CN103900615B - 一种微波着陆模拟器计量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波着陆计量装置和系统，所述微波着陆计量装置与塔康模拟器计量装置设计为一体，所述微波着陆计量装置采用射频技术实现直接采集地面台的微波着陆计量装置发送的射频信号；所述系统包括频率检定模块、射频输出电平检定模块、偏转角度检定模块等模块，实现微波着陆装置的校准。

Description

一种微波着陆模拟器计量方法及装置

技术领域：

该发明属于无线电近距导航技术领域，具体涉及一种微波着陆模拟器的计量方法及装置。

背景技术：

仪表着陆系统（ILS）是在第二次世界大战后出现并得以应用的。1948年，ILS被国际民航组织（ICAO）采纳为飞机进近着陆引导的标准设备，至今已有40多年的历史，目前在类和类仪表进近方面正在充分地发挥着它的效能，在个别设施完备的机场，ILS也能提供精密进近和自动着陆引导。它为世界范围的航空事业，尤其是民用航空事业的发展作出了卓越的贡献，而且在今后的一段时期内仍将如此。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，ILS在某些方面暴露出了本身的缺点和局限性。

仪表着陆系统的局限性首先来自它只能提供单一而又固定的下滑道。其次还来自它所采用的工作频率，随着各地调频无线电台的增加和升级，处于其低频段的ILS航向台的工作频率会受到调频台信号的干扰。此外，从使用上来看，ILS的航向台和下滑台成对提供至多40个有用频道。在某些空中交通比较繁忙的机场和地区，频道拥挤问题已变得日益显著。

ILS在技术上和使用上所存在的局限性已不是它自身能够克服的了，这使得微博着陆系统（MLS）得以迅速的发展。到1975年，美国向国际民航组织提出了它的时基扫描波束（TRSB）微波着陆系统。其他几个国家也同时提出了他们各自的方案。在1978年4月召开的全天候飞行专业会议上达成协议，确认时基扫描波束（TRSB）为MLS的标准技术。

时基扫描波束微波着陆系统与仪表着陆系统在使用特色上同为非目视进近和着陆引导设备，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MLS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。

微波着陆系统（MLS）是新一代飞机精密引导着陆系统，为等待着陆的飞机提供方位、仰角和距离信息。它是一种工作在C波段的机上导出引导数据的自助式进场着陆系统，其引导精度是飞机安全着陆的关键因素。然而系统在工作的过程中，由于附近障碍物对电磁波的散射作用，会产生多路径效应，尤其当表面比较光滑时，多路径效应比较严重，使得机上接收到的微波信号发生变形，从而导致解算出的位置信息偏离实际飞机位置，降低了系统引导精度。而且，MLS系统对多路径干扰的影响比对现在正在使用的仪表着陆系统更为敏感，所以地面设备的测试尤为重要。

发明内容：

飞机近距导航检测设备是用于机载导航系统测试与故障隔离的专用设备，其性能指标是否准确一致关系到飞行安全，意义重大。为了解决现有技术中的不足，本发明需要解决飞机近距导航检测设备的计量校准问题，提出的计量方法及装置能够确保飞机近距导航检测设备的性能指标准确，解决该类专用设备无法计量校准的问题。

微波着陆系统(MLS)基于时基扫描波束（TRSB）技术，对于飞机相对跑道位置数据采用空中导出方法。所谓空中导出，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。

MLS地面设备的基本格局由方位制导设备、仰角制导设备和精密测距仪以及基本数据传送系统组成。方位制导和仰角制导统称为角度制导，这是实现MLS功能的主体。在扩展格局中，可以有选择地增加其他功能，如增设复飞和飞机离场时的反方位制导、拉平制导、增宽方位制导扇区和增加辅助数据传送系统。

1、角度制导信号格式

（1）前导信号

前导信号包括三部分：载波截获段、接收机基准时间码和功能识别码。载波截获段中有段同步头，是一段未经调整的纯载波，在这段时间内发射载波频率的连续波（CW），接着是用差分相移键控（DPSK）调制的编码，共占832微秒。接收机基准时间码即同步码，采用5位巴克码，其形式固定为11101，其功能是使接收机产生一个基准时间。各个功能格式中的其他码均严格按照基准时间而产生。基准时间码末位即1.088毫秒作为同步的基准时间，机载接收机必须与此基准时间同步。功能识别码的作用是说明下一步所要收到的时隙的功能是什么，共占用7个比特。

（2）扇区信号

对于不同的功能来说，扇区信号的内容也有所不同。对方位制导功能而言，有地面设备识别码、机载天线选择脉冲、覆盖区外指示（OCI）信号和接收机处理器检查脉冲。而仰角制导功能除前导信号外没有后继的扇区信号或在扇区信号中仅有覆盖区外指示（OCI）信号。

（3）方位制导的扫描波束工作情况

地面的方位台天线产生一个垂直方向较窄的扇形波束，在比例覆盖区内进行往返扫描，从而实现角度测量。在天线进行往扫前，前导信号已使接收机处于准备就绪状态。往扫描和返扫描之间一个固定的600微秒停歇时间。“往”和“返”扫描要保持时间上和空间上的准确性和对称性。保持时间上的准确，是为了保证角度测量的准确性。扫描的对称性是根据扫描角度的中点与扫描时间中点所对应的位置达到重合而得到的，其容差不得大于±10微秒。

（4）余隙制导信号

在MLS制导信号中，除了比例制导的扫描制导信号外，还有一种由余隙天线发射的余隙制导信号。对任何方位比例制导范围小于±40°的方位台，要求提供余隙制导信号，来获得相应的制导信息。在余隙制导区域中，方位制导并不与飞机相对于进近路线的角偏离成比例，而是一个满刻度的指示，以告诉进近飞机应该右飞或左飞从而进入比例制导覆盖区。

余隙信号由4个脉冲组成。余隙脉冲位于方位功能的扫描周期内，与“往”和“返”扫描脉冲相邻。

（5）仰角制导

仰角制导与方位制导的情况是大致相同的。仰角台用与方位台同样的测角原理来得到进近飞机的仰角。仰角扫描重发率采用每秒39次，是方位扫描重发率每秒13次的3倍。这是因为飞机对俯仰控制的响应要比方位控制变化快3倍。

2、角位置计算

根据TRSB技术，飞机所处的角位置是在机载接收机接收到地面角度制导天线发射的两次扫描波束后，通过测得这两个波束之间的时间差而得到的。简单的说，MLS的地面设备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，“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。机载接收机在接收到“往”和“返”两次扫描波束后，测定其时间差，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，由此得到飞机在空中所处的角位置。

设备重要参数测量方法

（1） 频率检定

对波道号为500的射频输出频率进行检定。

（2）射频输出电平检定

对0Hz Span状态时的前导码处的电平值进行检定。

检定条件为，将设备设置为连续工作模式。

（3）偏转角度检定

检定往扫描波束脉冲和返扫描波束脉冲的时间间隔。

检定条件为，方位工作模式时，分别设置方位偏转模式为中心、左满偏和右满偏时进行检定；仰角工作模式时，分别设置仰角偏转模式为中心、上满偏和下满偏时进行检定。

（4）前导码电平检测

对角度制导信号前导码部分的电平进行检定。

（5）波束电平检定

检定扫描波束的电平相对前导码电平的电平值。

（6）仰角波束宽度检定

对扫描波束宽度进行检定。

检定条件为，设置为仰角工作模式。

（7）方位波束宽度检定

对扫描波束宽度进行检定。

检定条件为，设置为方位工作模式。

（8）高速方位波束宽度检定

对扫描波束宽度进行检定。

检定条件为，设置为高速方位工作模式。

（9）反方位波束宽度检定

对扫描波束宽度进行检定。

检定条件为，设置为反方位工作模式。

（10） 扫描波束角度精度检测

对扫描角度的中点和扫描时间的中点的重合度进行检定。

（11） 余隙脉冲电平检测

对余隙脉冲的电平进行检测。

（12） 余隙脉冲宽度检测

对余隙脉冲宽度进行检测。

附图说明：

图1为本发明的塔康模拟器和微波着陆模拟器的合成计量装置结构框图；

图2为本发明的微波着陆模拟器计量装置的结构框图；

图3为本发明装置微波着陆模拟器计量装置采集到的信号波形。

具体实施方式：

以下内容将结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

在现有技术中的检定装置是通过对未调制的视频信号进行分析，从而确定检测设备合格与否。在微波着陆系统中，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，飞机接收并处理后得到其所在空间的角位置数据。因此直接采集射频信号也能有效的规避其他影响，更直观的反映信号本身所表征的数据含义。

基于以上分析，基于射频信号的设备信号采集方法可避免对视频信号的依赖，更加直观准确的反映仪器性能。

本发明的装置引入了射频技术，借助NI RF矢量信号分析仪PXIe-5663，实现了直接采集地面台模拟器发送的射频信号。

参见图1，该发明的装置基于PXI总线技术，待测设备包括塔康测试设备和微波着陆测试设备，是一个合成的计量装置。其中塔康模拟器的计量装置包括低噪功率放大器（PXI-5691）（图1中未示出）、射频上变频器（PXI-5670）、射频下变频器（PXI-5601）、任意波形信号发生器，导航信号处理器、射频功率放大器及专用电缆六部分。其中，导航信号处理器包括数字化仪器（PXI-5622）和混频信号发生器（PXI-5652）。

参见图1，所述射频功率放大器将输入5dBm脉冲信号放大至500W，所述系统包括输入隔离器、大功率射频放大电路、环形器、输出隔离器、限幅器、电源和射频开关；射频信号经过输入隔离器后，进入所述大功率射频放大电路，射频放大电路将信号放大到500W后经过输出隔离器输入到环形器，信号从环形器的输出端输出至限幅器，之后再进入射频开关后输出射频信号。所述电源为大功率射频放大电路和射频开关提供电压。

参见图2，而该发明的微波着陆模拟器计量装置基于PXI总线技术，包括低噪功率放大器、射频下变频器（使用频段为5.5GHz）、导航信号处理器（数字化仪、混频信号发生器）、喇叭、天线。

其中所述射频下变频器用于将接收的方位信号变频到中频通道上；数字化仪用于处理经过变频的导航信号，包括方位和距离信号。

微波着陆计量装置只工作在接收模式下：

接收信号过程：微波着陆模拟器的计量是基于空馈方式，即无线方式。信号由微波着陆模拟器（被测设备）天线发射，由计量装置的喇叭天线接收，然后输入到低噪功率放大器（PXI-5691）的输入端，低噪功率放大器的输出端接入射频下变频（PXI-5601）的输入端（RF IN），混频信号发生器（PXI-5652）的RF OUT端连接射频下变频器的LO IN端，用于提供本振参数，射频下变频器的输出端IF OUT（变频的原理是：输入信号-混频信号=输出信号）接入数字化仪（PXI-5622）的IF IN端，PXI-5652和PXI-5622之间连接着一根同步线，用于时钟同步。

即：微波着陆计量装置与塔康模拟器计量装置的主要区别有三点：一是使用硬件不一样，不需要上变频器和微波信号发生器，二是工作频段不一样，微波着陆使用频段是5.5GHz，三是软件模块功能不同。

本发明采用虚拟仪器技术，使用PXI总线搭建检定系统，使用LabVIEW开发工具编制自动检定软件。利用PXI技术，把模块化硬件集成为一个系统，用计算机实现对底层硬件设备的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的误差。其中，微波着陆设备计量检定平台是重要部分，根据检定需求设备检定流程，并编制LabVIEW检定程序，实现设备性能参数的检定和参数检定报告的自动生成，用计算机程序代替检定人员，实现自动检定，提高检定的质量和效率。

微波着陆模拟器的计量系统包括以下模块：

频率检定模块：对波道号为500的射频输出频率进行检定；

射频输出电平检定模块：对0Hz Span状态时的前导码处的电平值进行检定；检定条件为，将设备设置为连续工作模式。

偏转角度检定模块：检定往扫描波束脉冲和返扫描波束脉冲的时间间隔。

检定条件为，方位工作模式时，分别设置方位偏转模式为中心、左满偏和右满偏时进行检定；仰角工作模式时，分别设置仰角偏转模式为中心、上满偏和下满偏时进行检定。

前导码电平检测模块：对角度制导信号前导码部分的电平进行检定。

波束电平检定模块：检定扫描波束的电平相对前导码电平的电平值；

仰角波束宽度检定模块：对扫描波束宽度进行检定。检定条件为，设置为仰角工作模式。

方位波束宽度检定模块：对扫描波束宽度进行检定。检定条件为，设置为方位工作模式。

高速方位波束宽度检定模块：对扫描波束宽度进行检定；检定条件为，设置为高速方位工作模式。

反方位波束宽度检定模块：对扫描波束宽度进行检定；检定条件为，设置为反方位工作模式。

扫描波束角度精度检测模块：对扫描角度的中点和扫描时间的中点的重合度进行检定。

余隙脉冲电平检测模块：对余隙脉冲的电平进行检测。

余隙脉冲宽度检测模块：对余隙脉冲宽度进行检测。

其他公共模块：

信源编码和解码模块：

信源编码主要用于数据的压缩，以利于后续的传输。常见的信源编码算法包括JPEG压缩，zip（LZ77和哈夫曼编码算法的结合），MP3和MPEG-2等。

信道编码和解码模块：

和信源编码不同，信道编码可以加入或改写数据位，以便于减少信道传输中噪声和衰减带来的影响，解码后获得更好的原始传输信号。

上述实例用来说明本发明，而不是对其进行限制。在本发明的权利要求保护范围内，任何对对本发明的修改都落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种微波着陆模拟器计量装置，其特征在于，所述微波着陆计量装置与塔康模拟器计量装置设计为一体，所述微波着陆计量装置采用射频技术实现直接采集地面台的微波着陆计量装置发送的射频信号，用于实现微波着陆信号的校准，包括航向信号，下滑信号、俯仰信号；

所述一体的计量装置是基于PXI总线技术设计的，所述装置包括低噪放大器、射频上变频器、射频下变频器、任意波形信号发生器，导航信号处理器、射频功率放大器及专用电缆六部分；其中，导航信号处理器包括数字化仪器和混频信号发生器，所述数字化仪器和混频信号发生器之间连接同步线用于时钟同步；

所述微波着陆计量装置只包括其中的低噪功率放大器、射频下变频器、导航信号处理器、喇叭和天线；

信号由微波着陆模拟器天线发射，由计量装置的喇叭天线接收，然后输入到低噪功率放大器的输入端，低噪功率放大器的输出端接入射频下变频器的射频输入端RF-IN，混频信号发生器的射频输出端RF OUT连接射频下变频器的本振输入端LO-IN，用于提供本振参数，射频下变频器的中频信号输出端IF OUT接入数字化仪器的中频信号输入端IF-IN。

2.根据权利要求1所述的微波着陆模拟器计量装置，其特征在于，所述射频下变频器的使用频段为5.5GHz。

3.根据权利要求1所述的微波着陆模拟器计量装置，其特征在于，所述微波着陆计量装置只工作在接收模式下，微波着陆模拟器的计量是基于空馈方式，即无线方式。

4.一种微波着陆计量系统，所述系统应用于权利要求1-3所述的装置中，所述系统包括以下模块：频率检定模块、射频输出电平检定模块、偏转角度检定模块、前导码电平检测模块、波束电平检定模块、仰角波束宽度检定模块、方位波束宽度检定模块、高速方位波束宽度检定模块、反方位波束宽度检定模块、扫描波束角度精度检测模块、余隙脉冲电平检测模块、余隙脉冲宽度检测模块。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括公共模块：信源编码和解码模块、信道编码和解码模块。