基于多徑效應(yīng)微波著陸系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理方法

李　輝，趙建偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

基于多徑效應(yīng)微波著陸系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理方法

李輝，趙建偉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

摘要：介紹了基于多徑效應(yīng)的微波著陸系統(tǒng)，分析了測(cè)角誤差，提出了一種有效降低多徑條件下機(jī)載接收機(jī)的測(cè)角誤差的數(shù)字信號(hào)處理方法。該方法主要對(duì)誤差源的處理及掃描波束波形畸變進(jìn)行處理，并給出了驗(yàn)證結(jié)果，證明了方案的可行性。

關(guān)鍵詞：多徑效應(yīng)；微波著陸系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理；測(cè)角誤差

0引言

微波著陸系統(tǒng)(MLS)是一種工作在C 波段的機(jī)上導(dǎo)出引導(dǎo)數(shù)據(jù)的自主式進(jìn)場(chǎng)著陸系統(tǒng)，其引導(dǎo)精度及作用距離是飛機(jī)安全快速著陸的關(guān)鍵因素。然而系統(tǒng)在工作過(guò)程中，由于附近障礙物(如機(jī)棚、建筑物、大型飛機(jī)等)對(duì)電磁波的反射作用，會(huì)產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，尤其當(dāng)表面比較光滑時(shí)，多路徑效應(yīng)比較嚴(yán)重。多路徑效應(yīng)使得機(jī)載接收機(jī)接收到的MLS往返脈沖包絡(luò)信號(hào)發(fā)生波形畸變，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確解算出往返掃描脈沖時(shí)間間隔，而往返掃描脈沖時(shí)間間隔測(cè)量精度又是接收機(jī)正確解算飛機(jī)位置信息的關(guān)鍵因素。這就會(huì)直接影響接收機(jī)測(cè)角精度，降低系統(tǒng)引導(dǎo)能力。

因此，如何合理設(shè)計(jì)針對(duì)多徑效應(yīng)的處理方法，有效降低多徑效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)角誤差，提高微波著陸系統(tǒng)引導(dǎo)精度，是近年來(lái)逐漸引起關(guān)注的問(wèn)題。

為了提高多徑干擾下機(jī)載接收機(jī)的測(cè)角精度，在深入分析多徑效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)角誤差的基礎(chǔ)上，提出了一種針對(duì)多徑效應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理方法，有效降低了多徑干擾下機(jī)載接收機(jī)的測(cè)角誤差。

1測(cè)角原理及多徑誤差分析

MLS 系統(tǒng)是在方位角和仰角扇區(qū)內(nèi)用2個(gè)窄波束以勻速v分別進(jìn)行左右和上下“往”和“返”掃描，當(dāng)處于某個(gè)角位置θ的飛機(jī)檢測(cè)到該掃描信號(hào)時(shí)，測(cè)量連續(xù)2次掃描波束峰值間的時(shí)間差，完成角度測(cè)量，如圖1所示。

圖1　MLS角度時(shí)間間隔測(cè)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(cè)角誤差可分為2 個(gè)重要的區(qū)域，即波束內(nèi)區(qū)域(分離角θs<1.7θbw) 和波束外區(qū)域(分離角θs>1.7θbw)。波束外區(qū)域誤差接收機(jī)可通過(guò)時(shí)間閘門跟蹤技術(shù)得到抑制。波束內(nèi)區(qū)域多路徑干擾是對(duì)MLS 引導(dǎo)性能的最大干擾，因此主要研究波束內(nèi)多路徑測(cè)角誤差。

標(biāo)準(zhǔn)MLS角度計(jì)算方法中2個(gè)脈沖的時(shí)間值是在波束峰值的-3 dB點(diǎn)測(cè)量的，先用比峰值電平低3 dB的門限電平對(duì)往返脈沖進(jìn)行限幅，然后測(cè)定該脈沖截?cái)嗵幥把睾秃笱氐臅r(shí)間T1、Tt，這2個(gè)時(shí)間的中點(diǎn)就是往返脈沖的中點(diǎn)tT0=(T1+Tt) /2(tFRO同理)，也就是脈沖的到達(dá)時(shí)間。由于門限電平比信號(hào)峰值電平低，當(dāng)掃描波束掃過(guò)飛機(jī)時(shí)，飛機(jī)接收信號(hào)中超過(guò)門限電平的那部分，在門限電路輸出一對(duì)鎖住閘門脈沖。t為任意角度時(shí)飛機(jī)接收到“往”、“返”掃描脈沖的時(shí)間差，T0為角度0°對(duì)應(yīng)的飛機(jī)接收到“往”、“返”掃描脈沖的時(shí)間差。而波束掃描脈沖在沒(méi)有受到多徑效應(yīng)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(shù);t為掃描波束中心點(diǎn)從往到返掃描的時(shí)間間隔(ms);T0為2次掃描過(guò)0°角位置的時(shí)間間隔(ms);v為掃描速度(°/ms)，通常是20°/ms[1-2]。

由測(cè)角原理可知，當(dāng)掃描波束掃過(guò)飛機(jī)時(shí)，進(jìn)入角度處理器的信號(hào)為接收信號(hào)中超過(guò)-3 dB門限電平的那部分，也就是天線主瓣寬度內(nèi)的部分(即波束內(nèi)區(qū)域(分離角θs?1.7θbw))。而當(dāng)掃描波束受到波束內(nèi)多路徑干擾發(fā)生畸變時(shí)，也就是說(shuō)當(dāng)掃描波束-3 dB門限電平以上的波形發(fā)生畸變，才會(huì)產(chǎn)生測(cè)角誤差，多徑條件下測(cè)量誤差的產(chǎn)生也是由于多徑信號(hào)對(duì)主瓣干擾而形成的。

當(dāng)掃描波束包絡(luò)產(chǎn)生畸變，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以用MLS編碼方程式(式(1))表達(dá)。將式(1)微分后得到角誤差公式:

(2)

掃描速度v實(shí)際上等于波束寬度θsw(掃描波束波瓣上位于2個(gè)-3 dB點(diǎn)之間的寬度)除以波束掃過(guò)該2點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間τ。δt是往返掃描期間的時(shí)間誤差，它取決于干擾信號(hào)或使掃描波束發(fā)生畸變的具體形式[3]。

當(dāng)掃描速度v取20°/ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的角刻度因子為每度100 μs，如果測(cè)量單個(gè)脈沖的時(shí)間誤差為10 μs，此時(shí)的當(dāng)量誤差角度值就有0.1°。所以誤差的時(shí)間因子應(yīng)控制在納秒到1 μs以內(nèi)。對(duì)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(shù);ρ為干擾信號(hào)幅值與有用信號(hào)幅值的比值，這個(gè)值具有普遍的適用范圍。

因此可以看到影響峰值誤差度數(shù)δθ的主要因素為波束寬度θsw。

當(dāng)存在多徑干擾，產(chǎn)生角度偏移時(shí),波束寬度θsw越小或者當(dāng)θsw近似為0時(shí)，則峰值誤差的度數(shù)δθ越小或者近似為0。

2中頻數(shù)字信號(hào)處理的設(shè)計(jì)

多徑干擾的誤差源主要是由于機(jī)場(chǎng)附近障礙物對(duì)電磁波的反射和地面天線掃描波束產(chǎn)生的快速躍變和調(diào)制。

要降低多徑干擾對(duì)測(cè)角精度的影響，首先是針對(duì)誤差源即輸入信號(hào)的處理，機(jī)載接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理部分有2個(gè)關(guān)鍵的濾波器，一個(gè)是帶通濾波器，一個(gè)是波束包絡(luò)濾波器，這2個(gè)濾波器的作用影響著整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的工作性能。

2.1　帶通濾波器的設(shè)計(jì)

綜合考慮到模/數(shù)(A/D)采樣信號(hào)速率和占用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)資源的情況，在A/D采樣中頻信號(hào)之后采用1個(gè)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(dāng)前頻點(diǎn)的有效信號(hào)，抑制帶內(nèi)和帶外干擾對(duì)后續(xù)信號(hào)處理的影響[4]。帶通濾波器的幅頻特性和相頻特性設(shè)計(jì)見(jiàn)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(luò)濾波器的設(shè)計(jì)

在調(diào)幅(AM)信號(hào)解調(diào)過(guò)程中采用一個(gè)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(luò)，而抑制那些由地面天線掃描波束產(chǎn)生的快速躍變和調(diào)制。此濾波器的引入能把波束包絡(luò)從高頻躍變的干擾信號(hào)中分離出來(lái)，有效減少進(jìn)入后續(xù)信號(hào)處理的畸變波形。濾波器的幅頻特性和相頻特性設(shè)計(jì)如圖4、圖5所示。

圖4　波束包絡(luò)濾波器的幅頻特性

3多徑信號(hào)的處理

式(3)中波束寬度θsw可由圖6中T1、T2計(jì)算得到:

(4)

式中:v為波束掃描速度;τ為波束掃過(guò)T1、T22點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間。

當(dāng)存在多徑信號(hào)，波束包絡(luò)波形發(fā)生畸變時(shí)，通過(guò)上面的分析已經(jīng)知道T1、T2和峰值點(diǎn)時(shí)間Tf(Tf=1/2(T1+T2))都會(huì)發(fā)生偏移，偏移量為ε1、ε2、εf，偏移后的時(shí)間為T1m、T2m、Tfm。

(5)

(6)

(7)

因此在計(jì)算測(cè)量誤差時(shí),3個(gè)點(diǎn)發(fā)生的偏移都要考慮。通過(guò)實(shí)際分析掃描信號(hào)波形發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多徑干擾出現(xiàn)在主包絡(luò)上升沿的時(shí)候，ε1和εf偏移值很大，ε2偏移值相對(duì)較小；當(dāng)多徑干擾出現(xiàn)在主包絡(luò)下降沿的時(shí)候，ε2和εf偏移值很大，而ε1偏移值相對(duì)較小。基于上述現(xiàn)象，首先分別用T1，T2和Tf計(jì)算出一個(gè)當(dāng)前方位角或者仰角(θ1,θ2,θf(wàn))，θ1，θ2與θf(wàn)相差半個(gè)3 dB點(diǎn)波束寬度，則：

(8)

(9)

利用T1，T2單獨(dú)計(jì)算單邊角度時(shí)，可以等效認(rèn)為式(4)中波束寬度θsw近似為零，結(jié)合式(3)可以有效降低峰值誤差的度數(shù)δθ。且通過(guò)實(shí)際分析掃描波束信號(hào)，解算角度發(fā)現(xiàn)當(dāng)多徑干擾出現(xiàn)在主包絡(luò)上升沿的時(shí)候，θ1和θf(wàn)偏移值很大，θ2偏移相對(duì)較小；當(dāng)多徑干擾出現(xiàn)在主包絡(luò)下降沿的時(shí)候，θ2和θf(wàn)偏移值很大，而θ1偏移相對(duì)較小。然后針對(duì)3個(gè)角度值分別做一個(gè)相對(duì)鎖住閘門θM及時(shí)長(zhǎng)為TM的驗(yàn)證時(shí)間，以排除瞬間奇異值，保持鎖定輸出角度為當(dāng)前角度真值。這樣當(dāng)當(dāng)前角度發(fā)生變化時(shí)，3個(gè)角度值偏移量應(yīng)基本相近且都保持超過(guò)時(shí)長(zhǎng)TM，則輸出取θf(wàn)；當(dāng)多徑效應(yīng)產(chǎn)生偏移時(shí)，其中2個(gè)角度值偏移較大，而另一個(gè)偏移較小且在鎖住閘門門限以內(nèi)時(shí)，保持時(shí)間超過(guò)時(shí)長(zhǎng)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θf(wàn)m輸出。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

該處理方法已在實(shí)際產(chǎn)品中得到應(yīng)用，能夠有效提高多徑干擾情況下的測(cè)角精度。實(shí)際信號(hào)處理過(guò)程中各信號(hào)Chipscope采集波形如圖7、圖8、圖9所示。

圖7　無(wú)多徑效應(yīng)的MLS基帶信號(hào)

圖8　多徑干擾在上升沿的基帶信號(hào)

圖9　多徑干擾在下降沿的基帶信號(hào)

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

圖10　存在多徑效應(yīng)時(shí)解算角精度(×1 000)

圖11　實(shí)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(duì)角度測(cè)量誤差的影響。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于多徑效應(yīng)考慮的微波著陸系統(tǒng)的測(cè)角原理以及多徑誤差的深入分析。提出一種在數(shù)字信號(hào)處理中實(shí)現(xiàn)有效降低多徑條件下機(jī)載接收機(jī)的

測(cè)角誤差的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用窄帶帶通濾波器和波束包絡(luò)濾波器抑制多徑干擾誤差源及利用掃描波束包絡(luò)單邊受多徑干擾影響小的信號(hào)特性可以有效提高存在多路徑干擾情況下的測(cè)角精度。

參考文獻(xiàn)

[1]周其煥,魏雄志.崔紅躍.微波著陸系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1992.

[2]戴傳金,吳德偉,趙修斌,等.微波著陸系統(tǒng)多徑效應(yīng)的數(shù)字仿真研究[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),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(shū).數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：清華大學(xué)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(hào)：TN911.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0054-05