陳斌

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

微波著陸系統(tǒng)（Microwave Landing System，MLS）是一種精密引導(dǎo)進場著陸系統(tǒng)，目前已得到廣泛應(yīng)用。MLS通過實時測量飛機的方位角、仰角和距離確定飛機坐標，為進場著陸的飛機提供靈活多樣的進場引導(dǎo)、拉平引導(dǎo)和復(fù)飛引導(dǎo)，以保證飛機安全著陸。MLS除了能提供方位、仰角和距離引導(dǎo)信息外，還具有一個向飛機發(fā)播信息的地-空數(shù)據(jù)鏈路，其中涵蓋了地面設(shè)備功能識別、信號覆蓋范圍、最低下滑角、MLS臺站參數(shù)和機場信息等內(nèi)容。機載接收機在收到MLS地-空數(shù)據(jù)鏈路發(fā)播的數(shù)據(jù)后，將會用于處理角度、修改或調(diào)整接收機輸出量等功能，以提供給其它機載設(shè)備使用。所以確保MLS數(shù)據(jù)信號的正確產(chǎn)生就顯得十分重要。

本文介紹了一種 MLS數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生的方法，通過采用高性能的FPGA，在時鐘的同步下按一定格式產(chǎn)生不同功能的 MLS數(shù)據(jù)信號。該方法調(diào)試簡單、可靠性高，充分利用FPGA的工作特性，有效保證產(chǎn)生的MLS數(shù)據(jù)信號的正確性和完好性。

1 組成[1][3]

MLS數(shù)據(jù)信號包括：前導(dǎo)碼、基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字。

前導(dǎo)碼[3]是在 MLS信號整個覆蓋扇區(qū)范圍內(nèi)發(fā)播的用于識別其后隨信號功能的數(shù)據(jù)，包括載波捕獲時間、接收機基準時間碼和功能識別碼。

基本數(shù)據(jù)字[3]是由地面設(shè)備發(fā)播的與著陸引導(dǎo)系統(tǒng)工作直接有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括地面設(shè)備狀態(tài)信息、信號覆蓋范圍、最低下滑角、地面設(shè)備識別碼等內(nèi)容。

輔助數(shù)據(jù)字[3]是除基本數(shù)據(jù)以外，發(fā)播的供精確飛機位置計算使用的地面設(shè)備位置信息和其它補充信息的數(shù)據(jù)，包括地面設(shè)備位置信息、MLS數(shù)據(jù)點位置信息、跑道信息、場面風(fēng)速等內(nèi)容。

2 信號格式與發(fā)播時序

2.1 信號格式

MLS數(shù)據(jù)信號以射頻載波 DPSK調(diào)制的方式發(fā)播。DPSK是利用前后碼元之間載波相位的相對變化來傳遞信息的一種編碼方式。“0”碼由 0°±10°相移表示，“1”碼由 180°±10°相移表示，調(diào)制速率為15625 bit/s，每個碼元占一個時鐘脈沖，即每個碼元的寬度為64 μs。

2.2 發(fā)播時序

MLS信號發(fā)播是按周期進行的，其發(fā)播周期是一個最大為615 ms長的時間段，如圖1所示，其中包含了4個順序?qū)腿舾蓵r隙，每個順序?qū)χ信帕兄枰獔?zhí)行的各種角功能時隙和數(shù)據(jù)字時隙，如圖2所示。

MLS數(shù)據(jù)信號按照圖1和圖2的要求依次產(chǎn)生。角功能時，只產(chǎn)生前導(dǎo)碼即可。數(shù)據(jù)字功能時，則要產(chǎn)生前導(dǎo)碼、地址碼（僅限輔助數(shù)據(jù)字）、數(shù)據(jù)位和校驗位，其發(fā)播順序如圖3和圖4所示。

圖1 MLS順序?qū)ε帕信c全周期信號格式

圖2 全周期信號格式中的發(fā)播順序?qū)?/p>

圖3 基本數(shù)據(jù)字發(fā)播順序

圖4 輔助數(shù)據(jù)字發(fā)播順序

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 前導(dǎo)碼的設(shè)計

前導(dǎo)碼由載波捕獲時間、接收機基準時間碼和功能識別碼組成。

載波捕獲時間共占832μs，即13個碼元，通常按照全“0”碼發(fā)播。

接收機基準時間碼共占320μs，即5個碼元，其形式固定為11101。根據(jù)DPSK編碼方式，產(chǎn)生的信號波形如圖5所示。

功能識別碼共占448μs，即7個碼元，前5位是信息位，可提供多至31種功能識別，后2位是奇偶校驗位（滿足偶校驗）。MLS中，常用的功能識別碼如圖5所示。根據(jù)DPSK編碼方式，在圖5中給出了產(chǎn)生的信號波形。

圖5 接收機基準時間碼和功能識別碼

上述各信號均通過VHDL語言編程實現(xiàn)。

3.2 基本數(shù)據(jù)字的設(shè)計

基本數(shù)據(jù)字共有6個，每個字占45位，其中前25位是前導(dǎo)碼，最后2位是校驗位，中間18位是數(shù)據(jù)位。

根據(jù)《ICAO附件10》中的有關(guān)規(guī)定，要求18位數(shù)據(jù)位（I13～I30）的2位校驗位（I31～I32）滿足奇校驗，具體關(guān)系[3]如下：

I13+I14+I15+…+I29+I30+I31=ODD

I14+I16+I18+…+I28+I30+I32=ODD

將上述關(guān)系用VHDL語言進行描述，程序如下：

--計算校驗位I31

process(BDW_bit)

variable tmp1,tmp1n:std_logic;

begin

tmp1:='0';

for i in 0 to 17 loop

tmp1:=tmp1 xor BDW_bit(i);

tmp1n:=not tmp1;

end loop;

I31＜=tmp1n;

end process;

--計算校驗位I32

process(BDW_bit)

variable tmp2,tmp2n:std_logic;

begin

tmp2:='0';

for i in 0 to 8 loop

tmp2:=tmp2 xor BDW_bit(2*i+1);

tmp2n:=not tmp2;

end loop;

I32＜=tmp2n;

end process;

根據(jù)DPSK信號特點可知，每種碼元的第一位碼元都以前一種碼元的最后一位碼元作為調(diào)制基準，故基本數(shù)據(jù)字數(shù)據(jù)位的第一位碼元應(yīng)以相應(yīng)功能識別碼的最后一位碼元作為基準，而隨后的數(shù)據(jù)位碼元據(jù)此類推即可。同理，可產(chǎn)生校驗位的信號波形。使用VHDL語言編程實現(xiàn)相應(yīng)功能，部分程序如下：

--產(chǎn)生數(shù)據(jù)位第一位碼元

if BDW1(0)='1' then

DPSK_temp0＜=not FUNCCODE_BDW1(6);

DPSK＜=not FUNCCODE_BDW1(6);

if cnt＜63 then

cnt＜=cnt+1;

else

cnt＜=0;

w＜=13;

end if;

else

DPSK_temp0＜=FUNCCODE_BDW1(6);

DPSK＜=FUNCCODE_BDW1(6);

if cnt＜63 then

cnt＜=cnt+1;

else

cnt＜=0;

w＜=13;

end if;

end if;

3.3 輔助數(shù)據(jù)字的設(shè)計

輔助數(shù)據(jù)字分A、B和C三部分，每部分最多可達64個字，每個字占89位，其中前25位是前導(dǎo)碼，隨后8位是地址碼，最后7位是校驗位，中間49位是數(shù)據(jù)位。

根據(jù)《ICAO附件10》中的有關(guān)規(guī)定，要求8位地址碼（I13～I20）、49位數(shù)據(jù)位（I21～I69）的7位校驗位（I70～I76）滿足偶校驗，具體關(guān)系[3]如下：

（ I13+…+I18） +I20+I22+I24+I25+I28+I29+I31+I32+I33+I35+I36+I38+I41+I44+I45+I46+I50+（I52+…+I55）+I58+I60+I64+I65+I70=EVEN

（ I14+…+I19） +I21+I23+I25+I26+I29+I30+I32+I33+I34+I36+I37+I39+I42+I45+I46+I47+I51+（I53+…+I56）+I59+I61+I65+I66+I71=EVEN

（ I15+…+I20） +I22+I24+I26+I27+I30+I31+I33+I34+I35+I37+I38+I40+I43+I46+I47+I48+I52+（I54+…+I57）+I60+I62+I66+I67+I72=EVEN

（ I16+…+I21） +I23+I25+I27+I28+I31+I32+I34+I35+I36+I38+I39+I41+I44+I47+I48+I49+I53+（I55+…+I58）+I61+I63+I67+I68+I73=EVEN

（ I17+…+I22） +I24+I26+I28+I29+I32+I33+I35+I36+I37+I39+I40+I42+I45+I48+I49+I50+I54+（I56+…+I59）+I62+I64+I68+I69+I74=EVEN

（ I13+…+I17） +I19+I21+I23+I24+I27+I28+I30+I31+I32+I34+I35+I37+I40+I43+I44+I45+I49+（I51+…+I54）+I57+I59+I63+I64+I69+I75=EVEN

I13+I14+…+I68+I69+I70+I71+I72+I73+I74+I75+I76=EVEN

將上述關(guān)系用VHDL語言進行描述，由于產(chǎn)生I70～I75的程序類同，這里僅給出產(chǎn)生I70、I76的程序，具體如下：

--計算校驗位I70

process(ADW_bit)

begin

I70＜=ADW_bit(0) xor ADW_bit(1) xor ADW_bit(2) xor ADW_bit(3)

xor ADW_bit(4) xor ADW_bit(5) xor ADW_bit(7) xor ADW_bit(9)

xor ADW_bit(11) xor ADW_bit(12) xor ADW_bit(15) xor ADW_bit(16)

xor ADW_bit(18) xor ADW_bit(19) xor ADW_bit(20) xor ADW_bit(22)

xor ADW_bit(23) xor ADW_bit(25) xor ADW_bit(28) xor ADW_bit(31)

xor ADW_bit(32) xor ADW_bit(33) xor ADW_bit(37) xor ADW_bit(39)

xor ADW_bit(40) xor ADW_bit(41) xor ADW_bit(42) xor ADW_bit(45)

xor ADW_bit(47) xor ADW_bit(51) xor ADW_bit(52);end process;

--計算校驗位I76

process(ADW_bit)

variable tmp3:std_logic;

begin

tmp3:='0';

for i in 0 to 56 loop

tmp3:=tmp3 xor ADW_bit(i);

end loop;

I76_temp＜=tmp3;

end process;

I76＜=I76_temp xor I70 xor I71 xor I72 xor I73 xor

I74 xor I75;

輔助數(shù)據(jù)字地址碼、數(shù)據(jù)位以及校驗位的信號波形產(chǎn)生原理與基本數(shù)據(jù)字相同，這里不再贅述。

3.4 數(shù)據(jù)字發(fā)播控制的設(shè)計

在圖1所示的全周期信號格式中，通常會指定基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字的發(fā)播位置，該位置稱之為數(shù)據(jù)字時隙，即基本數(shù)據(jù)字時隙和輔助數(shù)據(jù)字時隙。每個數(shù)據(jù)字時隙發(fā)播哪一個數(shù)據(jù)字由用戶指定，將正確的數(shù)據(jù)字內(nèi)容填入相應(yīng)數(shù)據(jù)字時隙是確保數(shù)據(jù)字發(fā)播正確的基礎(chǔ)。下面就如何將數(shù)據(jù)字內(nèi)容正確的填入相應(yīng)數(shù)據(jù)字時隙進行介紹?；緮?shù)據(jù)字共有6個，種類少、便于實現(xiàn)，只需對當前數(shù)據(jù)字時隙的指定標識進行判斷，就可將正確的基本數(shù)據(jù)字內(nèi)容填入數(shù)據(jù)字時隙。具體程序如下：

--功能識別碼和數(shù)據(jù)字內(nèi)容選擇

process(NUM_BDW)

begin

case NUM_BDW is

when＂001＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂0110000

BDW ＜= BASICDW1;

when＂010＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂0101000

BDW ＜= BASICDW2;

when＂011＂=＞FUNCCODE_BDW＜=＂1100000

BDW ＜= BASICDW3;

when＂100＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂1111000＂;＂;＂;＂;

BDW ＜= BASICDW4;

when＂101＂=＞FUNCCODE_BDW＜=＂1001000＂;

BDW ＜= BASICDW5;

when＂110＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂0001001＂;

BDW ＜= BASICDW6;

when others =＞ null;

end case;

end process;

輔助數(shù)據(jù)字共3類，每類包括64個，涉及種類較多。將正確的輔助數(shù)據(jù)字內(nèi)容填入數(shù)據(jù)字時隙主要需進行以下工作：

（1）功能識別碼選擇；

（2）地址碼選擇；

（3）數(shù)據(jù)位選擇等。

由于程序較長，這里不再逐一介紹。

綜上，產(chǎn)生基本數(shù)據(jù)字信號波形的流程如圖6所示。產(chǎn)生輔助數(shù)據(jù)字信號波形的流程如圖7所示。

圖6 基本數(shù)據(jù)字信號波形產(chǎn)生流程

圖7 輔助數(shù)據(jù)字信號波形產(chǎn)生流程

4 設(shè)計應(yīng)用

本文所介紹的 MLS數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)方法，目前已應(yīng)用于工程實際。

圖8 HAZ前導(dǎo)碼的信號波形圖

圖9 EL前導(dǎo)碼的信號波形圖

高速率進近方位（HAZ）前導(dǎo)碼的信號波形如圖8所示。進近仰角（EL）前導(dǎo)碼的信號波形如圖9所示。基本數(shù)據(jù)字（BD）的信號波形如圖10所示。輔助數(shù)據(jù)字（AD）的信號波形如圖11所示。

圖10 BD的信號波形圖

圖11 AD的信號波形圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計實現(xiàn)的 MLS數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生方法原理簡單、易于實現(xiàn)、精度高、可靠性好，目前已在某型無線電導(dǎo)航設(shè)備中得到了應(yīng)用。通過外場試驗，證明該方法能有效保證產(chǎn)生的 MLS數(shù)據(jù)信號的正確性和完好性。

[1] 周其煥, 魏雄志, 崔紅躍. 微波著陸系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1992.

[2] 弋沛琦, 高瑞乾, 劉石源. 飛機著陸系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報, 2005（4）.

[3] 國際民用航空組織.國際標準和建議措施：航空電信（國際民用航空公約附件 10 第一卷 第四版）[S]. 中國民用航空局航行司譯. 北京：北京民用航空局, 1988.

[4] 王振紅. VHDL數(shù)字電路設(shè)計與應(yīng)用實踐教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2006.