（通信与信息系统专业论文）微波着陆系统mls接收机的数字信号处理.pdf

摘要 摘要 在民用航空飞速发展的今天，民用航空运输已经成为全球主要的和重要的运 输手段之一，飞机如何安全着陆是飞机飞行过程中面临的最重要的问题之一。本 文就是针对如何为飞机提供在其着陆过程中所需的各种精确的角引导信息来展开 研究的。 首先对飞机着陆系统的发展、飞机着陆的基本过程和微波着陆系统( m l s ) 的工作原理分别进行了简单介绍。 其次，针对接收机接收到的时差信号中存在奇异值的情况进行了分析，提出 了相应的滤波算法，以保证提供给飞机所需的精确的角引导信息。接着研究了旋 转高斯让德位置重构算法( r g s 对) a ) ，并给出了该算法的性能仿真及其在m l s 系统坐标变换中的应用。之后提出了用双线性z 变换法来设计m l s 角误差数字滤 波器，并给出了相应的仿真图证明了其可行性。同时还介绍了m l s 系统台址识别 码的解算方法。 在此基础上本文接着介绍了以d s p 为核心来进行信号后处理的m l s 系统的硬 件实现，包括m l s 信号处理模块硬件结构及其软件实现流程。同时也介绍了m l s 信号处理模块内部正常通信及其和m l s 中央处理机之间正常通信的接口设计问 题。 最后给出了m l s 系统的性能指标、测试结果及其硬件实物图。 关键词：微波着陆系统旋转高斯让德位置重构算法双线性z 变换d s p a b s t r a c t a b s t r a c t 2 一 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec i v i la v i a t i o n ，a i rt r a n s p o r th a sb e c o m eo n eo f t h ew o r l d sl e a d i n ga n di m p o r t a n tm e a n so ft r a n s p o r t a t i o n t h es a f el a n d i n go fa n a i r c r a f ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s t h i sp a p e ri sa i m e da th o wt op r o v i d ea l l k i n d so fa n g l eg u i d ei n f o r m a t i o nw h i c hi sn e c e s s a r yd u r i n gt h el a n d i n gp r o c e s so fa n a i r c r a f t f i r s to fa l l ，t h ed e v e l o p m e n to fa i r c r a f tl a n d i n gs y s t e m s ，t h eb a s i cp r o c e s so f a i r c r a f tl a n d i n ga n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fm i c r o w a v el a n d i n gs y s t e m ( m l s ) a r e i n t r o d u c e db r i e f l y s e c o n d l y , i nv i e wo ft h ee x i s t e n c eo fs i n g u l a rv a l u ei nt h er e c e i v e dt i m ed i f f e r e n c e s i g n a l ，t h ec o r r e s p o n d i n gf i l t e ra l g o r i t h mi sp r o p o s e dt o e n s u r et h a tt h en e c e s s a r y a c c u r a t ea n g l eg u i d ei n f o r m a t i o nc o u l db ep r o v i d e dt ot h ea i r c r a f tr e c e i v e r t h e nw e b e g i nt os t u d yt h ea l g o r i t h mn a m e dr g s - r p a ，a n dg i v et h ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o no f t h i sa l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o ni nt h em l sc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n a f t e rt h a tt h e b i l i n e a rz t r a n s f o r mi sp r o p o s e dt od e s i g nt h em l sa n g l ee r r o rd i g i t a lf i l t e r s ，w h i l et h e c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nf i g u r e sa r eg i v e no u tt op r o v et h e i rf e a s i b i l i t y i ta l s op r e s e n t s t h em e t h o do fs o l v i n gt h em l ss y s t e m - s i t ei d e n t i f i c a t i o nc o d e a n dt h e n ，t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fm l ss y s t e mi sg i v e no u t ，w h i c hu s e s d s pa st h ec o r ed e v i c ef o rs i g n a lp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no f m l ss i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n di t ss o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s ，a n da l s o i n c l u d i n gt h e i s s u eo fi n t e r f a c e d e s i g n t om a k es u r eo ft h en o r m a li n t e r n a l c o m m u n i c a t i o no ft h em l ss i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e a sw e l la si t sn o r m a l c o m m u n i c a t i o nw i t ht h em l sc e n t r a lp r o c e s s o r f i n a l l y , t h em l sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t e s tr e s u l t sa n dt h ep i c t u r eo fi t s h a r d w a r ea r eg i v e no u t k e y w o r d ：m i c r o w a v el a n d i n gs y s t e m r g s - r p a b i l i n e a rz - t r a n s f o r md s p 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志所做的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。 ( 保密后的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：丘磊 导师签名：掣日期：乃乒岁i 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1论文的研究背景和意义 在整个二十世纪中，民用航空得到了很大的发展，民用航空运输已经成为全 球主要的和重要的运输手段之一。伴随着民用航空的发展，民用航空运输的安全 一直是国际民航组织( i c a o ) 和各国民用航空部门极为重视的问题。民用航空运 输的安全问题主要存在于民用飞机飞行的整个过程中，飞行过程包括由滑跑、起 飞、爬升、航路飞行阶段、下降、进近、着陆和最后滑跑过程这些阶段所组成。 飞机上天之后，面临的最重要的问题之一就是如何安全着陆。无论军事飞行， 商业飞行还是私人飞行都不免于此。早期的飞机全是依靠驾驶员的经验目视着陆， 地勤人员只在地面上铺一块“t 型布，或点然几堆篝火作指引，并不需要什么专 门的着陆装备。后来，随着科学技术的发展，飞机的速度越来越快，数量也越来 越多，飞机性能的不断提高，使驾驶员的工作负荷变得越来越重，他们在飞行的 最后阶段进行着陆时已十分疲惫，精力往往也不如起飞时充沛，很难在规范地完 成一整套的着陆准备与操作之后，在有限的机场内安全着陆。特别是在复杂气象 条件下，飞机着陆就更为困难。因此，在着陆阶段飞机的飞行事故相当多，据统 计高达3 0 - 5 0 ，对飞机的飞行安全具有极为重要的影响。这也是世界各国及有关 国际组织一直在努力开发和研究更方便、更灵活、更完善、更先进的新型着陆装 备或系统的重要原因之一。 1 2飞机着陆系统的分类 国际民航组织( i n t e r n a t i o n a lc o u n c i la v i a t i o no r g a n i z a t i o n i c a o ) 根据不同气 象条件下引导飞机着陆的能力，将着陆系统分为三类，如表1 1 所示。 表1 1 着陆系统分类 类别决断高度( 米)跑道视距( 米) i6 08 0 0 i i3 04 0 0 i i i a 1 52 0 0 i i i b 05 0 i i i c 0 o 三微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 表11 给出了在特定气缘条件下着陆系统能引导飞机的晟低高度他代表了 着陆系统的着陆能力。其中的决断高度( d e c i s i o nh e i g h t d h ) 是指飞行员对继 续下滑着陆做出判断的高度，判决依据是是否能看到足够的跑道，当可视跑道过 短时，则将飞机拉起复飞，等待另一次着陆。一般决断高度与着陆系统最低引导 高度对应，飞机飞过决断高度后，飞行员需依靠肉眼引导飞机继续下滑着陆。跑 道视距( r u n w a yv i s u a lr a n g e r v r ) 是气象条件的- - 9 0 度量，表示能见度的距 离。 所以，i 类着陆系统应该保证在能见度不低于8 0 0 米时，将飞机引导到离地 高度6 0 米的位置，此时飞行员在能充分看到跑道的情况下，执行目视着陆。同 样，i i 类着陆系统应能在能见度不低于4 0 0 米的情况下，将飞机引导到3 0 米的 高度，然后飞行员根据目视情况决定能否继续降落。i i i 类着陆系统是一种真正 的盲降系统，能在跑道视距很小甚至几乎不可见时准确引导飞机着陆。它又可细 分为i i i a 、i i i b 、i i i c 三种系统，i i i a 类系统保证在跑道视距不低于2 0 0 米时引导 飞机着陆，i i i b 类系统用来在跑道视距不低于5 0 米时保证飞机安全着陆，而i i i c 类系统则是在完全看不见跑道时保证飞机安全着陆。 1 3飞机着陆系统的概述 1 3 1 飞机着陆系统的发展 目前，飞机着陆系统从仪表着陆系统( i l s ) 发展到了微波着陆系统( m l s ) ，此 外，现在一些发达国家又研制出了一种新的无线电导航系统全球卫星定位系 统( g p s ) 1 1 , 1 1 1 。 仪表着陆系统( i l s ) 于1 9 4 8 年被国际民航组织采纳为飞机进场着陆引导的标 准设备，直至现在，在提供i 级和i i 级着陆方面，i l s 正充分发挥它的效能。此外， 在个别设施完备的机场i l s 也能提供i i i 级精密进场和自动着陆引导。仪表着陆系 统为世界航空业，尤其是民航业的发展做出了巨大的贡献。它主要有以下特点： 以固定波束形成等信号区的方式，提供一条下滑角度不变，且与跑道及 其延长线处于同一垂直面内的进场着陆航线。 设备工作于超高频甚高频段。 这种系统的主要缺点是： 它只能提供单一而又固定的下滑道，由于i l s 进场着陆航线规定在跑道 中心线的延长线所在的平面内，下滑角又很小，这会引起大型飞机接 近城市和居民区飞行时所产生的低频噪声污染。对某些机动性能好的飞 机，用i l s 进场着陆比较浪费燃油。 第一章绪论 波束覆盖区很小，成比例的控制区更小，不能引导飞机作曲线进场或分 段进场。 在天线尺寸既定的情况下，波束不可能很窄，多径干扰严重。 设备对安装场地要求高，致使某些机场无法满足其安装要求。此外，安 装调整需要的时间长，灵活性差。 造价高，而且不能传送机场气象条件等附加信息。 地面需要昂贵而复杂的监测设备，并须定期进行飞行测试。 微波着陆系统( m l s ) 改善了其在技术上和使用上存在的局限性。它主要有以 下特点： 系统工作于微波段，可以减小多径效应。 能提供全天候导引功能。 能提供各种进场航线。 可以导引进场速度、下滑角、重量都极不相同的各种飞机进行着陆。 因此，和i l s 相比，m l s 是一种性能比较优越的着陆导航系统，但它仍存在 造价高、地面和机上设备要求较高等缺点。因此，近几年来，美国又研制出了一 种新的导航系统全球定位系统。全球定位系统又叫卫星导航系统 ( n a v s t a r ) ，它是一种以卫星为基准的无源测距无线电导航系统。全系统由空 间部分、地面控制部分和用户设备组成。其主要特点是： 能在全球范围内，全天候地、连续实时地为用户提供高精度的三维位置、 三维速度和时间信息。 精度大大优于i l s 和m l s 和i l s 及m l s 相比，造价比较低廉。 因此，全球定位系统是一种先进的导航系统，在不久的将来，会代替仪表着 陆系统和微波着陆系统，成为主要的导航系统。但从我国现状来看，采用g p s 所 需的卫星条件不具备，而国际上正在试用与推广的m l s 较之i l s 有着优越的性能， 并且至u 2 0 0 0 年，m l s 将在全球范围内取代i l s 。因此，研究m l s 是具有现实意义 的。 1 3 2 飞机自动着陆系统的组成 一个自动着陆系统由地面引导设备和机载制导设备共同组成。地面引导设备 主要包括方位引导( v o r ) 、下滑引导( 即i l s 或m l s 地面台) 设备加上测距 设备、拉平引导及滑跑滑行专用引导设备等。机载制导设备由许多子系统组成。 它以自动飞行控制系统( a f c s ) 为中心，不同机型可以具有不同的子系统，但 主要应有下列成份： 一4 微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 1 传感器：如方俯引导和下滑引导初载设备( 1 t ，s 或m t ，s 接收处理器) ? 无线电高度表( 或拉平引导的机载接收机) ，罗盘，俯i f p 倾斜姿态和速率传感器 ( 陀螺或惯性基准设备) ，大气数据计算机，侧向和纵向加速度计等。 2 飞控计算机及推动舵面、辅助操纵面的伺服作动器：使飞机能够在进场 着陆中耦合方位偏离信号和下滑偏离信号去控制飞行轨迹、偏流修正及接地后的 自动撤消。 3 自动油门系统( 或推力管理计算机及推动油门杆的伺服作动器) ；使飞 机能够在进场着陆过程中控制发动机推力、飞行速度和下滑速率。 4 复飞电门、自动复飞程序及其执行部件。 5 监控设备：包括监视显示仪，操作的电门，告警灯或音响警告设备，自 动驾驶仪和自动油门的快速脱开电门。类自动着陆系统可选用平显。 6 自动滑跑和防滞刹车系统，特别为i i i ，类自动着陆所必须。 1 3 3 飞机着陆的基本过程 为了保证飞机安全飞行，我国将整个空域分为管制区和非管制区。管制区又 分为终端区和航路区，而航路区则分为空中走廊和空中航路。 空中走廊是规定进出国境或某些大城市和机场的固定飞行航线，空中走廊的 宽度一般规定为8 1 0 公里，走廊有内、外口，通常设置在显著地标上空，并设 有导航台，且在空中走廊内划定有不同型号飞机进出的高度层，进出走廊的军、 民航飞机统一由负责该空中走廊的飞行管制部门实施指挥，其它飞机如需穿越空 中走廊，事先应取的负责该走廊管制部门的同意，并按指定高度通过；空中走廊 内禁止设立飞机训练区域。 空中航路是为了保证省、自治区、直辖市之间的航空运输而在我国境内设立 的。航路的宽度规定为2 0 公里( 航路中心两侧各1 0 公里) 。如果某一段受条件 限制，可以将宽度降至8 公里。航路由空军划定，经国务院和中央军委批准。各 部门的飞机不经申请批准，均不得在航路上飞行。 终端区域是指各航路区域在机场区域的汇合区，其半径约1 5 0 公里，飞机的 起飞和着陆就是在此区域内进行的。 飞机的一次飞行可粗分为起飞、沿航路飞行和着陆三个阶段。起飞是指引导 飞机从离地到进入航线的阶段，其作用半径约为2 5 3 0 公里。在此阶段，我国主 要靠导航机、地面定向机、v o r 等设备引导，有时也用雷达引导。沿航路飞行 是指飞机沿预定的航路从起始机场到目的机场的飞行过程，我国主要的航路设备 有导航台、定向台、多普勒雷达、塔康等系统。着陆是飞机一次飞行中的最后一 个阶段，是将飞机从航路飞行引导到地面跑道并完全停止的过程，其作用半径为 第章绪论 1 5 0 公里左右。一般它又分为4 个阶段： 1 进场 所谓进场是将进入机场空域的飞机从航路引导到下滑路径的入口，即将飞机 从离机场1 5 0 公里的地方引导到离机场3 0 公里左右的地方，以保证飞机能够接 收下滑设备的信号。这个过程又叫接近。此阶段的引导任务主要靠v o r 、d m e 、 t a c a n 、导航台等设备配合完成。 2 下滑 下滑是引导进场的飞机沿预定的下滑线从下滑路径的入口到决断高度的过 程。此阶段的引导任务主要靠着陆系统完成。我国现有的着陆系统主要有双信标 导航台、仪表着陆系统、着陆雷达和微波着陆系统。 3 拉平 拉平是降低飞机下降速率的一种操纵。它可以在决断高度之前实施，也可以 在决断高度之后实施。这要视具体情况而定。拉平后，飞机沿更小斜率的下滑轨 迹下滑着陆。由于不同机种飞机的下滑角度不同，比如小型高速飞机的下滑角大， 低速飞机的下滑角小。因此，为了适应机场的跑道情况，不同机种飞机的拉平高 度不同。一般民用喷气式飞机拉平时的主轮离地高度约为9 米，但考虑到飞机水 平方向与垂直方向的惯性，需要提前1 2 秒的时间实施拉平。所以，一般拉平操 纵是在离着地点约7 5 0 米，离地高度2 2 5 米的地方。 拉平后，飞机经过平飞减速和飘落，到达着地点。除微波着陆系统之外，其 余着陆系统均无拉平引导的功能，此时的拉平是飞行员依据高度表和地平仪实施 完成的。 4 接地和滑跑 接地和滑跑可谓是一次飞行的真正结束。是指从飞机鼻轮着地到飞行员目视 引导飞机在跑道视界内滑跑，找到出口并在停机坪停机的过程。 鼻轮着地的地方叫着地点。在一个机场中，所有飞机的着地点都基本相同， 离跑道着陆端的距离约为3 0 0 米，为了便于飞行员识别，许多机场都在着地点两 侧草地上铺设“t ”型白布。这样，就能保证不同机种的飞机都有足够长的跑道 安全滑行。 1 4论文研究的内容 本文以后的章节内容安排如下： 第二章介绍微波着陆系统( m l s ) 的原理。包括微波着陆系统的发展、微波 着陆系统结构和特点、角引导信息的解算方法、微波着陆系统信号格 式、数据字内容以及微波着陆系统基本术语介绍等。 皇 微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 第三章研究了微波着陆系统中信号后处理的关键技术。包括各种角引导信息 中奇异值的剔除、m l s 坐标变换算法及其性能仿真、m l s 角误差数 字滤波器的设计与仿真，以及m l s 台址识别码( m o r s e 码) 的解算 等。 第四章介绍了微波着陆系统信号处理模块的结构框图及其整体硬件实现方 案，并对m l s 整个系统的实现、硬件之间通信方法以及信号后处理 的软件算法进行了阐述。 第五章给出了微波着陆系统的性能要求，以及m l s 接收机的测试结果和硬 件实物图。 结束语总结全文。 第二章微波着陆系统的：作原理 7 一 第二章微波着陆系统的工作原理 2 1微波着陆系统( m l s ) 概述 2 1 1 微波着陆系统( m l s ) 的发展历史 仪表着陆系统( i l s ) 是在第二次世界大战后出现并得以应用的。1 9 4 8 年， 仪表着陆系统被国际民航组织( i c a o ) 采纳为飞机进近着陆引导的标准设备。 它为世界范围的航空事业，尤其是民用航空事业的发展做出了卓越的贡献。然而， 随着空中交通量的剧增以及空中交通状况的日益复杂，仪表着陆系统( i l s ) 在 某些方面暴露出了本身的缺点和局限性。仪表着陆系统( i l s ) 在技术上和使用 上所存在的局限性，使微波着陆系统( m l s ) 得以迅速地发展。 回顾历史，早在上世纪4 0 年代就有过用微波频率取代i l s 的v h f u h f 频 率的提法，只是限于当时的微波技术不够成熟而未被采用。6 0 年代后期，航空 用户要求有一个既能改善对场地的敏感性，工作可靠，又能提供可变下滑道和多 路进近的引导设备的呼声越来越高。随之，7 0 年代处，全球范围内就出现了多 达5 0 多种不同的方案，大部分都采用了微波技术。但众多的方案带来了新的问 题，如果不同的用户都采用各自不同的进近和着陆标准，会迫使航空公司为远程 和跨国全天候飞行的飞机装备多套不同标准的机载着陆引导设备，这样势必会对 国际间的航空活动和合作带来麻烦。 针对上述情况，国际民航组织考虑了建立新的国际标准的进近和着陆设备的 迫切性，并在1 9 7 2 年提出了关于新型的非目视精密进近和着陆系统的技术要求。 早在1 9 6 7 年，美国航空无线电技术委员会成立了一个专门的机构，以进行有关 新系统的策略研究。自1 9 7 1 年以来，美国联邦航空局具体领导了这一工作，分 别研制了采用时基扫描波束和多普勒技术的微波着陆系统，并进行了反复的试 验，结果证明时基扫描波束技术具有明显的优越性。1 9 7 5 年，美国向国际民航 组织提出了它的时基扫描波束微波着陆系统，其他国家也提出了他们各自的方 案。 1 9 7 6 年国际民航组织的全天候飞行评审团建议国际民航组织的成员国接受 美国和澳大利亚联合提出的系统为新的微波着陆系统的技术标准。在1 9 7 8 年4 月召开的全天候飞行专业会议上，8 0 多个成员国达成协议，确认时基扫描波束 ( t r s b ) 为微波着陆系统的标准技术。1 9 8 0 年3 月，全天候飞行评审团的专家 小组初步拟订了关于微波着陆系统的“国际标准与推荐措施”的条例，该文件在 1 9 8 1 年4 月的国际民航组织的国际通信与运行分会上审定通过，并连同其指导 墨微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 原则一起列入了国际民航公约附件1 0 中，从1 9 8 3 年开始牛效至此新的精密 进近和着陆系统的发展方向及其标准技术t r s b 正式定案。 2 1 - 2时基扫描波束微波着陆系统( t r s b 池s ) 时基扫描波束微波着陆系统( t r s bm l s ) 1 0 】与仪表着陆系统在使用特色上 同为非目视进近着陆引导设备，功能相同。两者同属于机上导出系统，其基本工 作原理都是由机载设备接收到地面发射的引导信号后，经过处理而算出飞机相对 于着陆跑道的位置关系，但m l s 引导信号的覆盖空间大，精度高，所提供的进 近方式也更为灵活。 t r s bm l s 的基本格局由方位制导台( a z ) 、仰角制导台( e l ) 、精密测距 仪( d m e p ) 和基本数据传送系统组成。其中，方位制导和仰角制导统称为角度 制导，是功能实现的主体，相当于仪表着陆系统的航向引导和下滑引导。基本数 据用来表明地面设备的识别和状态方面的信息。角度制导功能和数据传送功能都 工作在c 频段的5 0 3 1 - 5 0 9 0 7 兆赫范围内，共有2 0 0 个间隔为3 0 0 h z 的频道，每 条跑道上的m l s 选定某一频道工作。方位制导信号、仰角制导信号和数据字信 号都安排在同一信号格式里，飞机上只需装一部接收机便可以将角度制导的全部 功能和数据字解码后识别出来。 2 2 微波着陆系统( 池s ) 结构及特点 时基扫描波束( t r s b ) 微波着陆系统( m l s ) 【2 9 】和目前的仪表着陆系统( i l s ) 一样，对于飞机相对跑到位置数据都采用空中导出方法。所谓空中导出，就是指 飞机的制导信息是通过机载接收机接收和处理空中信号后，计算出它相对于跑道 的坐标位置关系而获得的。在这种系统中，位于跑道附近的地面台向空间定向发 射经过某种角度编码的射频信号。信号覆盖区内的飞机接收到这一信号，通过处 理后得到其所在空间的角位置数据。这些数据被送到专门的指示器，提供飞机进 近和着陆指示，也可以送到飞机的自动驾驶仪，操纵飞机实现自动进近和自动着 陆。 2 2 1 微波着陆系统的工作覆盖区 为了弥补仪表着陆系统的不足，这就要求微波着陆系统应当具有比仪表着陆 系统更高的制导精度和更大的工作覆盖区，美国航空无线电技术委员会和国际民 航协会制定的微波着陆系统的工作覆盖区的要求如图2 1 所示： 第一二章微波着陆系统的工作原理 5 海 9 一 图2 1 微波着陆系统的工作覆盖区 正向方位的指导区域应能覆盖到以跑道为中心线+ 6 0 。的扇形区，这一扇形区 的垂向覆盖应达2 0 。，径向作用距离为3 0 海里。数据更新率为1 3 赫。 反方向( 失误进场) 的制导区域，应能覆盖到以跑道为中心4 0 。的扇形区。 径向作用距离不小于5 海里。数据更新率为6 5 赫。 仰角方向的制导区，应包括0 。2 0 。的扇形区域，径向作用距离同样为3 0 海 里，数据更新率为3 9 赫。 拉平制导区应该覆盖_ 2 。+ 8 。的扇形区域( 最好能扩大到+ 1 5 。) ，数据更新 率为3 9 赫。 2 2 2 微波着陆系统结构 t r s b 微波着陆系统的基本格局由方位制导台( a z ) 、仰角制导台( e l ) 、 拉平制导台( f l ) 、精密测距仪( d m e 伊) 和基本数据传送系统组成。其中，方 位制导和仰角制导统称为角度制导，是功能实现的主体，相当于仪表着陆系统的 航向引导和下滑引导。在扩展格局中，可以有选择的增加其他功能，如增设复飞 和飞机离厂时的反方位制导、拉平制导、增宽方位制导扇区和增加辅助数据传送 系统。一般的说，在扩展格局中，角度制导除了包括基本格局中的方位制导和仰 角制导外，还包括反方位制导和辅助数据功能。基本数据用来表明地面设备的识 别和状态方面的信息。 角度制导功能和数据传送功能都工作在c 频段的5 0 3 1 5 0 9 0 7 兆赫范围内， 共有2 0 0 个间隔为3 0 0 h z 的频道，每条跑道上的m l s 选定某一频道工作。方位 卫微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 制导信号、仰角制导信号和数据字信号都安排存同一信号格式里飞机 只需装 一部接收机便可以将角度制导的全部功能和数据字解码后识别出来。 方位制导设备一般和精密测距仪( d m e p ) 应答器一起安装在跑到端出的 中心延长线上。它所提供的防卫覆盖范围相对于扫描中心线通常有+ 4 0 ：。 仰角制导设备是m l s 系统中另一重要的组成部分，它安装在跑道的进近端 处偏离中心线的某一位置，可提供驾驶员选择的下滑角范围宽至1 5 。在方位覆 盖区域内，飞机可以在仰角制导的范围内任何下滑航道上得到精密的引导。 反方位台同方位台的工作原理一样，只是安装在跑道的另一端( 跑道入口 处) ，用来从背向制导飞机起飞、复飞或离场。国际民航组织把反方位台的最小 工作距离规定为5 海里，一般设计为1 0 海里。 拉平制导台用来保证飞机进入跑道拉平至主轮接地的着陆过程。一般用于 i i i 类进近着陆，那种条件下能见度为零。拉平台的作用是提供迸近飞机在拉平 阶段离地面的高度信息，其工作原理与仰角台近似。不同的是，拉平台的水平覆 盖范围为+ 1 0 。，垂直覆盖区延伸到7 5 。处，作用距离为5 海里。 m l s 数据传输系统向飞机提供用于精密进近和着陆的必要信息，分为基本 数据和辅助数据。基本数据包括地面设备识别、信号覆盖范围、可用最低下滑道、 m l s 设备性能级别和所用频道等与着陆直接有关的数据；而辅助数据一般包括 地面设备的安装状况、航空气象情报、跑道状况和其他补充信息，如区域导航方 面的数据。 2 2 3 微波着陆系统技术特点 m l s 的测角原理是基于时基扫描波束技术。简单地说，m l s 的地面角度制 导天线辐射一个很窄的扇状波束，在相应的覆盖区域内进近往返扫描。对方位台 而言，m l s 方位台天线在水平面内产生个窄波束，在垂直面内形成一个扇形， 其范围一般为0 9 。2 0 。，这样的一个扇形窄波束在+ 6 0 。的水平方位覆盖区内进 行“往”和“返”的连续扫描。“往”扫和“返”扫相当于波束在水平范围内的顺时针( 向 左) 和逆时针( 向右) 扫描，对仰角台则相当于向上扫描和向下扫描。飞机接收 机测量连续两次扫描波束峰之间的时间差，这个时间差值的大小与飞机在空中相 对于跑道的角位置有直接关系，由此得到飞机与方位天线轴线( 一般于跑道中心 线相重合) 之间的方位角。图2 2 为表示方位台天线波束扫描情况： 第二章微波着陆系统的! 】：作原理 方位 图2 2 方位测量不慈 假设波束扫描速度为口= 2 0 0 0 0 度秒，扫描范围为缈= + 6 0 。，由往扫转为返 扫的停留时间为t o ，飞机接收到往扫的时刻为7 1 1 ，飞机接收到返扫的时刻为t 2 ， 则： 波束扫过跑道中心线的时间间隔为：t = 2 x ( c o a ) + t 0 ； 波束扫过飞机中心航线时间间隔为：丁= t 2 一t 1 ； 飞机偏离跑道中心线的角度为：0 = i t 一丁i 口： 如果按图示表示偏离跑道中心线角度的正、负则： 0 = ( t - a t ) x c t = 2 x ( p - ( t 2 一t 1 一t o ) 口。 仰角台天线在垂直面内产生一个窄波束，在水平面内呈扇形，这个仰角窄波 束在垂直覆盖区内进行0 。1 5 。之间的连续扫描。与方位台的情形类似，飞机测 得两次扫描的时间差，以相同的方法得到飞机相对于跑道平面的仰角。 2 3微波着陆系统( m l s ) 信号格式 2 3 1m l s 信号格式 在飞机着陆过程中所需的各种角度信息中，方位( a z ) 和仰角( e l ) 两种 角度信息是必需的。这两种角度扫描信号和数据信息是用时分多址( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 方式在c 波段发射的，所有要发射的内容由发射的引导码确定，并按 一定的间隔和顺序周期发射，引导码和数据字是以1 5 6 2 5 k _ h z 时钟按 d p s k ( d i f f e r e n t i a lp h a s e s h i f tk e y i n g ) 方式调制。引导码发射到整个覆盖扇区内， 用以确定所发信号的内容，引导码包括无调制的载波脉冲( 8 3 2 微秒) 、5 位基准 微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 巴克码、5 位功能识别码。载波脉冲用于建寺a g c 电压、巴克码用于机载接收 设备的时间同步、功能识别码的前5 位为可包含3 2 种功能的识别码，后两位为 识别码的奇偶校验位。 扇区信息包括摩尔斯码、机载天线选择脉冲、o c i ( o u to f c o v e r a g ei n d i c a t i o n ) 引导脉冲等，分别用于台址识别、天线选择、比例覆盖区识别等。 2 3 2m l s 台址识别码格式 台址识别码信号形式为点和划，点的长度为1 8 秒，划的长度为3 8 秒，点 与点、点与划、划与划的间隔为一个点的时长，码与码的间隔为四个点的时长， 一组莫尔斯码最多由四个大写英文字母组成，组与组的间隔不小于2 0 秒。字母 的莫尔斯码如表2 1 所示： 表2 1m l s 台址识别码 序号码元构成特征码( a s c i i 码) 1a 女 4 1 h 2b一六六4 2 h 3c 六 4 3 h 4d一六六4 4 h 5e 4 5 h 6 f一4 6 h 7g 4 7 h 8h 4 8 h 9i 4 9 h 1 0j 女 4 a h 1 lk 4 b h 1 2l一六大4 c h 1 3m4 d h 1 4n 4 e h 1 5o4 f h 1 6p 女 5 0 h 1 7 q 六一5 1 h 1 8r六一女5 2 h 1 9s 六 5 3 h 2 0t5 4 h 2 1 u 1 女女 5 5 h 第二章微波着陆系统的1 ：作原理 2 2 v 六六一5 6 h 2 3w 女 5 7 h 2 4x 一 5 8 h 2 5 y 六 5 9 h 2 6z 5 a h 2 3 3m l s 数据字格式 m l s 包括一个向飞机发射有用信息的地空数据链路。数据分为基本数据和 辅助数据，由差分相移键控调制信号传送。每个数据由前导信号引导，前导信号 表明后续的是什么功能信号。 基本数据字格式见表2 2 ，它包括机载接收机处理角度时所需要的数据，也 包括用来修改或调整接收机输出量的数据。基本数据字共有6 个，每个字占3 2 位，其中前1 2 位组成前导码，末尾两位为奇偶校验码，其余各位分成若干个数 字信息段。在数字信息段中，除第五个数据字以装备反方位台为前提外，其他数 据字至少每秒钟发射一次。 表2 2m l s 基本数据字格式 数 数据内容 发播之使用的取值范围最低有位数 据间最大位数效位 字时间 ( 秒) l 前导码 1 01 2 1 1 一1 1 2 进场方位天线到门 60 m 3 0 0 0 m1 0 0 m 1 1 3 一i l s 槛距离 进场方位比例覆盖 50 0 - - 6 2 02 0 i i 9 一1 2 1 区负极限 进场方位比例覆盖 50 0 - - 6 2 02 0 1 2 4 一1 2 8 区正极限 余隙信号内型 1 1 2 0 保留 1 1 3 0 奇偶校验 2 见注1 1 3 1 一1 3 2 2前导码o 1 61 2 i i - 1 1 2 最低下滑道70 0 1 2 7 0o 1 0 1 1 3 一1 1 9 反方位状态 1见注2 1 2 0 d m e 状态 2 1 2 1 1 2 2 进场方位状态 1 见注21 2 3 进场仰角状态 1 见注21 2 4 保留 6 1 2 5 一1 3 0 奇偶校验 2 见注1 1 3 1 一1 3 2 3 前导码 1 o1 2 i l 1 1 2 兰 微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 迸场方位波束宽度 30 5 0 4 0 0 5 0 1 1 3 一i 】5 进场仰角波束宽度 30 5 0 2 5 00 5 0 1 1 6 - im 8 d m e 距离90 9 3 8 7 5 m1 2 5 m 1 1 9 一1 2 7 保留 3 1 2 8 一1 3 0 奇偶校验 2 见注1 1 3 1 一1 3 2 4 前导码 1 01 2 见注4 i i - 1 1 2 进场磁方位90 0 , - , 3 5 9 01 0 1 1 3 一1 2 1 反磁方位90 0 , - - , 3 5 9 01 0 1 2 2 一1 3 0 奇偶校验2 见注l1 3 1 - 1 3 2 5 前导码 1 01 2 i l 1 1 2 反方位比例覆盖区 50 0 , , - , 4 2 02 0 1 1 3 1 1 6 负极限 反方位比例覆盖区 50 0 , - - , 4 2 02 0 1 1 9 - 1 2 2 正极限 反方位波束宽度 30 5 0 , - - , 4 0 0o 5 1 2 3 - 1 2 5 反方位状态 1 见注2 1 2 6 保留 4 见注3 1 2 7 一1 3 0 奇偶校验 2 见注l 1 3 1 - 1 3 2 6 前导码 1 o1 2 见注4 1 1 一1 1 2 m l s 地面设备识别字母a z 字母26 1 1 3 一1 1 8 字母3 6 1 1 9 一1 2 4 字母4 6 1 2 5 1 3 0 奇偶校验 2 见注l 1 3 1 - 1 3 2 注1 ：选择奇偶校验位1 3 1 和1 3 2 是为了满足下列等式： 1 1 3 + 1 1 4 + 1 2 9 + 1 3 0 + 1 3 1 = 奇数 1 1 4 + 1 1 6 + 1 2 8 + 1 3 0 + 1 3 2 = 奇数 注2 ：状态位编码： 0 = 不发射功能或再实验模式中发射的功能 1 = 在正常模式( 反施这焘够操用反力- 位：发播) 中发身寸韵功舷 注3 ：保野型雏删将爿毫f 娴，面碍缉抹定义瓦耐渤蒿差e 够好。 注4 ：如果勖习；位引导，那么苗趟劾郸殇疆雨皈方麟中部可：期寸数据 辅助数据字基本格式见表2 3 ，它包括那些由机载接收机接收并译码后，提 供给其他机载设备使用的数据。辅助数据分a 、b 和c 三部分，每部分最多可达 6 4 个字，每个字占7 6 位：其中前1 2 位是前导码，随后是8 位地址码，中间部 分是数字信息和字符信息。我们可根据8 位地址码来区分地面台发播的是哪一个 辅助数据字，辅助数据字地址码见表2 4 。 第二章微波着陆系统的j ：作原理 表2 3m l s 辅助数据字格式 辅数据内容数最大发所数值范围比特比特位 助 据射间隔 用最低数 数类时间( s )比有效 据型特位 由 数r a 1前导码数 1 o 1 2 i l 1 1 2 地址字8 1 1 3 1 2 0 进场方位天线 式1 05 1 1 5 1l m 3 )1 m 1 2 1 - 1 3 0 偏置 进场方位天线 1 3o 8 1 9 l m1 m 1 3 1 - 1 4 3 到m l s 数据点 距离 进场方位同跑 1 22 0 4 7 。2 0 4 7 0 3 )0 0 1 0 1 4 4 1 5 5 道中心线的对 准 进场方位天线l 2 ) 1 5 6 坐标系统 保留 1 3 1 5 7 1 6 9 奇偶校验 7 1 ) 1 7 旷1 7 6 a 2 前导码数 1 o1 2 i i - 1 1 2 地址 字8 1 1 3 1 2 0 进场仰角天线 式1 05 1 1 5 1 l m 3 )1 m 1 2 l 1 3 0 偏置 m l s 数据点到 1 0o 1 0 2 3 m1 m 1 3 1 n 1 4 0 入口距离 进场仰角天线 76 3 6 3 m 3 )0 1 m 1 4 l 1 4 7 高度 保留 2 2 1 4 8 1 6 9 奇偶校验 7 1 ) 1 7 旷1 7 6 a 3 前导码 数1 o1 2 i l 1 1 2 地址字8 1 1 3 1 2 0 d m e 偏置 式1 05 1 1 5 1 l m 3 )1 m 1 2 l 1 3 0 d m e 到m l s 1 48 1 9 1 。8 1 9 1 m 3 )1 m 1 3 l 1 4 4 数据点距离 保留 2 5 1 4 5 1 6 9 奇偶校验 7 1 ) 1 7 旷1 7 6 a 4 前导码数 1 o1 2 i l 1 1 2 地址 字8 1 1 3 1 2 0 反方位天线偏 式l o5 1 1 5 1 l m 3 )l m 1 2 l 1 3 0 置 反方位到m l s 1 10 2 0 4 7 ml m 1 3 l 1 4 , 数据点距离 些微波着陆系统( m l s ) 接收机的数字信号处理 反方位同跑道1 22 0 4 7 0 2 0 4 7 0 3 )0 0 l o 1 4 2 1 5 3 中心线的调整 保留1 6 1 5 4 1 6 9 奇偶校验1 7 1 7 旷1 7 6 注l ：奇偶校验位i ；o 到1 7 6 的选择应满足如下要求： 对于1 7 0 位 ( i l s + + 1 1 8 ) + 1 2 0 + 1 2 2 + 1 2 4 + 1 2 5 + 1 2 8 + 1 2 9 + 1 3 l + 1 3 2 + 1 3 3 + 1 3 5 + 1 3 6 + 1 3 8 + 1 4 i + 1 4 4 + 1 4 s + 1 4 6 + 1 5 0 + ( 1 5 2 + + 1 5 5 ) + 1 5 8 + 1 6 0 + i “+ 1 6 5 + 1 7 0 为偶数 对于1 7 l 位 ( i i 4 + + 1 2 0 ) + 1 2 l + 1 2 3 + 1 2 5 + 1 2 6 + 1 2 9 + 1 3 0 + 1 3 2 + 1