基于多徑效應微波著陸系統的數字信號處理方法

李　輝，趙建偉

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

基于多徑效應微波著陸系統的數字信號處理方法

李輝，趙建偉

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

摘要：介紹了基于多徑效應的微波著陸系統，分析了測角誤差，提出了一種有效降低多徑條件下機載接收機的測角誤差的數字信號處理方法。該方法主要對誤差源的處理及掃描波束波形畸變進行處理，并給出了驗證結果，證明了方案的可行性。

關鍵詞：多徑效應；微波著陸系統；數字信號處理；測角誤差

0引言

微波著陸系統(MLS)是一種工作在C 波段的機上導出引導數據的自主式進場著陸系統，其引導精度及作用距離是飛機安全快速著陸的關鍵因素。然而系統在工作過程中，由于附近障礙物(如機棚、建筑物、大型飛機等)對電磁波的反射作用，會產生多路徑效應，尤其當表面比較光滑時，多路徑效應比較嚴重。多路徑效應使得機載接收機接收到的MLS往返脈沖包絡信號發生波形畸變，導致無法準確解算出往返掃描脈沖時間間隔，而往返掃描脈沖時間間隔測量精度又是接收機正確解算飛機位置信息的關鍵因素。這就會直接影響接收機測角精度，降低系統引導能力。

因此，如何合理設計針對多徑效應的處理方法，有效降低多徑效應帶來的測角誤差，提高微波著陸系統引導精度，是近年來逐漸引起關注的問題。

為了提高多徑干擾下機載接收機的測角精度，在深入分析多徑效應帶來的測角誤差的基礎上，提出了一種針對多徑效應的數字信號處理方法，有效降低了多徑干擾下機載接收機的測角誤差。

1測角原理及多徑誤差分析

MLS 系統是在方位角和仰角扇區內用2個窄波束以勻速v分別進行左右和上下“往”和“返”掃描，當處于某個角位置θ的飛機檢測到該掃描信號時，測量連續2次掃描波束峰值間的時間差，完成角度測量，如圖1所示。

圖1　MLS角度時間間隔測量方法

由于MLS采用相控陣天線波束掃描，其障礙物的多徑測角誤差可分為2 個重要的區域，即波束內區域(分離角θs<1.7θbw) 和波束外區域(分離角θs>1.7θbw)。波束外區域誤差接收機可通過時間閘門跟蹤技術得到抑制。波束內區域多路徑干擾是對MLS 引導性能的最大干擾，因此主要研究波束內多路徑測角誤差。

標準MLS角度計算方法中2個脈沖的時間值是在波束峰值的-3 dB點測量的，先用比峰值電平低3 dB的門限電平對往返脈沖進行限幅，然后測定該脈沖截斷處前沿和后沿的時間T1、Tt，這2個時間的中點就是往返脈沖的中點tT0=(T1+Tt) /2(tFRO同理)，也就是脈沖的到達時間。由于門限電平比信號峰值電平低，當掃描波束掃過飛機時，飛機接收信號中超過門限電平的那部分，在門限電路輸出一對鎖住閘門脈沖。t為任意角度時飛機接收到“往”、“返”掃描脈沖的時間差，T0為角度0°對應的飛機接收到“往”、“返”掃描脈沖的時間差。而波束掃描脈沖在沒有受到多徑效應影響的情況下，方位(或仰角)角度值θ可由下式得到:

(1)

式中:θ為方位角或仰角的度數;t為掃描波束中心點從往到返掃描的時間間隔(ms);T0為2次掃描過0°角位置的時間間隔(ms);v為掃描速度(°/ms)，通常是20°/ms[1-2]。

由測角原理可知，當掃描波束掃過飛機時，進入角度處理器的信號為接收信號中超過-3 dB門限電平的那部分，也就是天線主瓣寬度內的部分(即波束內區域(分離角θs?1.7θbw))。而當掃描波束受到波束內多路徑干擾發生畸變時，也就是說當掃描波束-3 dB門限電平以上的波形發生畸變，才會產生測角誤差，多徑條件下測量誤差的產生也是由于多徑信號對主瓣干擾而形成的。

當掃描波束包絡產生畸變，對測量結果的影響可以用MLS編碼方程式(式(1))表達。將式(1)微分后得到角誤差公式:

(2)

掃描速度v實際上等于波束寬度θsw(掃描波束波瓣上位于2個-3 dB點之間的寬度)除以波束掃過該2點的持續時間τ。δt是往返掃描期間的時間誤差，它取決于干擾信號或使掃描波束發生畸變的具體形式[3]。

當掃描速度v取20°/ms時，對應的角刻度因子為每度100 μs，如果測量單個脈沖的時間誤差為10 μs，此時的當量誤差角度值就有0.1°。所以誤差的時間因子應控制在納秒到1 μs以內。對于一般的誤差源，式(2)的一次近似值為:

(3)

式中:δθ為峰值誤差的度數;ρ為干擾信號幅值與有用信號幅值的比值，這個值具有普遍的適用范圍。

因此可以看到影響峰值誤差度數δθ的主要因素為波束寬度θsw。

當存在多徑干擾，產生角度偏移時,波束寬度θsw越小或者當θsw近似為0時，則峰值誤差的度數δθ越小或者近似為0。

2中頻數字信號處理的設計

多徑干擾的誤差源主要是由于機場附近障礙物對電磁波的反射和地面天線掃描波束產生的快速躍變和調制。

要降低多徑干擾對測角精度的影響，首先是針對誤差源即輸入信號的處理，機載接收機數字信號處理部分有2個關鍵的濾波器，一個是帶通濾波器，一個是波束包絡濾波器，這2個濾波器的作用影響著整個接收機系統的工作性能。

2.1　帶通濾波器的設計

綜合考慮到模/數(A/D)采樣信號速率和占用現場可編程門陣列(FPGA)資源的情況，在A/D采樣中頻信號之后采用1個帶寬為26 kHz的Chebyshev Type II型帶通濾波器。該濾波器的作用是選通當前頻點的有效信號，抑制帶內和帶外干擾對后續信號處理的影響[4]。帶通濾波器的幅頻特性和相頻特性設計見圖2及圖3。

圖2　帶通濾波器的幅頻特性

圖3　帶通濾波器的相頻特性

2.2　波束包絡濾波器的設計

在調幅(AM)信號解調過程中采用一個帶寬為26 kHz的低通濾波器，該濾波器的作用是選通未扭曲的波束包絡，而抑制那些由地面天線掃描波束產生的快速躍變和調制。此濾波器的引入能把波束包絡從高頻躍變的干擾信號中分離出來，有效減少進入后續信號處理的畸變波形。濾波器的幅頻特性和相頻特性設計如圖4、圖5所示。

圖4　波束包絡濾波器的幅頻特性

3多徑信號的處理

式(3)中波束寬度θsw可由圖6中T1、T2計算得到:

(4)

式中:v為波束掃描速度;τ為波束掃過T1、T22點的持續時間。

當存在多徑信號，波束包絡波形發生畸變時，通過上面的分析已經知道T1、T2和峰值點時間Tf(Tf=1/2(T1+T2))都會發生偏移，偏移量為ε1、ε2、εf，偏移后的時間為T1m、T2m、Tfm。

(5)

(6)

(7)

因此在計算測量誤差時,3個點發生的偏移都要考慮。通過實際分析掃描信號波形發現，當多徑干擾出現在主包絡上升沿的時候，ε1和εf偏移值很大，ε2偏移值相對較小；當多徑干擾出現在主包絡下降沿的時候，ε2和εf偏移值很大，而ε1偏移值相對較小。基于上述現象，首先分別用T1，T2和Tf計算出一個當前方位角或者仰角(θ1,θ2,θf)，θ1，θ2與θf相差半個3 dB點波束寬度，則：

(8)

(9)

利用T1，T2單獨計算單邊角度時，可以等效認為式(4)中波束寬度θsw近似為零，結合式(3)可以有效降低峰值誤差的度數δθ。且通過實際分析掃描波束信號，解算角度發現當多徑干擾出現在主包絡上升沿的時候，θ1和θf偏移值很大，θ2偏移相對較小；當多徑干擾出現在主包絡下降沿的時候，θ2和θf偏移值很大，而θ1偏移相對較小。然后針對3個角度值分別做一個相對鎖住閘門θM及時長為TM的驗證時間，以排除瞬間奇異值，保持鎖定輸出角度為當前角度真值。這樣當當前角度發生變化時，3個角度值偏移量應基本相近且都保持超過時長TM，則輸出取θf；當多徑效應產生偏移時，其中2個角度值偏移較大，而另一個偏移較小且在鎖住閘門門限以內時，保持時間超過時長TM，則輸出取偏移較小值(θ1或者θ2)。這樣就可以在有多徑干擾且波束寬度θsw已知的情況下，使用θ1或者θ2得到最終誤差較小的角度θfm輸出。

4實驗驗證

該處理方法已在實際產品中得到應用，能夠有效提高多徑干擾情況下的測角精度。實際信號處理過程中各信號Chipscope采集波形如圖7、圖8、圖9所示。

圖7　無多徑效應的MLS基帶信號

圖8　多徑干擾在上升沿的基帶信號

圖9　多徑干擾在下降沿的基帶信號

圖10是存在多路徑干擾時最終解算的角精度，圖11是采用上述處理方法后實際解算的角精度。

圖10　存在多徑效應時解算角精度(×1 000)

圖11　實際解算角精度(×1 000)

從圖11可以看到，該處理方法能夠有效降低多徑干擾對角度測量誤差的影響。

5結束語

通過對基于多徑效應考慮的微波著陸系統的測角原理以及多徑誤差的深入分析。提出一種在數字信號處理中實現有效降低多徑條件下機載接收機的

測角誤差的方法。實驗結果表明，采用窄帶帶通濾波器和波束包絡濾波器抑制多徑干擾誤差源及利用掃描波束包絡單邊受多徑干擾影響小的信號特性可以有效提高存在多路徑干擾情況下的測角精度。

參考文獻

[1]周其煥,魏雄志.崔紅躍.微波著陸系統[M].北京：國防工業出版社，1992.

[2]戴傳金,吳德偉,趙修斌,等.微波著陸系統多徑效應的數字仿真研究[J].北京郵電大學學報,2009，32(6): 47-52.

[3]Breien T.Computer analysis of MLS in multipath environment[A].Proceedings of International Conference on The Future of Aircraft All Weather Operations[C].London:IEEE,1976:1043-1048.

[4]胡廣書.數字信號處理[M].北京：清華大學出版社,2003.

Digital Signal Processing Method of Microwave Landing System

Based on Multi-path Effect

LI Hui，ZHAO Jian-wei

(The 20th Research Institute of CETC,Xi’an 710068，China)

Abstract:This paper introduces the microwave landing system based on multi-path effect,analyzes the angle measuring error,brings forward a digital signal processing method that can effectively reduce the angle measuring error of airborne receiver under the multi-path condition.The proposed method mainly processes the error source and the waveform aberration of scanning beam,and gives the verification result,which proves that the feasibility of the project.

Key words:multi-path effect; microwave landing system;digital signal processing;angle measuring error

收稿日期:2015-04-10

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.015

中圖分類號：TN911.7

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0054-05