，

(1．西安培華學(xué)院智能科學(xué)與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710125； 2. 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077；3. 西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不斷向信息化方向轉(zhuǎn)變與深入，電子對(duì)抗技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。電子對(duì)抗技術(shù)包括干擾技術(shù)與干擾抑制技術(shù)兩大核心內(nèi)容，由于電子干擾性價(jià)比高，在現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

導(dǎo)航中的電子對(duì)抗又稱為導(dǎo)航對(duì)抗，導(dǎo)航干擾的研究與應(yīng)用起始于衛(wèi)星導(dǎo)航[5-6]，由于在導(dǎo)航中采用了信息冗余的方法來確保運(yùn)載體的安全，因此，針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航之外的其他導(dǎo)航手段的干擾問題也得到了廣泛關(guān)注[7-15]。小功率干擾具有體積小、重量輕、投放方便、不易被發(fā)現(xiàn)、工作時(shí)間長(zhǎng)、電磁干擾區(qū)域可控等優(yōu)勢(shì)，小功率干擾技術(shù)成為了最近研究的熱點(diǎn)問題。本文以儀表著陸系統(tǒng)(ILS)為研究對(duì)象，定量分析小功率干擾對(duì)其著陸引導(dǎo)性能的影響，為ILS在干擾環(huán)境下的效能評(píng)估提供參考。

1 ILS航向引導(dǎo)原理

儀表著陸系統(tǒng)由地面設(shè)備與機(jī)載設(shè)備組成，地面設(shè)備包括航向信標(biāo)、下滑信標(biāo)以及指點(diǎn)信標(biāo)，依靠頻率區(qū)分，通過特殊方向圖形成要求的場(chǎng)型，機(jī)載設(shè)備通過測(cè)量接收的航向信號(hào)的調(diào)制度差(DDM)獲取運(yùn)載體偏離跑道中心延長(zhǎng)線的信息，測(cè)量接收的下滑信號(hào)的DDM獲取運(yùn)載體偏離下滑線的信息?？紤]到ILS的航向引導(dǎo)與下滑引導(dǎo)工作原理的相似性，這里僅分析航向引導(dǎo)的工作原理。

航向信標(biāo)工作頻率為108.1～111.95 MHz，由信標(biāo)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的平均功率為15 W的載波加邊帶(CSB)信號(hào)與平均功率為0.12～1.8 W的純邊帶(SBO)信號(hào)，作用于由天線分配網(wǎng)絡(luò)與對(duì)數(shù)周期天線陣組成的場(chǎng)型形成單元，形成要求的場(chǎng)型。天線分配網(wǎng)絡(luò)按一定規(guī)律分別對(duì)CSB信號(hào)與SBO信號(hào)的幅度與相位進(jìn)行分配，并將分配后的信號(hào)送到8元對(duì)數(shù)周期天線陣，由對(duì)數(shù)周期天線陣向空間輻射。

CSB信號(hào)是一個(gè)90 Hz與150 Hz的復(fù)合調(diào)制信號(hào)，為載波加邊帶信號(hào)，其表達(dá)式為：

SCSB(t) =Am(1+A90sinΩ90t+A150sinΩ150t)sinωt

=Am(1+msinΩ90t+msinΩ150t)sinωt

(1)

Am為CSB信號(hào)的幅度；m為信號(hào)調(diào)制度；ω為與射頻對(duì)應(yīng)的角頻率；Ω90，Ω150分別為與90 Hz與150 Hz正弦信號(hào)對(duì)應(yīng)的角頻率。 SBO信號(hào)也是一個(gè)90 Hz與150 Hz的復(fù)合調(diào)制信號(hào)，為純邊帶信號(hào)，其表達(dá)式為：

SSBO(t) =A'm(A'90sinΩ90t-A'150sinΩ150t)sinωt

=A'm(m' sinΩ90t-m' sinΩ150t)sinωt

(2)

m'為SBO信號(hào)的調(diào)制度；A'm為SBO信號(hào)的幅度；其余變量與上同。經(jīng)天線分配網(wǎng)絡(luò)，由對(duì)數(shù)周期天線陣輻射CSB與SBO信號(hào)的方向性函數(shù)為：

FCSB(θ) =F(θ)[cos(3π/8)sinθ)+

0.363cos(9π/8)sinθ)+0.143cos(15π/8)sinθ)-

0.055cos(21π/8 sinθ)]=F(θ)F'CSB(θ)

(3)

FSBO(θ) =F(θ)[sin(3π/8)sin(θ)+

0.89sin(9π/8)sin(θ)+0.7sin(15π/8) sin(θ)+

0.415 sin(21π/8)sin(θ)]=F(θ)F'SBO(θ)

(4)

F(θ)為單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線方向性函數(shù)。

F'CSB(θ)與F'SBO(θ)的方向圖如圖1所示，由圖可見，F(xiàn)'CSB(θ)在θ=0°時(shí)有最大值，其值為1.45，F(xiàn)'SBO(θ)在θ=±18°時(shí)有最大值，其值為2.07，F(xiàn)(θ)為單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線的方向函數(shù)，單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線的增益為5～12 dB。根據(jù)上述饋電關(guān)系，結(jié)合單個(gè)對(duì)數(shù)周期天線的增益，8單元對(duì)數(shù)周期陣列天線對(duì)CSB信號(hào)的增益為8.2～14.2 dB，對(duì)SBO信號(hào)的增益為11.3～18.3 dB。

圖1 方向圖

儀表著陸系統(tǒng)的航向機(jī)載接收機(jī)對(duì)航向臺(tái)輻射的CSB信號(hào)與SBO信號(hào)在空間合成的信號(hào)進(jìn)行接收處理(包括包絡(luò)檢波、90 Hz與150 Hz濾波)，得到90 Hz與150 Hz信號(hào)的幅度，并依據(jù)該幅度信息，計(jì)算DDM，從而獲取飛機(jī)偏離跑道中心延長(zhǎng)線的水平角度信息。DDM的定義為：

DDM=m90-m150

(5)

由式(1)～(4)以及式(5)可得到下式：

(6)

m′為SBO信號(hào)的調(diào)制度；Am，A'm分別為CSB信號(hào)與SBO信號(hào)的幅度；FCSB(θ)，F(xiàn)SBO(θ)分別為陣列天線對(duì)CSB信號(hào)與SBO信號(hào)的方向函數(shù)。

在著陸引導(dǎo)過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量的DDM值以十字指針偏離顯示器中心的形式顯示。當(dāng)DDM=0時(shí)，說明運(yùn)載體在跑道中心延長(zhǎng)線上，指針顯示在顯示器的中心；當(dāng)DDM≠0時(shí)，說明運(yùn)載體偏離跑道中心延長(zhǎng)線，顯示的指針也會(huì)偏離顯示器中心。飛行員依據(jù)指針的顯示位置，實(shí)時(shí)調(diào)整飛行方向，直到指針與顯示器中心重合，實(shí)現(xiàn)安全飛行與著陸。

2 干擾對(duì)ILS性能影響分析

干擾對(duì)ILS引導(dǎo)性能的影響可由DDM的誤差來表示，下面分析航向信號(hào)受到調(diào)幅波信號(hào)干擾時(shí)DDM的變化情況。

接收機(jī)接收的有用信號(hào)可表示為：

SS(t)=k1(FCSB(θ)Am(1+msinΩ90t+msinΩ150t) ±

FSBO(θ)A'm(m'sinΩ90t-m'sinΩ150t)sinωt

(7)

k1為傳播衰減因子；其余變量與上同。接收到的干擾信號(hào)為：

si(t)=k2Ai(1+misin(Ω90t+φ1))sin(ωt+φ2)

(8)

Ai為發(fā)射的調(diào)幅干擾信號(hào)的幅度；mi為調(diào)幅干擾的調(diào)制度；φ1，φ2分別為調(diào)制信號(hào)與已調(diào)射頻信號(hào)的初始相位；k2為傳播衰減因子。

對(duì)疊加的有用信號(hào)與干擾信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，并考慮有用信號(hào)功率比干擾信號(hào)大，可得到90 Hz與150 Hz信號(hào)的近似調(diào)制度為：

(9)

(10)

測(cè)量的DDM值由下式?jīng)Q定。

(11)

由上式可見，干擾將使得DDM的測(cè)量值與真實(shí)值產(chǎn)生較大誤差，顯示器指針偏離不能真實(shí)反應(yīng)飛機(jī)偏離跑道情況。特別是飛機(jī)在跑道中心線上飛行時(shí)，測(cè)量的DDM不等于0，而偏離跑道中心線飛行時(shí)反而測(cè)量的DDM會(huì)等于0，無法保障安全飛行。

3 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述分析結(jié)果的正確性以及干擾源的功率、投放位置等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)DDM的影響，用計(jì)算機(jī)對(duì)幾種典型情況進(jìn)行仿真分析。

由式(11)可知，影響DDM的參量有有用信號(hào)與干擾信號(hào)傳播衰減因子k1，k2，陣列天線的CSB與SBO信號(hào)方向函數(shù)FCSB(θ)，F(xiàn)SBO(θ)，發(fā)射機(jī)輸出的CSB信號(hào)、SBO信號(hào)以及干擾信號(hào)的幅度Am，A'm與Ai，SBO信號(hào)與干擾信號(hào)的調(diào)制度m'，mi，以及初始相位φ1，φ2等。其中FCSB(θ)，F(xiàn)SBO(θ)由式(3)、(4)確定，F(xiàn)(θ)取10 dB，Am，A'm以及m'為已知量，典型值分別為A'm=1,m'=0.2，設(shè)mi=1，φ1，φ2為隨機(jī)量，仿真中取幾種極限情況，即cosφ1=1,cosφ2=1；cosφ1=-1,cosφ2=-1以及cosφ1=1，cosφ2=-1和cosφ1=-1，cosφ2=1。Ai為參變量，k1，k2由下式?jīng)Q定。

(12)

(13)

λ為工作波長(zhǎng)，取300 m，其余參數(shù)如圖2所示。

圖2 運(yùn)載體航向信標(biāo)與干擾源幾何關(guān)系

考慮到場(chǎng)地環(huán)境以及建筑物對(duì)干擾信號(hào)的遮擋，干擾器一般投放在比較空曠的機(jī)場(chǎng)附近，因此，下面以干擾功率為參變量，對(duì)干擾器分別投放在離航向臺(tái)500 m，1 000 m以及3 000 m的跑道中心線附近的三種情況進(jìn)行仿真。

干擾器放置在距航向臺(tái)500 m的跑道中心線附近位置的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可見：第一，干擾功率為0.25 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為2°，干擾功率為1 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為4°，干擾功率為2.25 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為7°，干擾功率為4 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為10°。即干擾功率越大，偏離程度越遠(yuǎn)；第二，由于隨機(jī)相位的影響，偏離角度也是隨機(jī)值，這里給出的值為極限值。例如，當(dāng)干擾信號(hào)功率為4 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度在±10°以內(nèi)；第三，仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干擾信號(hào)功率大于6 W時(shí)，在40 km范圍內(nèi)，有可能出現(xiàn)DDM不等于0的情況。這就意味著，不管飛行員如何調(diào)整飛行方向，十字指針將無法與顯示屏中心重合。將導(dǎo)致ILS著陸引導(dǎo)失效。

圖3 r=500 m時(shí)干擾信號(hào)功率

干擾放置在距航向臺(tái)1 000 m的跑道中心線附近位置的仿真結(jié)果如圖4所示，DDM的變化規(guī)律與上基本相同，干擾功率為0.25 W時(shí),DDM為0偏離跑道中心線的角度為2°；干擾功率為1 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為4°；干擾功率為2.25 W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為7°；干擾功率為4W時(shí)，DDM為0偏離跑道中心線的角度為10°。另外，干擾功率為4 W時(shí)，在3 km以內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)DDM不等于0的情況，當(dāng)干擾信號(hào)功率大于6 W時(shí)，在40 km范圍內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)DDM不等于0的情況。與上圖不同之處，在3～5 km區(qū)間，DDM變化較大，這將引起飛行出現(xiàn)較大抖動(dòng)。

圖4 r=1 000 m時(shí)干擾信號(hào)功率

干擾放置在距航向臺(tái)3 000 m的跑道中心線附近位置的仿真結(jié)果如圖5所示。變化規(guī)律與上同，在3～5 km區(qū)間，DDM變化更加劇烈。且當(dāng)干擾信號(hào)功率大于4 W時(shí)，在40 km范圍內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)DDM不等于0的情況。

圖5 r=3 000 m時(shí)干擾信號(hào)功率

4 結(jié)束語

ILS的正常作用距離為40 km，通過理論分析與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)該系統(tǒng)在調(diào)幅體制的干擾環(huán)境下工作時(shí)，即使干擾源的功率很小，ILS在正常引導(dǎo)區(qū)域以內(nèi)的著陸引導(dǎo)性能將會(huì)受到較大影響，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，在干擾源的影響下，DDM=0會(huì)偏離跑道中心延長(zhǎng)線，且功率越大，偏離越多，甚至?xí)霈F(xiàn)沒有DDM=0的情況，即引導(dǎo)失效；第二，干擾源投放在距離航向臺(tái)3 km的跑道中心延長(zhǎng)線附近時(shí)，在3～5 km區(qū)間，DDM會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，對(duì)判決點(diǎn)影響非常明顯，對(duì)于采用自動(dòng)著陸的運(yùn)載體會(huì)導(dǎo)致運(yùn)載體無法自動(dòng)著陸。由此可見，調(diào)幅體制干擾對(duì)ILS性能影響明顯，要改善其引導(dǎo)性能，必須采取相應(yīng)的干擾抑制技術(shù)。