微波著陸系統(tǒng)(MLS)誤差的形成

翟文廣 姜楠

摘要 微波著陸系統(tǒng)地面設(shè)備采用時(shí)分多路（TMD）技術(shù)，全部制導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)都在同一頻率上分時(shí)發(fā)射，對(duì)發(fā)射時(shí)間間隙有嚴(yán)格要求，本文從地面設(shè)備、機(jī)載設(shè)備、空間傳播等三個(gè)方面進(jìn)行分析，得出誤差形成的原因。

【關(guān)鍵詞】時(shí)基掃描波束 （TRSB） 時(shí)分多路（TMD） 控制運(yùn)動(dòng)噪聲（CMN） 航跡跟蹤誤差（PFE）

微波著陸系統(tǒng)的測(cè)角原理基于時(shí)基掃描波束（TRSB）技術(shù)，地面設(shè)備發(fā)射時(shí)采用時(shí)分多路（TMD）技術(shù)，方位和仰角設(shè)備制導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)都在同一頻率上以固定的速率和范圍發(fā)射，不同功能的信號(hào)都占有自己的發(fā)射時(shí)隙。機(jī)載接收機(jī)接收到地面設(shè)備發(fā)射的兩次掃描波束之后，通過(guò)測(cè)定這兩個(gè)波束之間的時(shí)間差而得到相對(duì)角度位置。這樣，就使得系統(tǒng)對(duì)誤差比其它導(dǎo)航設(shè)備有更嚴(yán)格的要求，接下來(lái)對(duì)系統(tǒng)誤差的形成進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 誤差源的產(chǎn)生和原理

微波著陸系統(tǒng)由各個(gè)不同功能模塊組成，對(duì)于方位、仰角功能來(lái)說(shuō)，從信號(hào)的產(chǎn)生到空中的傳播，再到接收處理的過(guò)程都是類似的，整個(gè)誤差產(chǎn)生的機(jī)理是一樣的。系統(tǒng)可能存在的誤差源有以下幾種：

（1）地面發(fā)射設(shè)備對(duì)制導(dǎo)信號(hào)的編碼誤差，包括時(shí)鐘的精度、發(fā)射波束指向誤差和天線系統(tǒng)形成的誤差;

（2）發(fā)射機(jī)噪聲引起的誤差;

（3）天線安裝位置與數(shù)據(jù)裝訂之間的誤差;

（4）信號(hào)空間傳播誤差，比如多路經(jīng)干擾引起的誤差;

（5）接收機(jī)噪聲引起的誤差;

（6）機(jī)載系統(tǒng)對(duì)制導(dǎo)信號(hào)的譯碼誤差;

大部分誤差的存在使得掃描波束包絡(luò)產(chǎn)生畸變，它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以用MLS編碼方程式來(lái)表示：

式中θ是方位角和仰角的度數(shù)，t是掃描波束中心點(diǎn)從往到返掃描的時(shí)間間隔（毫秒），T0是兩次掃描過(guò)零度角位置的時(shí)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(shí)際上等于掃描波束寬度θBW除以波束掃過(guò)該兩點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間T。δT是往返掃描期間的時(shí)間誤差。上面這個(gè)式子表達(dá)了測(cè)角誤差δθ與測(cè)時(shí)誤差δτ之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，它也是MLS系統(tǒng)誤差分析的關(guān)鍵點(diǎn)。

當(dāng)掃描速度v取200/ms時(shí)，對(duì)應(yīng)的角刻度因子為1000/μs，如果測(cè)量單個(gè)脈沖的時(shí)間誤差為10μs，此時(shí)的當(dāng)量誤差角度值就有0.10。所以誤差的時(shí)間因子應(yīng)控制在ns到1μs以內(nèi)。對(duì)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(shù);p是干擾信號(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。在信號(hào)的傳播效應(yīng)中，p可指多徑反射信號(hào)與直接信號(hào)之比在接收機(jī)噪聲效應(yīng)中，p又可指信噪比的倒數(shù)。當(dāng)p<-3dB時(shí)，

2 誤差的分析

在MLS系統(tǒng)中，地面設(shè)備包括發(fā)射機(jī)和用于發(fā)射掃描窄波束的天線系統(tǒng)。控制窄波束在空中以一個(gè)恒定速率（200/ms）進(jìn)行往返掃描的波束控制是DPSK時(shí)鐘控制信號(hào)。在機(jī)載接收機(jī)中，對(duì)信號(hào)處理的過(guò)程剛好相反，先是對(duì)波束包絡(luò)的檢測(cè)，然后用時(shí)鐘來(lái)測(cè)量所接收到的往返掃描波束之間的時(shí)間間隔，通過(guò)對(duì)其解調(diào)得出飛機(jī)所處的角位置。在整個(gè)信號(hào)處理過(guò)程中，那些由定時(shí)電路（時(shí)鐘）和與傳播環(huán)境無(wú)關(guān)的波束形成方面所產(chǎn)生的誤差稱為編碼誤差，它屬于設(shè)備本身的儀表誤差，以下分地面設(shè)備、機(jī)載設(shè)備和信號(hào)傳播三種情況對(duì)誤差進(jìn)行討論。

2.1 地面設(shè)備誤差

地面設(shè)備誤差與編碼處理有關(guān)，其誤差源主要來(lái)自角度編碼產(chǎn)生器和波束控制，并與天線一起構(gòu)成了影響角度編碼精度的因素。由于溫度和環(huán)境等原因造成天線偏離其基準(zhǔn)位置會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。測(cè)試表明，由發(fā)射機(jī)引起的噪聲很小。

MLS表征誤差的方法是按頻率的成分來(lái)劃分的。民航標(biāo)準(zhǔn)和建議措施（SARPs）中規(guī)定，在機(jī)載接收機(jī)輸出端，方位制導(dǎo)誤差低于0.5弧度/秒，仰角制導(dǎo)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(dǎo)誤差高于0.3弧度/秒，仰角制導(dǎo)誤差高于1.5弧度/秒的頻率成分稱為控制運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)這樣的高速率，系統(tǒng)采用步進(jìn)式相控陣掃描天線，由于天線系統(tǒng)固有的不完善性難以保證天線以恒定的步進(jìn)寬度進(jìn)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(shí)間的函數(shù)，換句話說(shuō)，同樣的角度誤差在整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的每一點(diǎn)上都可能產(chǎn)生，它仍被轉(zhuǎn)化成時(shí)間測(cè)量誤差，進(jìn)而使飛機(jī)偏離航線，形成航跡跟蹤誤差（PFE）。

2.2 機(jī)載接收機(jī)的誤差

機(jī)載接收機(jī)是利用時(shí)間閘門跟蹤方式工作，在測(cè)量掃描波速包絡(luò)時(shí)，記錄兩個(gè)-3dB門限電平之間的時(shí)間，以建立相應(yīng)的鎖住閘門。兩個(gè)鎖住閘門中點(diǎn)之間的時(shí)間差與波束指向角有直接關(guān)系。對(duì)于未發(fā)生畸變的波束，峰值和-3dB點(diǎn)之中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間是相同的，這時(shí)飛機(jī)所測(cè)得的角度位置是準(zhǔn)確的。如果波束發(fā)生畸變，測(cè)量結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生誤差。

接收機(jī)的誤差源主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：

（1）制導(dǎo)信號(hào)受到接收機(jī)高頻段噪聲的干擾，為一個(gè)輸入誤差;

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

（3）與接收機(jī)角度讀出器有關(guān)的數(shù)字舍位誤差也是誤差源的來(lái)源之一;

（4）接收機(jī)天線所接收到的是步進(jìn)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(jìn)掃描所帶來(lái)的量化誤差問(wèn)題。

2.3 信號(hào)傳播誤差

信號(hào)空間傳播所引起的MLS誤差是重要的誤差來(lái)源，主要是指信號(hào)的多路經(jīng)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(jī)場(chǎng)平整度、周邊建筑物以及停放的飛機(jī)等障礙物使掃描信號(hào)產(chǎn)生多徑干擾，MLS工作頻率為SGHz，其波長(zhǎng)約為6cm，幾乎所有的物體表面都能對(duì)其產(chǎn)生反射、漫射或衍射，這些干擾信號(hào)與直接信號(hào)進(jìn)行疊加，會(huì)使得接收機(jī)監(jiān)測(cè)到的掃描波束包絡(luò)發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生波束包絡(luò)-3dB電平處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間誤差，引起測(cè)量誤差。誤差干擾信號(hào)的強(qiáng)度是多徑信號(hào)與直接信號(hào)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(shù)。所以在安裝架設(shè)時(shí)，應(yīng)盡量采取措施使得多徑干擾和直接信號(hào)不同時(shí)出現(xiàn)在機(jī)載設(shè)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(lái)源之一。在民航標(biāo)準(zhǔn)和建議措施（SARPs）中提出，天線旁瓣設(shè)計(jì)應(yīng)符合兩個(gè)條件：

（1）動(dòng)態(tài)旁瓣電平應(yīng)不妨礙機(jī)載接收機(jī)去捕獲和跟蹤主波束;

（2）有效旁瓣電平應(yīng)符合系統(tǒng)誤差估算的要求。有效旁瓣電平（PELS）與動(dòng)態(tài)旁瓣電平（PDYN）的關(guān)系可以有下式表示：

PESL=KxP_DYN（8）

式中k為減小的因數(shù)，它以天線實(shí)際情況而定。

來(lái)自方位天線旁瓣的橫向多徑反射和來(lái)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(chǎn)生的誤差dθ不超過(guò)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(jié)論

通過(guò)以上分析，得出了MLS系統(tǒng)的誤差來(lái)源和產(chǎn)生原因，為了減少M(fèi)LS誤差，應(yīng)分別從時(shí)間精度、波速旁瓣電平、接收機(jī)帶寬和場(chǎng)地環(huán)境著手。傳播誤差一般和場(chǎng)地環(huán)境有關(guān)系，盡可能選擇滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的場(chǎng)地，同時(shí)采用固定波束掃描范圍的方式比讓障礙物;現(xiàn)有MLS數(shù)據(jù)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(diào)整在-23 dB以下，并盡可能壓窄波瓣寬度使小于2°。