王崇輝　鄒鯤

摘 要： 著陸導航系統(tǒng)是飛機安全飛行的一個重要保障，機場電磁環(huán)境的惡化嚴重影響到飛機著陸引導安全。以儀表著陸系統(tǒng)為例，分析著陸引導的基本原理，給出了著陸引導過程中飛機接收信號的數(shù)學模型，并基于此模型提出了一種機場電磁環(huán)境的評估方法，最后利用計算機仿真驗證了該方法的有效性。

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

中圖分類號： TN965?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，將近60%的事故發(fā)生在下降、進近和著陸階段，為此航空界歷來格外重視飛機著陸安全問題。隨著全球化步伐的加快，機場的周邊電磁環(huán)境日益復雜，飛機著陸引導信號受到周邊電磁環(huán)境的影響越來越嚴重，嚴重威脅了飛機的著陸安全。因此在考慮機場建設和使用過程中，必須對機場電磁環(huán)境進行有效評估。

就目前所掌握的資料來看，國外對機場周邊電磁環(huán)境的評估工作處于起步階段，如文獻[1]采用了電磁數(shù)值計算的方法對機場周圍目標進行電磁散射建模，從而獲得飛機下滑軌跡上的電磁干擾特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對簡單目標進行評估。國內(nèi)目前對此問題的研究還處于理論研究階段，離實際應用還有一段距離[2]。

本文以儀表著陸系統(tǒng)為例，簡單分析了其工作原理，建立了飛機著陸過程中，理想下滑軌跡上的信號模型，采用了類似匹配濾波的方法，對信號沿下滑軌跡方向進行相干處理，提出了一種機場電磁環(huán)境的評估方法，并對該方法進行了計算機仿真，仿真結(jié)果表明，該方法可以正確評估機場周邊各種目標對著陸引導過程的影響。

1 著陸系統(tǒng)工作原理

進近著陸系統(tǒng)的一個主要功能就是在飛機進近著陸所經(jīng)過的空間內(nèi)建立適當?shù)碾姶艌霏h(huán)境，從而使得飛機在著陸過程中，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，并進行必要修正實現(xiàn)安全著陸。

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

2 著陸系統(tǒng)的電磁環(huán)境模型

在實際飛機著陸引導過程中，接收的信號并不一定都是來自航向臺的信號，如在機場周邊還建有其他的導航臺站，塔臺，停機坪等建筑物，則航向臺發(fā)射的信號中可能經(jīng)過這些目標反射到飛機上的接收天線處，從而造成接收信號發(fā)生畸變，即所謂的多徑效應。用一個簡單的幾何模型表述，如圖2所示。

圖中假定航向臺的位置為[A]點，[C]點為[t]時刻飛機的位置，[B]為機場周邊的一個反射目標。則[C]點處接收的信號存在兩條路徑：一條直接從[A]點到[C]點的直達波信號；另一條則是從[A]經(jīng)過[B]反射到達[C]點的間接信號，[C]點接收到的信號是這兩種信號的疊加。與直達波相比，多徑信號的傳播路徑差為：

式中：[λc]為載波波長。從式（5）可以分析位置為[dm，αm]的反射目標對接收信號的影響，它包括一個包絡延遲和一個相位因子，而相位是時間[t]的非線性函數(shù)，因此在不同時刻，這個相位因子也不同，從而導致接收的信號嚴重畸變。

3 著陸系統(tǒng)的電磁環(huán)境評估方法

對著陸系統(tǒng)的電磁環(huán)境評估，通常是利用飛機的校正飛行時獲取實際數(shù)據(jù)，并進行適當定性或定量分析獲得的。其目的是為了考察機場周邊建筑物是否對飛機著陸存在影響以及存在多大影響。通常假定飛機校正飛行過程中，飛機沿理想下滑線著陸。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]處的目標的反射信號的相位因子進行補償，再進行積分：endprint

式中：[K0]是一個積分常數(shù)，在通常條件下，可以從后面的仿真結(jié)果得到。包絡的延遲對積分結(jié)果影響并不大，因此在式（8）中忽略了包絡延遲[τm]隨時間[t]的變化。可以看出，積分后的結(jié)果包含兩個部分：第一項為第[m]個多徑信號，第二項為其他多徑信號的疊加。如果考慮到多徑相位[?m（t）]之間互不相關(guān)，則積分后對[um（τ）]的貢獻就可以忽略，這樣通過考察[um（τ）]的大小就可以判定第[m]個目標對接收信號的影響程度。

為了考察該算法的有效性，現(xiàn)對該算法進行仿真。這里不考慮目標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。同時考慮到關(guān)于跑道中心線對稱的目標對接收信號的影響相同，因此在仿真中僅考慮跑道同一側(cè)存在目標反射的情況。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，這里假定目標[B，][D]和[E]對[C]的接收信號有貢獻，且貢獻各不相同，而目標[X]對[C]的接收信號貢獻為0，則生成的信號如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著飛機靠近著陸點，接收信號的幅度變化越來越快，波形失真越來越嚴重，多徑效應越來越明顯，這是因為靠近著陸點附近，飛機運動的單位距離對相位[?m（t）]的影響變大，從而導致疊加后的幅度變化劇烈。而當飛機距離著陸點較遠時，多徑效應對接收數(shù)據(jù)的影響表現(xiàn)為緩變性質(zhì)。因此當飛機即將著陸過程中，受多徑效應的影響，飛機儀表顯示會劇烈抖動，這與圖1（b）顯示的實際結(jié)果是相符的。在靠近著陸點處，航向指針劇烈抖動，會嚴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個補償相位因子，分別對圖3中的接收信號進行積分，其歸一化結(jié)果如圖4所示。由目標[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)果比直達波略小，這是因為在積分過程中忽略了包絡延遲以及周圍目標的影響（即公式（8）第二項），[D]和[E]的反射系數(shù)比較小，因此積分結(jié)果的相應峰值功率也比較小，但均在-10 dB以上，而對于目標[X，]由于其反射系數(shù)為零，對回波數(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，只要獲得目標的反射系數(shù)，就可以實現(xiàn)對著陸導航系統(tǒng)的電磁環(huán)境評估。

該算法在實際應用中，首先根據(jù)考察機場周邊反射目標的分布情況，確定可疑目標集合，如仿真分析中的[B，][D，][E]和[X，]該集合中有的目標對多徑效應起主導作用，有的目標對多徑效應的影響可以忽略。然后測量集合中各目標的幾何位置，從而利用式（7）構(gòu)造相位補償因子，分別對接收數(shù)據(jù)進行積分處理，對積分結(jié)果進行比較，可以獲得相應目標對多徑效應影響的量化評估。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波信號功率25 dB的可以認為該目標對多徑效應無影響，而對于高于門限的目標，可以通過比較峰值功率的大小，確定不同目標對多徑效應的影響程度。

4 結(jié) 論

惡劣的著陸導航系統(tǒng)的電磁環(huán)境嚴重威脅了航空安全，對著陸導航系統(tǒng)電磁環(huán)境的評估是一項艱巨而復雜的系統(tǒng)工程。本文給出了一種基于匹配濾波算法的著陸導航系統(tǒng)電磁環(huán)境的評估方法，從計算機仿真結(jié)果來看，該方法不僅可以定性地研究機場周邊目標對著陸導航系統(tǒng)的影響，即目標影響的判決門限為-25 dB；還可以得到不同目標對該系統(tǒng)影響的量化結(jié)果，從而有效地實現(xiàn)對機場周邊電磁環(huán)境的評估。

在實際場景中，目標并非理想點目標，如塔臺，地面?？康娘w機等，因此式（7）并不準確，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，因此必須對可能的目標進行電磁散射建模[3]，獲得其在一定角度內(nèi)的反射系數(shù)。其次飛機下滑軌跡上，并不是一直存在嚴重的多徑效應問題，因此可以修改式（6）的積分區(qū)間，獲得各個不同下滑軌跡段上的電磁環(huán)境評估。

參考文獻

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