一種著陸導(dǎo)航系統(tǒng)電磁環(huán)境的評(píng)估方法

王崇輝　鄒鯤

摘 要： 著陸導(dǎo)航系統(tǒng)是飛機(jī)安全飛行的一個(gè)重要保障，機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境的惡化嚴(yán)重影響到飛機(jī)著陸引導(dǎo)安全。以儀表著陸系統(tǒng)為例，分析著陸引導(dǎo)的基本原理，給出了著陸引導(dǎo)過程中飛機(jī)接收信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，并基于此模型提出了一種機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境的評(píng)估方法，最后利用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 著陸系統(tǒng)； 電磁環(huán)境； 評(píng)估方法； 匹配濾波

中圖分類號(hào)： TN965?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0149?03

Abstract： The landing navigation system is an important guarantee of flight security for planes. The worsening airport electromagnetic environment has strong impact on the security of planes landing navigation. Taking the instrument landing system as an example， the basic theory of landing navigation system is analyzed， and the mathematic model of planes′ received signal during the landing navigation process is provided. Based on this model， an evaluation method of airport electromagnetic environment is proposed. The validity of this method was verified by using computer simulation.

Keywords： landing system； electromagnetic environment； evaluation method； matched filtering

0 引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，將近60%的事故發(fā)生在下降、進(jìn)近和著陸階段，為此航空界歷來格外重視飛機(jī)著陸安全問題。隨著全球化步伐的加快，機(jī)場(chǎng)的周邊電磁環(huán)境日益復(fù)雜，飛機(jī)著陸引導(dǎo)信號(hào)受到周邊電磁環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅了飛機(jī)的著陸安全。因此在考慮機(jī)場(chǎng)建設(shè)和使用過程中，必須對(duì)機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境進(jìn)行有效評(píng)估。

就目前所掌握的資料來看，國外對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊電磁環(huán)境的評(píng)估工作處于起步階段，如文獻(xiàn)[1]采用了電磁數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)機(jī)場(chǎng)周圍目標(biāo)進(jìn)行電磁散射建模，從而獲得飛機(jī)下滑軌跡上的電磁干擾特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)簡單目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。國內(nèi)目前對(duì)此問題的研究還處于理論研究階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離[2]。

本文以儀表著陸系統(tǒng)為例，簡單分析了其工作原理，建立了飛機(jī)著陸過程中，理想下滑軌跡上的信號(hào)模型，采用了類似匹配濾波的方法，對(duì)信號(hào)沿下滑軌跡方向進(jìn)行相干處理，提出了一種機(jī)場(chǎng)電磁環(huán)境的評(píng)估方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，仿真結(jié)果表明，該方法可以正確評(píng)估機(jī)場(chǎng)周邊各種目標(biāo)對(duì)著陸引導(dǎo)過程的影響。

1 著陸系統(tǒng)工作原理

進(jìn)近著陸系統(tǒng)的一個(gè)主要功能就是在飛機(jī)進(jìn)近著陸所經(jīng)過的空間內(nèi)建立適當(dāng)?shù)碾姶艌?chǎng)環(huán)境，從而使得飛機(jī)在著陸過程中，飛行員根據(jù)接收到的電磁波特性判斷自身位置與理想下滑軌跡之間的偏差，并進(jìn)行必要修正實(shí)現(xiàn)安全著陸。

現(xiàn)以儀表著陸系統(tǒng)為例，如圖1（a）所示。儀表著陸引導(dǎo)系統(tǒng)包括對(duì)飛機(jī)的下滑方向和航向方向的引導(dǎo)，這里僅討論航向方向的著陸引導(dǎo)原理，對(duì)于下滑方向的著陸引導(dǎo)過程，其原理與前者極其類似。為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)航向方向的引導(dǎo)，必須在下滑軌跡的左右兩邊電磁場(chǎng)特性有所區(qū)別。航向臺(tái)天線發(fā)送的信號(hào)通常包含兩種頻率的信號(hào)：將兩種頻率信號(hào)相加（稱之為Σ信號(hào)）以同相饋電的方式發(fā)射，即沿跑道中心線兩邊對(duì)稱，且在中心處信號(hào)輻射功率最大；兩種頻率的信號(hào)相減（稱之為Δ信號(hào)）以反相饋電方式發(fā)送，即沿跑道中心線兩邊反對(duì)稱，在中心處信號(hào)輻射功率為零。兩種信號(hào)在空間的疊加導(dǎo)致沿跑道中心線處兩種頻率的信號(hào)幅度相等，而在下滑軌跡左右兩邊的同頻率信號(hào)幅度不一致，通過比較不同頻率的信號(hào)幅度差異，在飛機(jī)座艙內(nèi)的儀表盤上，就可以判斷飛機(jī)偏離理想航向的程度，從而實(shí)現(xiàn)著陸引導(dǎo)，如圖1（b）所示。該數(shù)據(jù)來自某次校準(zhǔn)飛行過程中航向指針的軌跡，其中靠近著陸點(diǎn)的劇烈抖動(dòng)來自后面將要討論的多徑效應(yīng)。

2 著陸系統(tǒng)的電磁環(huán)境模型

在實(shí)際飛機(jī)著陸引導(dǎo)過程中，接收的信號(hào)并不一定都是來自航向臺(tái)的信號(hào)，如在機(jī)場(chǎng)周邊還建有其他的導(dǎo)航臺(tái)站，塔臺(tái)，停機(jī)坪等建筑物，則航向臺(tái)發(fā)射的信號(hào)中可能經(jīng)過這些目標(biāo)反射到飛機(jī)上的接收天線處，從而造成接收信號(hào)發(fā)生畸變，即所謂的多徑效應(yīng)。用一個(gè)簡單的幾何模型表述，如圖2所示。

圖中假定航向臺(tái)的位置為[A]點(diǎn)，[C]點(diǎn)為[t]時(shí)刻飛機(jī)的位置，[B]為機(jī)場(chǎng)周邊的一個(gè)反射目標(biāo)。則[C]點(diǎn)處接收的信號(hào)存在兩條路徑：一條直接從[A]點(diǎn)到[C]點(diǎn)的直達(dá)波信號(hào)；另一條則是從[A]經(jīng)過[B]反射到達(dá)[C]點(diǎn)的間接信號(hào)，[C]點(diǎn)接收到的信號(hào)是這兩種信號(hào)的疊加。與直達(dá)波相比，多徑信號(hào)的傳播路徑差為：

式中：[λc]為載波波長。從式（5）可以分析位置為[dm，αm]的反射目標(biāo)對(duì)接收信號(hào)的影響，它包括一個(gè)包絡(luò)延遲和一個(gè)相位因子，而相位是時(shí)間[t]的非線性函數(shù)，因此在不同時(shí)刻，這個(gè)相位因子也不同，從而導(dǎo)致接收的信號(hào)嚴(yán)重畸變。

3 著陸系統(tǒng)的電磁環(huán)境評(píng)估方法

對(duì)著陸系統(tǒng)的電磁環(huán)境評(píng)估，通常是利用飛機(jī)的校正飛行時(shí)獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，并進(jìn)行適當(dāng)定性或定量分析獲得的。其目的是為了考察機(jī)場(chǎng)周邊建筑物是否對(duì)飛機(jī)著陸存在影響以及存在多大影響。通常假定飛機(jī)校正飛行過程中，飛機(jī)沿理想下滑線著陸。本文給出一種所謂的匹配濾波的方法，其思想來自合成孔徑雷達(dá)方位向成像中的聚焦算法，即可以沿[t]方向?qū)ξ恢肹dm，αm]處的目標(biāo)的反射信號(hào)的相位因子進(jìn)行補(bǔ)償，再進(jìn)行積分：endprint

式中：[K0]是一個(gè)積分常數(shù)，在通常條件下，可以從后面的仿真結(jié)果得到。包絡(luò)的延遲對(duì)積分結(jié)果影響并不大，因此在式（8）中忽略了包絡(luò)延遲[τm]隨時(shí)間[t]的變化?？梢钥闯觯e分后的結(jié)果包含兩個(gè)部分：第一項(xiàng)為第[m]個(gè)多徑信號(hào)，第二項(xiàng)為其他多徑信號(hào)的疊加。如果考慮到多徑相位[?m（t）]之間互不相關(guān)，則積分后對(duì)[um（τ）]的貢獻(xiàn)就可以忽略，這樣通過考察[um（τ）]的大小就可以判定第[m]個(gè)目標(biāo)對(duì)接收信號(hào)的影響程度。

為了考察該算法的有效性，現(xiàn)對(duì)該算法進(jìn)行仿真。這里不考慮目標(biāo)輻射方向圖的變化問題，即在積分區(qū)間[t0，t1]內(nèi)，忽略反射系數(shù)隨著方向的變化而發(fā)生的幅度或相位上的變化。同時(shí)考慮到關(guān)于跑道中心線對(duì)稱的目標(biāo)對(duì)接收信號(hào)的影響相同，因此在仿真中僅考慮跑道同一側(cè)存在目標(biāo)反射的情況。仿真參數(shù)如表1所示。

在仿真過程中，首先模擬生成[C]處的接收信號(hào)，這里假定目標(biāo)[B，][D]和[E]對(duì)[C]的接收信號(hào)有貢獻(xiàn)，且貢獻(xiàn)各不相同，而目標(biāo)[X]對(duì)[C]的接收信號(hào)貢獻(xiàn)為0，則生成的信號(hào)如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著飛機(jī)靠近著陸點(diǎn)，接收信號(hào)的幅度變化越來越快，波形失真越來越嚴(yán)重，多徑效應(yīng)越來越明顯，這是因?yàn)榭拷扅c(diǎn)附近，飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的單位距離對(duì)相位[?m（t）]的影響變大，從而導(dǎo)致疊加后的幅度變化劇烈。而當(dāng)飛機(jī)距離著陸點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，多徑效應(yīng)對(duì)接收數(shù)據(jù)的影響表現(xiàn)為緩變性質(zhì)。因此當(dāng)飛機(jī)即將著陸過程中，受多徑效應(yīng)的影響，飛機(jī)儀表顯示會(huì)劇烈抖動(dòng)，這與圖1（b）顯示的實(shí)際結(jié)果是相符的。在靠近著陸點(diǎn)處，航向指針劇烈抖動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響飛行員的判讀。

采用表1參數(shù)，利用式（7）可以構(gòu)造4個(gè)補(bǔ)償相位因子，分別對(duì)圖3中的接收信號(hào)進(jìn)行積分，其歸一化結(jié)果如圖4所示。由目標(biāo)[B，][D]和[E]的積分結(jié)果可以看出，他們的峰值功率的大小與反射系數(shù)有關(guān)，其中[B]的反射系數(shù)假定為1，但是積分結(jié)果比直達(dá)波略小，這是因?yàn)樵诜e分過程中忽略了包絡(luò)延遲以及周圍目標(biāo)的影響（即公式（8）第二項(xiàng)），[D]和[E]的反射系數(shù)比較小，因此積分結(jié)果的相應(yīng)峰值功率也比較小，但均在-10 dB以上，而對(duì)于目標(biāo)[X，]由于其反射系數(shù)為零，對(duì)回波數(shù)據(jù)無影響，其積分結(jié)果中的峰值功率低于-25 dB。由此可見，反射系數(shù)與積分后的峰值功率成正比關(guān)系，只要獲得目標(biāo)的反射系數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁環(huán)境評(píng)估。

該算法在實(shí)際應(yīng)用中，首先根據(jù)考察機(jī)場(chǎng)周邊反射目標(biāo)的分布情況，確定可疑目標(biāo)集合，如仿真分析中的[B，][D，][E]和[X，]該集合中有的目標(biāo)對(duì)多徑效應(yīng)起主導(dǎo)作用，有的目標(biāo)對(duì)多徑效應(yīng)的影響可以忽略。然后測(cè)量集合中各目標(biāo)的幾何位置，從而利用式（7）構(gòu)造相位補(bǔ)償因子，分別對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行積分處理，對(duì)積分結(jié)果進(jìn)行比較，可以獲得相應(yīng)目標(biāo)對(duì)多徑效應(yīng)影響的量化評(píng)估。通?？梢詫?25 dB作為判決門限，即積分結(jié)果的峰值功率低于直達(dá)波信號(hào)功率25 dB的可以認(rèn)為該目標(biāo)對(duì)多徑效應(yīng)無影響，而對(duì)于高于門限的目標(biāo)，可以通過比較峰值功率的大小，確定不同目標(biāo)對(duì)多徑效應(yīng)的影響程度。

4 結(jié) 論

惡劣的著陸導(dǎo)航系統(tǒng)的電磁環(huán)境嚴(yán)重威脅了航空安全，對(duì)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)電磁環(huán)境的評(píng)估是一項(xiàng)艱巨而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。本文給出了一種基于匹配濾波算法的著陸導(dǎo)航系統(tǒng)電磁環(huán)境的評(píng)估方法，從計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果來看，該方法不僅可以定性地研究機(jī)場(chǎng)周邊目標(biāo)對(duì)著陸導(dǎo)航系統(tǒng)的影響，即目標(biāo)影響的判決門限為-25 dB；還可以得到不同目標(biāo)對(duì)該系統(tǒng)影響的量化結(jié)果，從而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊電磁環(huán)境的評(píng)估。

在實(shí)際場(chǎng)景中，目標(biāo)并非理想點(diǎn)目標(biāo)，如塔臺(tái)，地面停靠的飛機(jī)等，因此式（7）并不準(zhǔn)確，還必須考慮反射系數(shù)[am]隨不同的反射角而引入的幅度、相位的變化，因此必須對(duì)可能的目標(biāo)進(jìn)行電磁散射建模[3]，獲得其在一定角度內(nèi)的反射系數(shù)。其次飛機(jī)下滑軌跡上，并不是一直存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)問題，因此可以修改式（6）的積分區(qū)間，獲得各個(gè)不同下滑軌跡段上的電磁環(huán)境評(píng)估。

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