下，通过比较测量定向天线接收到4个象限的信号幅度的大小，就可以实现将询问信号的方位计算出来，精度可保证在±5°左右。

[0074] 本实施例采用上述询问信号方位角计算方法，在同等情况下，定向接收询问信号和发射应答信号可利用定向天线增益提高接收机灵敏度和降低发射机发射功率，以减少功耗和发热量，提高系统可靠性，便于航空公司维修及管理。

[0075] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。