CN107728101A - 微波着陆模拟器角精度标校方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波着陆模拟器角精度标校方法，通过测量微波着陆模拟器输出载波信号的相位噪声及数据信号的EVM特性，计算得到扫描信号的信噪比，在微波着陆模拟器输出基准功率方位角、仰角精度测量基础上，基于微波着陆角精度分析理论，实现了微波着陆模拟器动态范围角精度标校，解决了微波着陆模拟器动态范围方位角、仰角信号精度的标校问题。

Description

微波着陆模拟器角精度标校方法

技术领域

本发明属于微波着陆系统(Microwave Landing System，MLS)，用于分析、校准微波着陆模拟器输出方位角、仰角信号精度。

背景技术

微波着陆系统是一种精密导航设备，微波着陆模拟器是检查、测试、校准微波着陆接收机的专用设备，为其提供方位、仰角及射频电平等定标指示，方位角、仰角信号精度是微波着陆模拟器的重要指标。目前常用的校准方法是应用数字示波器测试模拟器输出往、返扫描脉冲之间的时间间隔，通过计算实现角度测量，受示波器测量动态范围限制。该方法只能实现微波着陆模拟器输出大功率信号的角度测量，不能满足模拟器动态范围的角度标校，也就是说不能确定模拟器输出小功率信号情况下的角度性能。因此，需要研究基于通用测试仪器，实现微波着陆模拟器输出信号动态范围角精度的标校方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微波着陆模拟器角精度标校方法，从微波着陆信号特性及角度解调出发，基于通用测量仪器，构建微波着陆模拟器角精度标校装置，提出了微波着陆模拟器输出方位角、仰角信号精度的标校方法，通过测量微波着陆模拟器输出载波信号的相位噪声及数据信号的EVM特性(Error Vector Magnitude，误差矢量幅度，用于评价矢量信号特性)，计算得到扫描信号的信噪比，在微波着陆模拟器输出基准功率方位角、仰角精度测量基础上，基于微波着陆角精度分析理论，实现了微波着陆模拟器动态范围角精度标校，解决了微波着陆模拟器动态范围方位角、仰角信号精度的标校问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)将微波着陆模拟器输出的基准功率信号接入示波器，测量往、返扫描脉冲之间的时间差，计算微波着陆模拟器在设置波道的角度；

应用频谱分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道输出的基准功率信号的数据信号功率P₀和扫描信号峰值功率P_a；

应用矢量信号分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道数据信号EVM指标；

应用相位噪声测试系统测试微波着陆模拟器在设置波道的相位噪声σ；

2)重复执行若干次步骤1)，对测得的数据按照3σ准则剔除粗大误差；

3)对剔除粗大误差的数据进行角度滤波；

4)将角度滤波后的数据再进行PFE滤波及CMN滤波；

5)由PFE、CMN滤波数据，计算微波着陆模拟器输出基准功率信号方位、仰角的PFE、CMN精度；

6)由数据信号EVM特性、载波信号相位噪声σ及数据信号信噪比SNR关系，计算微波着陆模拟器动态范围内数据信号的信噪比SNR；

7)由微波着陆模拟器输出基准功率扫描信号功率P_a与数据信号功率P₀，计算模拟器输出动态范围扫描信号信噪比SNR_a；

8)由微波着陆模拟器输出基准功率角度的CMN、PFE精度及动态范围内不同输出功率时扫描信号信噪比，计算微波着陆模拟器动态范围方位角、仰角的CMN、PFE精度。

本发明的有益效果是：基于通用测试仪器，具有溯源性好、测量精度高及可操作性强的优点，对微波着陆模拟器输出角度信号精度标校具有通用性，填补了微波着陆模拟器输出动态范围角精度标校的空白，而通过测量信号的EVM特性与相位噪声指标实现相关性能指标测试的方法，对其他仪器设备的标校也具有一定参考。

附图说明

图1为微波着陆模拟器扫描波束时间间隔测试框图；

图2为微波着陆模拟器输出信号功率测试框图；

图3为微波着陆模拟器输出信号EVM指标测试框图；

图4为微波着陆模拟器输出信号相位噪声框图；

图5仰角功能信号基带信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明基于通用测量仪器，首先构建微波着陆模拟器方位角、仰角信号精度的标校装置，应用示波器采集模拟器输出基准功率的角度射频信号，经Hilbert变换获得微波着陆信号包络，基于微波着陆角度测量原理及角精度理论，计算得到模拟器输出基准功率信号的角精度；然后应用矢量信号分析仪测试模拟器动态范围数据信号的EVM特性，应用相位噪声测试系统测试模拟器输出载波信号的相位噪声σ，由EVM、相位噪声σ计算得到相应输出功率时数据信号信噪比和扫描信号的信噪比，最后，基于角精度与扫描信号信噪比的关系，实现模拟器动态范围角精度标校。

微波着陆模拟器方位、仰角信号精度标校方法包括以下步骤：

1.基于通用测量仪器，构建微波着陆模拟器方位、仰角精度标校装置，如图1、2、3、4所示。

如图1连接测试仪器，模拟器输出基准功率信号(为满足示波器信号采集，定义模拟器输出功率-20dBm为基准功率信号)，接入示波器，测量“往”、“返”扫描脉冲之间的时间差，计算微波着陆模拟器在设置波道的角度。

如图2所示，应用频谱分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道，输出基准功率信号的数据信号功率P₀和扫描信号峰值功率P_a。

如图3所示，应用矢量信号分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道数据信号EVM指标。

如图4所示，应用相位噪声测试系统测试微波着陆模拟器在设置波道的相位噪声σ。

2.对多次测量的角度数据，按照3σ准则，剔除粗大误差。

3.对剔除粗大误差的角度数据进行角度滤波。

4.将角度滤波后的数据再进行PFE(path following error，航道跟随误差)及CMN(control motion noise，控制运动噪声)滤波。

5.由PFE、CMN滤波数据，计算模拟器输出基准功率信号方位、仰角的PFE、CMN精度。

6.由数据信号EVM特性、载波信号相位噪声σ及数据信号信噪比SNR关系，计算微波着陆模拟器动态范围内数据信号的信噪比SNR。

7.由微波着陆模拟器输出基准功率扫描信号功率P_a与数据信号功率P₀，计算模拟器输出动态范围扫描信号信噪比SNR_a

8.由微波着陆模拟器输出基准功率角度的CMN、PFE精度及动态范围内不同输出功率时扫描信号信噪比，计算微波着陆模拟器动态范围方位角、仰角的CMN、PFE精度。

本发明的实施例针对微波着陆模拟器输出信号角精度标校方法不完善的问题，从微波着陆信号特性出发，提出了微波着陆模拟器方位、仰角信号精度的标校装置和标校方法，首先采集微波着陆模拟器输出基准功率的角度信号，计算方位角、仰角的PFE和CMN精度；然后，应用矢量信号分析仪及相位噪声测试系统测试模拟器输出动态范围的EVM指标及相位噪声特性，计算得到模拟器不同输出功率时的信噪比，由微波着陆角精度分析，实现微波着陆模拟器动态范围输出信号角精度标校。

步骤一：基于通用测量仪器，构建微波着陆模拟器方位、仰角精度标校装置。

微波着陆模拟器方位、仰角精度标校装置，如图1、2、3、4所示。

如图1连接测试仪器，模拟器输出基准功率信号(为满足示波器信号采集，定义模拟器输出功率-20dBm为基准功率信号)，接入示波器，利用示波器math功能，对模拟器输出的微波着陆信号进行Hilbert变换，得到微波着陆包络信号，以扫描信号峰值功率P_a下降3dB处，测量往、返扫描脉冲之间的时间差，应用公式(1)计算微波着陆模拟器在设置波道、输出基准功率信号时的角度。

其中：θ为方位(或仰角)制导角度值；

v为扫描速度，v＝20°/ms；

ΔT＝T₂-T₁为往、返扫描脉冲之间的时间差；

T₀为方位(或仰角)零角度时，往、返扫描脉冲之间的时间差；

所述的Hilbert变换是一种将时域实信号变为时域解析信号的方法，Hilbert变换所得的解析信号的实部是实信号本身，虚部是实信号的Hilbert变换，而解析信号的幅值便是实信号的包络。

如图2所示，应用频谱分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道，输出基准功率信号时，数据信号功率P₀和扫描信号峰值功率P_a。

如图3所示，关闭微波着陆模拟器角度功能，接入矢量信号分析仪，测量模拟器在设置波道输出动态范围的数据信号EVM指标。

如图4所示，应用相位噪声测试系统测试微波着陆模拟器在设置波道，输出基准功率信号，偏移中心频率100Hz、1kHz、10kHz、100kHz及1MHz的相位噪声N₁、N₂、N₃、N₄、N₅(单位为dBc/Hz)，计算分段的单边功率谱密度：

其中：为在起始频率f₁与终止频率f₂间的分段相位噪声(单位：dBc/Hz)；

f₁为分段的起始频率；

f₂为分段的终止频率；

N_f1为分段起始频率的单边带相位噪声；

N_f2为分段终止频率的单边带相位噪声；

应用公式将每一频率间隔的频域相位噪声转换为时域相位噪声σ₁、σ₂、σ₃、σ₄(单位：rad)，并将每一频率间隔的时域相位噪声，应用公式(2)计算出模拟器输出信号的时域均方根相位噪声。

步骤二：对多次测量的角度数据，按照3σ准则，剔除粗大误差。

角度测量次数大于1400个，按照3σ准则，以方位角为例，剔除粗大误差的步骤如下：

(1)设方位角数据为a₁、a₂、a₃…a_k，则角度测量的平均值为：这里k为方位角测量个数；

(2)计算单次角度测量a_i的残余误差

(3)计算角度测量的标准偏差：

(4)如果|v_i|＞3σ，则认为此次测量a_i含粗大误差，剔除此次测量数据；

(5)返回第(1)步，重复计算，直至角度数据中不含粗大误差；

(6)剔除粗大误差后的方位角数据为x_AZ(1)、x_AZ(2)、x_AZ(3)…x_AZ(m)，这里m为剔除粗大误差后的方位角数据个数。

同理，剔除粗大误差后的仰角数据为x_EL(1)、x_EL(2)、x_EL(3)…x_EL(p)，这里p为剔除粗大误差后的仰角数据个数。

步骤三：对剔除粗大误差的角度数据进行角度滤波。

角度滤波器传输函数为：其中：ω₂＝10rad/s；ω为角频率；j表示复数向量；

步骤四：将角度滤波后的数据进行PFE及CMN处理

方位角PFE滤波器传输函数为：其中，ω_{n_AZ}＝0.78125rad/s；

仰角PFE滤波器传输函数为：其中，ω_{n_EL}＝2.4375rad/s；

方位角CMN滤波器传输函数为：其中，ω_{1_AZ}＝0.3rad/s；

仰角CMN滤波器传输函数为：其中，ω_{1_EL}＝0.5rad/s；

步骤五：计算微波着陆模拟器输出基准功率信号方位、仰角的PFE、CMN精度。

(1)方位角PFE精度

从方位角PFE滤波点后的1000个数据开始，选取大于400个数据，有n_{AZ_PFE}个数据。

以5％的超差概率，计算允许的超差点数为floor(0.05·n_{AZ_PFE})。

计算允许超差点数floor(0.05·n_{AZ_PFE})的角度区间(-ε_{AZ_PFE},ε_{AZ_PFE})，则方位角PFE精度为ε_{AZ_PFE}。

(2)方位角CMN精度

从方位角CMN滤波点后的1000个数据开始，选取大于400个数据，有n_{AZ_CMN}个数据。

以5％的超差概率，计算允许的超差点数为floor(0.05·n_{AZ_CMN})。

计算允许超差点数floor(0.05·n_{AZ_CMN})的角度区间(-ε_{AZ_CMN},ε_{AZ_CMN})，则方位角CMN精度为ε_{AZ_CMN}。

(3)仰角PFE精度

从仰角PFE滤波点后的1000个数据开始，选取大于400个数据，有n_{EL_PFE}个数据。以5％的超差概率，计算允许的超差点数为floor(0.05·n_{EL_PFE})。

计算允许超差点数floor(0.05·n_{EL_PFE})的角度区间(-ε_{EL_PFE},ε_{EL_PFE})，则仰角PFE精度为ε_{EL_PFE}。

(4)仰角CMN精度

从仰角CMN滤波点后的1000个数据开始，选取大于400个数据，有n_{EL_CMN}个数据。

以5％的超差概率，计算允许的超差点数为floor(0.05·n_{EL_CMN})。

计算允许超差点数floor(0.05·n_{EL_CMN})的角度区间(-ε_{EL_CMN},ε_{EL_CMN})，则仰角CMN精度为ε_{EL_CMN}。

注：floor为向下取整运算，例如floor(3.2)＝3。

步骤六：以上步骤可以测试微波着陆模拟器输出基准功率信号，方位角、仰角的PFE、CMN精度，为了考核微波着陆模拟器输出动态范围的角精度，根据数据信号EVM特性、载波信号相位噪声σ与数据信号信噪比SNR的关系，由公式(3)，可计算得到模拟器输出动态范围数据信号的信噪比SNR。

其中：σ为微波着陆模拟器输出载波信号均方根相位噪声(单位：rad)，可由公式(2)计算得到；EVM为模拟器输出数据信号的幅度矢量误差。

步骤七：定义微波着陆模拟器输出基准功率信号时扫描信号信噪比：

其中：SNR₀为微波着陆模拟器输出基准功率信号，通过矢量信号分析仪测量的EVM值，由(3)式计算得出的数据信号信噪比；

P_{ref_a}为微波着陆模拟器输出基准功率信号扫描信号峰值功率(单位：dBm)；

P_{ref_0}为微波着陆模拟器输出基准功率信号数据信号功率(单位：dBm)；

步骤八：计算模拟器输出动态范围，不同输出功率时扫描信号信噪比

其中：SNR为微波着陆模拟器输出不同功率时，通过矢量信号分析仪测量EVM值，由(3)式计算得出的数据信号信噪比；

P_a为微波着陆模拟器输出扫描信号峰值功率(单位：dBm)；

P₀为微波着陆模拟器输出数据信号功率(单位：dBm)；

步骤九：由扫描信号信噪比SNR_a，计算微波着陆模拟器不同输出功率方位角、仰角的CMN、PFE精度。

由微波着陆信号角精度理论分析可知：角度的CMN、PFE精度与扫描波束信噪比的平方根成反比，即：这样可得到微波着陆模拟器输出动态范围，不同输出功率的角精度与输出基准功率信号角精度的关系：

方位PFE精度：

方位CMN精度：

仰角PFE精度：

仰角CMN精度：

其中：ε_{AZ_PFE}为模拟器输出基准功率信号方位角PFE精度；

ε_{AZ_CMN}为模拟器输出基准功率信号方位角CMN精度；

ε_{EL_PFE}为模拟器输出基准功率信号仰角PFE精度；

ε_{EL_CMN}为模拟器输出基准功率信号仰角CMN精度；

Δθ_{a_AZ_PFE}为模拟器动态范围，不同输出功率方位角PFE精度；

Δθ_{a_AZ_CMN}为模拟器动态范围，不同输出功率方位角CMN精度；

Δθ_{a_EL_PFE}为模拟器动态范围，不同输出功率仰角PFE精度；

Δθ_{a_EL_CMN}为模拟器动态范围，不同输出功率仰角CMN精度；

SNR_ref为模拟器输出基准功率扫描信号信噪比；

SNR_a为模拟器动态范围，不同输出功率扫描信号信噪比。

Claims (1)

1.一种微波着陆模拟器角精度标校方法，其特征在于包括下述步骤：

1)将微波着陆模拟器输出的基准功率信号接入示波器，测量往、返扫描脉冲之间的时间差，计算微波着陆模拟器在设置波道的角度；

应用频谱分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道输出的基准功率信号的数据信号功率P₀和扫描信号峰值功率P_a；

应用矢量信号分析仪，测量微波着陆模拟器在设置波道数据信号EVM指标；

应用相位噪声测试系统测试微波着陆模拟器在设置波道的相位噪声σ；

2)重复执行若干次步骤1)，对测得的数据按照3σ准则剔除粗大误差；

3)对剔除粗大误差的数据进行角度滤波；

4)将角度滤波后的数据再进行PFE滤波及CMN滤波；

5)由PFE、CMN滤波数据，计算微波着陆模拟器输出基准功率信号方位、仰角的PFE、CMN精度；

6)由数据信号EVM特性、载波信号相位噪声σ及数据信号信噪比SNR关系，计算微波着陆模拟器动态范围内数据信号的信噪比SNR；

7)由微波着陆模拟器输出基准功率扫描信号功率P_a与数据信号功率P₀，计算模拟器输出动态范围扫描信号信噪比SNR_a；

8)由微波着陆模拟器输出基准功率角度的CMN、PFE精度及动态范围内不同输出功率时扫描信号信噪比，计算微波着陆模拟器动态范围方位角、仰角的CMN、PFE精度。