基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法

李　辉，赵建伟

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法

李辉，赵建伟

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

摘要：介绍了基于多径效应的微波着陆系统，分析了测角误差，提出了一种有效降低多径条件下机载接收机的测角误差的数字信号处理方法。该方法主要对误差源的处理及扫描波束波形畸变进行处理，并给出了验证结果，证明了方案的可行性。

关键词：多径效应；微波着陆系统；数字信号处理；测角误差

0引言

微波着陆系统(MLS)是一种工作在C 波段的机上导出引导数据的自主式进场着陆系统，其引导精度及作用距离是飞机安全快速着陆的关键因素。然而系统在工作过程中，由于附近障碍物(如机棚、建筑物、大型飞机等)对电磁波的反射作用，会产生多路径效应，尤其当表面比较光滑时，多路径效应比较严重。多路径效应使得机载接收机接收到的MLS往返脉冲包络信号发生波形畸变，导致无法准确解算出往返扫描脉冲时间间隔，而往返扫描脉冲时间间隔测量精度又是接收机正确解算飞机位置信息的关键因素。这就会直接影响接收机测角精度，降低系统引导能力。

因此，如何合理设计针对多径效应的处理方法，有效降低多径效应带来的测角误差，提高微波着陆系统引导精度，是近年来逐渐引起关注的问题。

为了提高多径干扰下机载接收机的测角精度，在深入分析多径效应带来的测角误差的基础上，提出了一种针对多径效应的数字信号处理方法，有效降低了多径干扰下机载接收机的测角误差。

1测角原理及多径误差分析

MLS 系统是在方位角和仰角扇区内用2个窄波束以匀速v分别进行左右和上下“往”和“返”扫描，当处于某个角位置θ的飞机检测到该扫描信号时，测量连续2次扫描波束峰值间的时间差，完成角度测量，如图1所示。

图1　MLS角度时间间隔测量方法

由于MLS采用相控阵天线波束扫描，其障碍物的多径测角误差可分为2 个重要的区域，即波束内区域(分离角θs<1.7θbw) 和波束外区域(分离角θs>1.7θbw)。波束外区域误差接收机可通过时间闸门跟踪技术得到抑制。波束内区域多路径干扰是对MLS 引导性能的最大干扰，因此主要研究波束内多路径测角误差。

标准MLS角度计算方法中2个脉冲的时间值是在波束峰值的-3 dB点测量的，先用比峰值电平低3 dB的门限电平对往返脉冲进行限幅，然后测定该脉冲截断处前沿和后沿的时间T1、Tt，这2个时间的中点就是往返脉冲的中点tT0=(T1+Tt) /2(tFRO同理)，也就是脉冲的到达时间。由于门限电平比信号峰值电平低，当扫描波束扫过飞机时，飞机接收信号中超过门限电平的那部分，在门限电路输出一对锁住闸门脉冲。t为任意角度时飞机接收到“往”、“返”扫描脉冲的时间差，T0为角度0°对应的飞机接收到“往”、“返”扫描脉冲的时间差。而波束扫描脉冲在没有受到多径效应影响的情况下，方位(或仰角)角度值θ可由下式得到:

(1)

式中:θ为方位角或仰角的度数;t为扫描波束中心点从往到返扫描的时间间隔(ms);T0为2次扫描过0°角位置的时间间隔(ms);v为扫描速度(°/ms)，通常是20°/ms[1-2]。

由测角原理可知，当扫描波束扫过飞机时，进入角度处理器的信号为接收信号中超过-3 dB门限电平的那部分，也就是天线主瓣宽度内的部分(即波束内区域(分离角θs≪1.7θbw))。而当扫描波束受到波束内多路径干扰发生畸变时，也就是说当扫描波束-3 dB门限电平以上的波形发生畸变，才会产生测角误差，多径条件下测量误差的产生也是由于多径信号对主瓣干扰而形成的。

当扫描波束包络产生畸变，对测量结果的影响可以用MLS编码方程式(式(1))表达。将式(1)微分后得到角误差公式:

(2)

扫描速度v实际上等于波束宽度θsw(扫描波束波瓣上位于2个-3 dB点之间的宽度)除以波束扫过该2点的持续时间τ。δt是往返扫描期间的时间误差，它取决于干扰信号或使扫描波束发生畸变的具体形式[3]。

当扫描速度v取20°/ms时，对应的角刻度因子为每度100 μs，如果测量单个脉冲的时间误差为10 μs，此时的当量误差角度值就有0.1°。所以误差的时间因子应控制在纳秒到1 μs以内。对于一般的误差源，式(2)的一次近似值为:

(3)

式中:δθ为峰值误差的度数;ρ为干扰信号幅值与有用信号幅值的比值，这个值具有普遍的适用范围。

因此可以看到影响峰值误差度数δθ的主要因素为波束宽度θsw。

当存在多径干扰，产生角度偏移时,波束宽度θsw越小或者当θsw近似为0时，则峰值误差的度数δθ越小或者近似为0。

2中频数字信号处理的设计

多径干扰的误差源主要是由于机场附近障碍物对电磁波的反射和地面天线扫描波束产生的快速跃变和调制。

要降低多径干扰对测角精度的影响，首先是针对误差源即输入信号的处理，机载接收机数字信号处理部分有2个关键的滤波器，一个是带通滤波器，一个是波束包络滤波器，这2个滤波器的作用影响着整个接收机系统的工作性能。

2.1　带通滤波器的设计

综合考虑到模/数(A/D)采样信号速率和占用现场可编程门阵列(FPGA)资源的情况，在A/D采样中频信号之后采用1个带宽为26 kHz的Chebyshev Type II型带通滤波器。该滤波器的作用是选通当前频点的有效信号，抑制带内和带外干扰对后续信号处理的影响[4]。带通滤波器的幅频特性和相频特性设计见图2及图3。

图2　带通滤波器的幅频特性

图3　带通滤波器的相频特性

2.2　波束包络滤波器的设计

在调幅(AM)信号解调过程中采用一个带宽为26 kHz的低通滤波器，该滤波器的作用是选通未扭曲的波束包络，而抑制那些由地面天线扫描波束产生的快速跃变和调制。此滤波器的引入能把波束包络从高频跃变的干扰信号中分离出来，有效减少进入后续信号处理的畸变波形。滤波器的幅频特性和相频特性设计如图4、图5所示。

图4　波束包络滤波器的幅频特性

3多径信号的处理

式(3)中波束宽度θsw可由图6中T1、T2计算得到:

(4)

式中:v为波束扫描速度;τ为波束扫过T1、T22点的持续时间。

当存在多径信号，波束包络波形发生畸变时，通过上面的分析已经知道T1、T2和峰值点时间Tf(Tf=1/2(T1+T2))都会发生偏移，偏移量为ε1、ε2、εf，偏移后的时间为T1m、T2m、Tfm。

(5)

(6)

(7)

因此在计算测量误差时,3个点发生的偏移都要考虑。通过实际分析扫描信号波形发现，当多径干扰出现在主包络上升沿的时候，ε1和εf偏移值很大，ε2偏移值相对较小；当多径干扰出现在主包络下降沿的时候，ε2和εf偏移值很大，而ε1偏移值相对较小。基于上述现象，首先分别用T1，T2和Tf计算出一个当前方位角或者仰角(θ1,θ2,θf)，θ1，θ2与θf相差半个3 dB点波束宽度，则：

(8)

(9)

利用T1，T2单独计算单边角度时，可以等效认为式(4)中波束宽度θsw近似为零，结合式(3)可以有效降低峰值误差的度数δθ。且通过实际分析扫描波束信号，解算角度发现当多径干扰出现在主包络上升沿的时候，θ1和θf偏移值很大，θ2偏移相对较小；当多径干扰出现在主包络下降沿的时候，θ2和θf偏移值很大，而θ1偏移相对较小。然后针对3个角度值分别做一个相对锁住闸门θM及时长为TM的验证时间，以排除瞬间奇异值，保持锁定输出角度为当前角度真值。这样当当前角度发生变化时，3个角度值偏移量应基本相近且都保持超过时长TM，则输出取θf；当多径效应产生偏移时，其中2个角度值偏移较大，而另一个偏移较小且在锁住闸门门限以内时，保持时间超过时长TM，则输出取偏移较小值(θ1或者θ2)。这样就可以在有多径干扰且波束宽度θsw已知的情况下，使用θ1或者θ2得到最终误差较小的角度θfm输出。

4实验验证

该处理方法已在实际产品中得到应用，能够有效提高多径干扰情况下的测角精度。实际信号处理过程中各信号Chipscope采集波形如图7、图8、图9所示。

图7　无多径效应的MLS基带信号

图8　多径干扰在上升沿的基带信号

图9　多径干扰在下降沿的基带信号

图10是存在多路径干扰时最终解算的角精度，图11是采用上述处理方法后实际解算的角精度。

图10　存在多径效应时解算角精度(×1 000)

图11　实际解算角精度(×1 000)

从图11可以看到，该处理方法能够有效降低多径干扰对角度测量误差的影响。

5结束语

通过对基于多径效应考虑的微波着陆系统的测角原理以及多径误差的深入分析。提出一种在数字信号处理中实现有效降低多径条件下机载接收机的

测角误差的方法。实验结果表明，采用窄带带通滤波器和波束包络滤波器抑制多径干扰误差源及利用扫描波束包络单边受多径干扰影响小的信号特性可以有效提高存在多路径干扰情况下的测角精度。

参考文献

[1]周其焕,魏雄志.崔红跃.微波着陆系统[M].北京：国防工业出版社，1992.

[2]戴传金,吴德伟,赵修斌,等.微波着陆系统多径效应的数字仿真研究[J].北京邮电大学学报,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]胡广书.数字信号处理[M].北京：清华大学出版社,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

中图分类号：TN911.7

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2015)03-0054-05