采用高增益塔康天线构建战术导航网

栗秀清

（国营七六四厂，天津 300210）

1 概述

1.1 塔康系统

塔 康（TACAN）是 战 术 空 中 导 航 系 统（Tactical Air Navigation System）的简称，又名航空近程导航系统。该系统具有测向、测距及信标台识别功能，以实现极坐标定位。系统主要包括地面塔康信标和塔康机载设备两部分。

1.2 塔康天线

塔康天线是塔康系统的关键设备之一。它把塔康地面应答机产生的射频信号辐射出去，产生旋转的九瓣心形辐射场型，在其服务空域内为装有塔康机载设备的飞机提供方位、距离及识别信号，实现对飞机的极坐标导航，塔康天线辐射方向图如图1所示。

图1 塔康天线辐射方向性图

塔康天线按其方向图扫描形成的方案可分为机械扫描天线和电子扫描天线。按包络调制形式，可分为单15赫调制天线和15赫与135赫合成调制天线。电子扫描天线有三种实现方式。分别是寄生调制、幅度调制和相位调制。

1.3 天线增益

天线增益是天线在某一方向上辐射能量集中程度表征，一般参考辐射源为全方向性辐射源。增益与天线方向图密切相关系，方向图主瓣越窄，辐射能量越集中，增益越高。

不同种类的塔康天线垂直方向图有很大区别，其中主瓣最大值所处的仰角范围直接涉及到系统工作区和场地影响问题，一般来说，小型天线主瓣仰角比较高，与半波对称振子相比的天线网络增益约为2dB左右，一般大型天线主瓣仰角比较低，与半波对称振子相比的天线网络增益约为5dB左右。

2 塔康导航系统作用距离估算

2.1 电磁波视距传播特性

由于电磁波的视距传播特性，所以塔康系统的最远作用距离受限于视距传播的最远距离，但是由于大气折射因素，实际电磁波视距传播距离会变远，所以，塔康系统的最远作用距离可按公式（1）进行估算：

其中，Rmax为电磁波传播的最远作用距离，H1为塔康信标天线的架设高度，Hmax为飞机的最高飞行高度。根据该公式可知，由于电磁波的视距传播特性，塔康导航系统可能的最远作用距离约为552千米（飞行高度18000米），但考虑飞机性能差异，飞行高度按12000米来进行分析评估，这时塔康导航系统可能的最远作用距离约为450千米。

2.2 系统最大传输损耗

因为塔康系统测距功能必须通过信号的下传和上传双程传输，电磁波在空间传输的过程中总是有损耗的，所以系统的作用距离主要考虑电磁波的空间传输损耗。空间两点间正常无线通信能量平衡关系见公式（2）：

式中，Pr为接收点天线收到的辐射信号功率；Gr为接收天线增益系数；Pt为发射点天线辐射出去的信号功率；Gt为发射天线增益系数。

对上式两边取对数化简得关系式：

其中，工作频率f的单位为兆赫兹；r的单位为千米；Pt和Pr的单位都为瓦。

则（3）式变为

公式（4）为电磁波自由空间传输损耗，公式（5）为空间两点间通信的系统最大传输损耗，如果按照最远视距传播距离552千米计算，空间传输损耗约为148dB。如果限定最远作用距离为450千米，则电磁波自由空间传输损耗约为146dB。

设Pt为2700W（考虑1dB电缆损耗），Pr为-120dBW（考虑1dB电缆损耗），中心频率为1088MHz。可计算出上行链路允许的系统最大传输损耗约为156dB。

设Pt为400W（考虑1dB电缆损耗），Pr为-121dBW（考虑1dB电缆损耗），中心频率为1088MHz。可计算出下行链路允许的系统最大传输损耗约为149dB。

2.3 影响系统作用距离的因素分析

从电磁波视距传播特性及塔康系统通信传输损耗来看，理论上采用2dB低增益塔康天线（与半波对程振子相比）也可以满足最大作用距离的要求，但实际上由于塔康信标天线调制方向图衰减特性及周围的地面反射可能产生的测距“零陷区”，实际的系统最大传输损耗还需考虑这两个因素，根据文献4中的分析，信标天线的调制方向图衰减量约为1.32dB，由于地面反射引起的谷点电平比自由空间电平低4～6.6dB。

如果以最大视距传播450千米考虑，由于信标天线调制方向图和地面反射引起的谷点电平之和约为5.32～7.92dB，所以下行链路系统最大允许的传输损耗平均值约为142.38 dB，与450千米空间传输损耗146dB相差约3.62dB。由于系统信号传输损耗高于自由空间信号传输损耗，所以影响系统的最远作用距离。

2.4 提升作用距离的措施分析

通过塔康系统双向链路信号传输损耗的计算，可知塔康系统的最大作用距离主要取决于下行链路的系统最大传输损耗。同时要考虑信标天线调制方向图和地面反射引起的谷点电平衰减的影响，所以要减少下行链路的系统传输损耗，由下行链路的计算方法可知能够降低系统传输损耗的有效措施主要是提高塔康信标的接收机灵敏度和塔康信标天线的增益。由于塔康地面接收机的动态范围、抗干扰容限、电磁兼容等方面的制约，接收机灵敏度的提高难度较大，所以提高系统作用距离的有效措施就是提升信标天线的增益，选用5dB高增益塔康信标天线（与半波对程振子相比）比2dB低增益塔康天线提升3dB天线增益。

参照文献1中论述，当飞机高度在12000米高空时，需要考虑第一号零区的影响。文献1的附录三，零区与天线高度（H1）、反射点距离（d1）的关系曲线显示，在一般陆地反射面，零区1的反射点大约在1千米左右，在多数情况下，距离塔康信标台1千米的位置多数地势不会平坦，或者有树木、建筑或土丘，所以因地面反射引起的谷点电平实际上小于根据理想反射面计算得到的信号衰减量，而且塔康地面接收机灵敏度指标一般也有1dB的灵敏度裕度，机载塔康设备也具有一定的测距和测位记忆功能（8～10秒），所以说提高塔康天线增益3dB后，考虑塔康系统影响作用距离因素的实际现状，系统信号下行链路满足传输要求。

综合以上分析，采用高增益塔康信标天线，飞机在最大飞行高度12000米的情况下，能够满足450千米的最大作用距离。

3 采用高增益塔康天线构建战术导航网的可行性分析

3.1 建网必要性

构建战术导航网络，有利于提升飞机导航信号安全性和完备性，以及飞机远距离巡航时导航信号的连续性，也有利于保证各信标台之间信号交叉覆盖的冗余度。建成的导航网络将覆盖我国整个空域，有利于飞机紧急情况下灵活执行特定任务。

3.2 建网可行性

根据实际的校飞经验和理论计算，如果采用高增益塔康信标天线，飞机在12000米飞行高度的情况下，塔康系统的作用距离能达到450千米，这就为战术导航网络的构建创造了条件，如图2所示，为了实现两个塔康信标台之间导航信号的不间断覆盖，最大间距大约为900千米。我国东西跨度约5200千米，南北跨度约5500千米，如果按照最大间距900千米设置塔康导航台，理论上东西设置6个塔康台、南北设置7个塔康台就能满足东西和南北方向的塔康导航信号覆盖要求，这在塔康台选址难度和建设费用来说都是可以接受的。因此，建议塔康信标台采用高增益塔康天线，合理选择塔康信标台的台址，兼顾信号交叉覆盖和信号不间断原则，构建塔康系统的战术导航网络。

当然，提高塔康信标信号覆盖范围，更有利于战术导航网的构建，在实际的战术导航网构建设计上还有许多系统的问题需要考。

图2 两套塔康信标组网最远距离示意图

4 结束语

通过本文的分析，如果塔康信标选用高增益塔康天线，将会以较小的成本投入实现空中战术导航网络的构建，并且该战术导航网络能够覆盖沿海专署经济区范围，对巩固国防具有重要的战略意义。