基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法1摘 要为分析和评估多路径效应对微波着陆系统（MLS）测角误差影响，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。该方法依据几何光学和几何绕射理论在获得多径信号与直达信号电压比的基础上，通过射线寻迹计算多径直达信号相位差，而后对叠加包络的角度误差方向图分解为波束内和波束外多路径误差进行研究，实现角度误差数字仿真。利用该方法对某机场典型环境的多路径问题进行了数字仿真。并将仿真结果与经典模型进行了对比，验证了其可行性。关键词:多径效应 微波着陆系统 数字信号处理 测角误差上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文2ABSTRACTIn order to analyze and compute the multi-path effects on angle error of microwavelanding system(MLS), brings forward a digital signal processing method that can effectively reduce the angle measuring error of airborne receiver under the multi-path condition. In the new method, through the geometric optical and geometric diffraction theory, the signal level ratio of multipath signal relative to direct signal can be effectively acquired. And through ray-tracing theory, the phase displacement can be computed to achieve the angle error pattern. Through the simulation, the angle error pattern is divided into in-beam region and out-of-beam regions. It is found that the in-beam error is key point of angle error. The new method is applied to simulate the multi-path scenario in an airport. And the results are compared with results of the experience methods to validate its feasibility. Key Words: multi-path effect, microwave landing system, digital signal processing, angle measuring error 基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法3目 录中文摘要ABSTRACT第一章 绪 论 .4第二章 测角原理及多径误差分析 .52.1 测角原理 .52.2 多径误差分析 .5第三章 中频数字信号处理的设计 .73.1 带通滤波器的设计 .73.1.1 切比雪夫 型滤波器的特点 .73.1.2 切比雪夫 型滤波器的设计 .73.2 波束包络滤波器的设计 .8第四章 多径信号的处理 .10第五章 实验验证 .12第六章 结束语 .16参考文献 .17上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文4第一章 绪 论微波着陆系统(MLS, microwave landing system)作为新一代飞机精密引导着陆系统，为等待着陆的飞机提供方位、仰角和距离信息，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，其引导精度是飞机安全着陆的关键因素。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)对电磁波的散射作用，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，使得机上接收到的微波信号发生变形，解算出的位置信息偏离实际飞机位置，降低了系统引导精度。另外，MLS 系统对多路径干扰的影响比对现在正使用的仪表着陆系统(ILS, instrument landing system)更为敏感。原因有两方面：一是 MLS为满足提供多条进场航道的需求，可容忍的误差余量小，而 ILS 允许的误差余量可以达到航道宽度的 33.33；二是 MLS 的工作频率高，较小的散射体从电波长方面讲就是较大的散射体。类似于静止或移动的车辆、飞机等这类障碍物的多径散射在 ILS 的工作频率内是表现不出来的，而在 MLS 的频率范围内产生的影响就很明显了。再者，现阶段对 MLS 多路径效应影响的评估方法存在诸多不足之处：设备安装和试验过程都需要很长时间，花费巨大。且仅能向已有场地提供有关 MLS 状况的信息等。这样，就引发了对场地环境多路径效应的数字仿真研究。20 世纪，国际民航组织(ICAO, international civil aviation organization)推荐并使用了由 Mathias 等人建立的 MLS 多路径误差模型。该模型以经验数据为基础，将接收包络 3dB 门限误差近似为直达信号对主瓣宽度扫描时间的商。这一假定对于在合理的计算时间内确定多路径误差是必要的，但忽略了多路径效应引起的3dB 门限的前后沿测量误差。为更清楚地研究评估多路径效应对 MLS 系统的引导误差影响，文中给出了多路径效应存在的条件下，有效确定 MLS 性能好坏的数值仿真方法。该方法的理论基础是反射模型的 GO 理论和绕射模型的 GTD 理论以及散射点搜索的射线寻迹理论。为验证该模型的可行性，对某机场的典型场景进行了数字仿真，并将仿真结果与 Mathias 结果进行对比分析。结果表明，该模型能更为真实地反映机场实际环境对测角误差的影响，且计算时间和费用也不大，适合于现代计算机系统。基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法5第二章 测角原理及多径误差分析2.1 测角原理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 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 2-1 所示。图 2-1 MLS 角度时间间隔测量方法2.2 多径误差分析由于 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 1.7 ） 。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-3dB 点测量的，先用比峰值电平低 3dB 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 、 ， 这 2 个时间的中点就是往返脉冲的中点 （ 1 2 0 1） /2（ 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，2 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，在门限电路输上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文6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， 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 0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 可由下式得到：(1)=12(0)式中： 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） ； 为 2 次扫描过 0角位置的时间间隔（ms） ；v 为扫描速度（/ms） ，通0常是 20/ms。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-3dB 门限电平的那个部分，也就是天线主瓣宽度内的部分（即波束内区域（分离角 1.7 ） ） 。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-3dB 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：=12=12（ ） （2）扫描速度 v 实际上等于波束宽度 （扫描波束波瓣上位于 2 个-3dB 点之间的宽度）除以波束扫过该 2 点的持续时间 。则 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。当扫描速度 v 取 20/ms 时，对应的角刻度因子为每度 100 ，如果测量单个脉冲的时间误差为 10 ，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 以内。对于一般的误差源，式（2）的一次近似值为：=12（3）式中： 为峰值误差的度数； 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 的主要因素为波束宽度 。当存在多径 干扰，产生角度偏移时，波束宽度 越小或者当 近似为 0 时，则峰值误差的 度数 越小或者近似为 0。基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法7第三章 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，首先是针对误差源也就是输入信号的处理， 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，另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。3.1 带通滤波器的设计 切比雪夫 型滤波器是指在阻带（或称“阻频带” ）上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。也称倒数切比雪夫滤波器，较不常用，因为频率截止速度不