微波著陸系統(MLS)誤差的形成

翟文廣 姜楠

摘要 微波著陸系統地面設備采用時分多路（TMD）技術，全部制導信息和數據都在同一頻率上分時發射，對發射時間間隙有嚴格要求，本文從地面設備、機載設備、空間傳播等三個方面進行分析，得出誤差形成的原因。

【關鍵詞】時基掃描波束 （TRSB） 時分多路（TMD） 控制運動噪聲（CMN） 航跡跟蹤誤差（PFE）

微波著陸系統的測角原理基于時基掃描波束（TRSB）技術，地面設備發射時采用時分多路（TMD）技術，方位和仰角設備制導信息和數據都在同一頻率上以固定的速率和范圍發射，不同功能的信號都占有自己的發射時隙。機載接收機接收到地面設備發射的兩次掃描波束之后，通過測定這兩個波束之間的時間差而得到相對角度位置。這樣，就使得系統對誤差比其它導航設備有更嚴格的要求，接下來對系統誤差的形成進行簡要分析。

1 誤差源的產生和原理

微波著陸系統由各個不同功能模塊組成，對于方位、仰角功能來說，從信號的產生到空中的傳播，再到接收處理的過程都是類似的，整個誤差產生的機理是一樣的。系統可能存在的誤差源有以下幾種：

（1）地面發射設備對制導信號的編碼誤差，包括時鐘的精度、發射波束指向誤差和天線系統形成的誤差;

（2）發射機噪聲引起的誤差;

（3）天線安裝位置與數據裝訂之間的誤差;

（4）信號空間傳播誤差，比如多路經干擾引起的誤差;

（5）接收機噪聲引起的誤差;

（6）機載系統對制導信號的譯碼誤差;

大部分誤差的存在使得掃描波束包絡產生畸變，它對測量結果的影響可以用MLS編碼方程式來表示：

式中θ是方位角和仰角的度數，t是掃描波束中心點從往到返掃描的時間間隔（毫秒），T0是兩次掃描過零度角位置的時間間隔（毫秒），v是掃描速度（度/毫秒），通常是20000°/s。將上式微分后的到角度誤差公式：

掃描速度v實際上等于掃描波束寬度θBW除以波束掃過該兩點的持續時間T。δT是往返掃描期間的時間誤差。上面這個式子表達了測角誤差δθ與測時誤差δτ之間的對應關系，它也是MLS系統誤差分析的關鍵點。

當掃描速度v取200/ms時，對應的角刻度因子為1000/μs，如果測量單個脈沖的時間誤差為10μs，此時的當量誤差角度值就有0.10。所以誤差的時間因子應控制在ns到1μs以內。對于一般的誤差源，式（2）的一次近似值為：

δθ是峰值誤差的度數;p是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。在信號的傳播效應中，p可指多徑反射信號與直接信號之比在接收機噪聲效應中，p又可指信噪比的倒數。當p<-3dB時，

2 誤差的分析

在MLS系統中，地面設備包括發射機和用于發射掃描窄波束的天線系統。控制窄波束在空中以一個恒定速率（200/ms）進行往返掃描的波束控制是DPSK時鐘控制信號。在機載接收機中，對信號處理的過程剛好相反，先是對波束包絡的檢測，然后用時鐘來測量所接收到的往返掃描波束之間的時間間隔，通過對其解調得出飛機所處的角位置。在整個信號處理過程中，那些由定時電路（時鐘）和與傳播環境無關的波束形成方面所產生的誤差稱為編碼誤差，它屬于設備本身的儀表誤差，以下分地面設備、機載設備和信號傳播三種情況對誤差進行討論。

2.1 地面設備誤差

地面設備誤差與編碼處理有關，其誤差源主要來自角度編碼產生器和波束控制，并與天線一起構成了影響角度編碼精度的因素。由于溫度和環境等原因造成天線偏離其基準位置會導致測量誤差。測試表明，由發射機引起的噪聲很小。

MLS表征誤差的方法是按頻率的成分來劃分的。民航標準和建議措施（SARPs）中規定，在機載接收機輸出端，方位制導誤差低于0.5弧度/秒，仰角制導誤差低于1.5弧度/秒的頻率成分成為航跡跟蹤誤差（PFE）;方位制導誤差高于0.3弧度/秒，仰角制導誤差高于1.5弧度/秒的頻率成分稱為控制運動噪聲（CMN）。

天線波束指向誤差屬于PFE范圍。MLS的波束掃描速率是200/ms，為了實現這樣的高速率，系統采用步進式相控陣掃描天線，由于天線系統固有的不完善性難以保證天線以恒定的步進寬度進行掃描，從而不可避免的存在誤差，即天線指向誤差。這種誤差是時間的函數，換句話說，同樣的角度誤差在整個覆蓋范圍內的每一點上都可能產生，它仍被轉化成時間測量誤差，進而使飛機偏離航線，形成航跡跟蹤誤差（PFE）。

2.2 機載接收機的誤差

機載接收機是利用時間閘門跟蹤方式工作，在測量掃描波速包絡時，記錄兩個-3dB門限電平之間的時間，以建立相應的鎖住閘門。兩個鎖住閘門中點之間的時間差與波束指向角有直接關系。對于未發生畸變的波束，峰值和-3dB點之中點所對應的時間是相同的，這時飛機所測得的角度位置是準確的。如果波束發生畸變，測量結果就會產生誤差。

接收機的誤差源主要來自于以下幾個方面：

（1）制導信號受到接收機高頻段噪聲的干擾，為一個輸入誤差;

（2）由于往返掃描波速之間的時間間隔是用精密角度時鐘來譯碼，時鐘的穩定性和量化誤差直接影響角度譯碼靈敏度;

（3）與接收機角度讀出器有關的數字舍位誤差也是誤差源的來源之一;

（4）接收機天線所接收到的是步進掃描階梯，雖然濾波器可以使之變得平滑，但仍然存在著步進掃描所帶來的量化誤差問題。

2.3 信號傳播誤差

信號空間傳播所引起的MLS誤差是重要的誤差來源，主要是指信號的多路經干擾，比如鏡面多徑反射、漫射多徑反射、天線的旁瓣干擾等。機場平整度、周邊建筑物以及停放的飛機等障礙物使掃描信號產生多徑干擾，MLS工作頻率為SGHz，其波長約為6cm，幾乎所有的物體表面都能對其產生反射、漫射或衍射，這些干擾信號與直接信號進行疊加，會使得接收機監測到的掃描波束包絡發生畸變，從而產生波束包絡-3dB電平處所對應的時間誤差，引起測量誤差。誤差干擾信號的強度是多徑信號與直接信號比值p、分離角δSA.射頻相位變化率和地面天線波束寬度的函數。所以在安裝架設時，應盡量采取措施使得多徑干擾和直接信號不同時出現在機載設備的接收端。

天線旁瓣是干擾掃描主波瓣并引起多徑干擾的來源之一。在民航標準和建議措施（SARPs）中提出，天線旁瓣設計應符合兩個條件：

（1）動態旁瓣電平應不妨礙機載接收機去捕獲和跟蹤主波束;

（2）有效旁瓣電平應符合系統誤差估算的要求。有效旁瓣電平（PELS）與動態旁瓣電平（PDYN）的關系可以有下式表示：

PESL=KxP_DYN（8）

式中k為減小的因數，它以天線實際情況而定。

來自方位天線旁瓣的橫向多徑反射和來自仰角天線旁瓣的地面多路徑反射，都將干擾主瓣而造成角度誤差。為保證天線旁瓣所產生的誤差dθ不超過傳播誤差的估算值，所需的有效旁瓣電平可按下式算出：

3 結論

通過以上分析，得出了MLS系統的誤差來源和產生原因，為了減少MLS誤差，應分別從時間精度、波速旁瓣電平、接收機帶寬和場地環境著手。傳播誤差一般和場地環境有關系，盡可能選擇滿足標準要求的場地，同時采用固定波束掃描范圍的方式比讓障礙物;現有MLS數據采用DPSK格式，脈沖寬度為64μs，要求誤差范圍為±2μs，盡可能保持在±1μs;掃描波束旁瓣電平一般調整在-23 dB以下，并盡可能壓窄波瓣寬度使小于2°。