微波着陆系统(MLS)误差的形成

翟文广 姜楠

摘要 微波着陆系统地面设备采用时分多路（TMD）技术，全部制导信息和数据都在同一频率上分时发射，对发射时间间隙有严格要求，本文从地面设备、机载设备、空间传播等三个方面进行分析，得出误差形成的原因。

【关键词】时基扫描波束 （TRSB） 时分多路（TMD） 控制运动噪声（CMN） 航迹跟踪误差（PFE）

微波着陆系统的测角原理基于时基扫描波束（TRSB）技术，地面设备发射时采用时分多路（TMD）技术，方位和仰角设备制导信息和数据都在同一频率上以固定的速率和范围发射，不同功能的信号都占有自己的发射时隙。机载接收机接收到地面设备发射的两次扫描波束之后，通过测定这两个波束之间的时间差而得到相对角度位置。这样，就使得系统对误差比其它导航设备有更严格的要求，接下来对系统误差的形成进行简要分析。

1 误差源的产生和原理

微波着陆系统由各个不同功能模块组成，对于方位、仰角功能来说，从信号的产生到空中的传播，再到接收处理的过程都是类似的，整个误差产生的机理是一样的。系统可能存在的误差源有以下几种：

（1）地面发射设备对制导信号的编码误差，包括时钟的精度、发射波束指向误差和天线系统形成的误差;

（2）发射机噪声引起的误差;

（3）天线安装位置与数据装订之间的误差;

（4）信号空间传播误差，比如多路经干扰引起的误差;

（5）接收机噪声引起的误差;

（6）机载系统对制导信号的译码误差;

大部分误差的存在使得扫描波束包络产生畸变，它对测量结果的影响可以用MLS编码方程式来表示：

式中θ是方位角和仰角的度数，t是扫描波束中心点从往到返扫描的时间间隔（毫秒），T0是两次扫描过零度角位置的时间间隔（毫秒），v是扫描速度（度/毫秒），通常是20000°/s。将上式微分后的到角度误差公式：

扫描速度v实际上等于扫描波束宽度θBW除以波束掃过该两点的持续时间T。δT是往返扫描期间的时间误差。上面这个式子表达了测角误差δθ与测时误差δτ之间的对应关系，它也是MLS系统误差分析的关键点。

当扫描速度v取200/ms时，对应的角刻度因子为1000/μs，如果测量单个脉冲的时间误差为10μs，此时的当量误差角度值就有0.10。所以误差的时间因子应控制在ns到1μs以内。对于一般的误差源，式（2）的一次近似值为：

δθ是峰值误差的度数;p是干扰信号幅值与有用信号幅值的比值，这个值具有普遍的适用范围。在信号的传播效应中，p可指多径反射信号与直接信号之比在接收机噪声效应中，p又可指信噪比的倒数。当p<-3dB时，

2 误差的分析

在MLS系统中，地面设备包括发射机和用于发射扫描窄波束的天线系统。控制窄波束在空中以一个恒定速率（200/ms）进行往返扫描的波束控制是DPSK时钟控制信号。在机载接收机中，对信号处理的过程刚好相反，先是对波束包络的检测，然后用时钟来测量所接收到的往返扫描波束之间的时间间隔，通过对其解调得出飞机所处的角位置。在整个信号处理过程中，那些由定时电路（时钟）和与传播环境无关的波束形成方面所产生的误差称为编码误差，它属于设备本身的仪表误差，以下分地面设备、机载设备和信号传播三种情况对误差进行讨论。

2.1 地面设备误差

地面设备误差与编码处理有关，其误差源主要来自角度编码产生器和波束控制，并与天线一起构成了影响角度编码精度的因素。由于温度和环境等原因造成天线偏离其基准位置会导致测量误差。测试表明，由发射机引起的噪声很小。

MLS表征误差的方法是按频率的成分来划分的。民航标准和建议措施（SARPs）中规定，在机载接收机输出端，方位制导误差低于0.5弧度/秒，仰角制导误差低于1.5弧度/秒的频率成分成为航迹跟踪误差（PFE）;方位制导误差高于0.3弧度/秒，仰角制导误差高于1.5弧度/秒的频率成分称为控制运动噪声（CMN）。

天线波束指向误差属于PFE范围。MLS的波束扫描速率是200/ms，为了实现这样的高速率，系统采用步进式相控阵扫描天线，由于天线系统固有的不完善性难以保证天线以恒定的步进宽度进行扫描，从而不可避免的存在误差，即天线指向误差。这种误差是时间的函数，换句话说，同样的角度误差在整个覆盖范围内的每一点上都可能产生，它仍被转化成时间测量误差，进而使飞机偏离航线，形成航迹跟踪误差（PFE）。

2.2 机载接收机的误差

机载接收机是利用时间闸门跟踪方式工作，在测量扫描波速包络时，记录两个-3dB门限电平之间的时间，以建立相应的锁住闸门。两个锁住闸门中点之间的时间差与波束指向角有直接关系。对于未发生畸变的波束，峰值和-3dB点之中点所对应的时间是相同的，这时飞机所测得的角度位置是准确的。如果波束发生畸变，测量结果就会产生误差。

接收机的误差源主要来自于以下几个方面：

（1）制导信号受到接收机高频段噪声的干扰，为一个输入误差;

（2）由于往返扫描波速之间的时间间隔是用精密角度时钟来译码，时钟的稳定性和量化误差直接影响角度译码灵敏度;

（3）与接收机角度读出器有关的数字舍位误差也是误差源的来源之一;

（4）接收机天线所接收到的是步进扫描阶梯，虽然滤波器可以使之变得平滑，但仍然存在着步进扫描所带来的量化误差问题。

2.3 信号传播误差

信号空间传播所引起的MLS误差是重要的误差来源，主要是指信号的多路经干扰，比如镜面多径反射、漫射多径反射、天线的旁瓣干扰等。机场平整度、周边建筑物以及停放的飞机等障碍物使扫描信号产生多径干扰，MLS工作频率为SGHz，其波长约为6cm，几乎所有的物体表面都能对其产生反射、漫射或衍射，这些干扰信号与直接信号进行叠加，会使得接收机监测到的扫描波束包络发生畸变，从而产生波束包络-3dB电平处所对应的时间误差，引起测量误差。误差干扰信号的强度是多径信号与直接信号比值p、分离角δSA.射频相位变化率和地面天线波束宽度的函数。所以在安装架设时，应尽量采取措施使得多径干扰和直接信号不同时出现在机载设备的接收端。

天线旁瓣是干扰扫描主波瓣并引起多径干扰的来源之一。在民航标准和建议措施（SARPs）中提出，天线旁瓣设计应符合两个条件：

（1）动态旁瓣电平应不妨碍机载接收机去捕获和跟踪主波束;

（2）有效旁瓣电平应符合系统误差估算的要求。有效旁瓣电平（PELS）与动态旁瓣电平（PDYN）的关系可以有下式表示：

PESL=KxP_DYN（8）

式中k为减小的因数，它以天线实际情况而定。

来自方位天线旁瓣的横向多径反射和来自仰角天线旁瓣的地面多路径反射，都将干扰主瓣而造成角度误差。为保证天线旁瓣所产生的误差dθ不超过传播误差的估算值，所需的有效旁瓣电平可按下式算出：

3 结论

通过以上分析，得出了MLS系统的误差来源和产生原因，为了减少MLS误差，应分别从时间精度、波速旁瓣电平、接收机带宽和场地环境着手。传播误差一般和场地环境有关系，尽可能选择满足标准要求的场地，同时采用固定波束扫描范围的方式比让障碍物;现有MLS数据采用DPSK格式，脉冲宽度为64μs，要求误差范围为±2μs，尽可能保持在±1μs;扫描波束旁瓣电平一般调整在-23 dB以下，并尽可能压窄波瓣宽度使小于2°。