DME/N询问脉冲波形优化与计算

罗方明

摘 要：測距仪（Distance Measurement Equipment，DME）中DME/N是广泛应用于民航系统的一种测距导航设备，由于其体积小、精度高，在航路、终端以及最后进近阶段都发挥着重大的作用。1959年起，测距仪已经成为国际民航组织（ICAO）批准的标准测距系统，它是通过测量电波在空间的传播时间来获取距离信息的，这种方式类似于现在的北斗、GPS等星基导航的测距方式。作者曾听中国民航大学倪育德教授讲过：“ DME/N发展到现阶段，精度已经达到甚至超过GPS的精度”，这使作者对提高DME/N的精度研究产生了浓厚的兴趣。作者在前一篇论文中就DME/N的地面应答波形进行了优化和计算，我们知道DME的测距过程还包括机载设备的询问，两者都提高精度才能使得整个DME测距精度得到提升，本文就对机载DME/N询问信号进行优化与计算。

关键词：测距仪;波形优化;计算

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0228-02

1 数据计算

下面我们就DME/N的波形进行数据计算。为了方便计算，我们将波形设置为峰值为t轴0点的高斯波形，公式为，DME波形满足高斯波形，由高斯公式可知，a的值决定波形电压幅值大小，c的值决定高斯波形的尖锐程度，c越小表明波形越尖锐，反之则波形越平滑。设τ为脉宽，脉宽为两个半幅度点之间的时间差，变为，，得知c=0.42466τ;上升沿（或下降沿）为10%峰值到90%峰值之间的t，，，，，DME/N询问波形的上升沿为。

得出c后，由c=0.42466τ可求出在频域内满足ICAO附件十：“DME机载询问信号在脉冲发射期间，包含在标称波道频率的上下0.8MHz为中心0.5MHz带宽内有效辐射功率，比标称波道频率为中心0.5MHz带宽内有效辐射功率低23db，包含在标称波道频率的上下2MHz为中心0.5MHz带宽内有效辐射功率，比标称波道频率为中心0.5MHz带宽内有效辐射功率低38db”要求的最小脉宽分别是1.2831微秒和0.5786微秒。可以看出式子（12）也就是“包含在标称波道频率的上下0.8MHz为中心0.5MHz带宽内有效辐射功率，比标称波道频率为中心0.5MHz带宽内有效辐射功率低23db”为更加严苛的条件，当DME询问波形满足高斯函数时，我们就可以在面下只对这个条件进行研究，当它满足要求时，另一个条件肯定满足，我们可以看出ICAO对DME/N的询问波形的要求不再限定功率而是限定和中心功率的比值，应该是考虑到机载设备的功率限制，这使得DME/N机载设备和地面设备的波形要求有很大差别。

2 优化方法

看到这里，不少人肯定会想：附件十不是已经对脉冲宽度有要求了么？3.5±0.5微秒，脉宽一旦确定，在规定比值的要求下，高斯脉冲就有了唯一性，作者前面的一系列计算的意义何在？

是的，这里我们就要提出本文的核心观点：要使得脉冲有尽可能陡峭的上升沿，又要能符合ICAO附件10对DME/N脉宽、波形、时域及频域功率分布的要求，作者提出的优化方案是：将DME询问脉冲信号由原来的一个高斯函数变为由两个等a值高斯函数组成，上升沿为脉宽τ更小的高斯函数，以满足提高精度和提高抗干扰能力的需求，下降沿由脉宽τ较长的高斯函数组成，以满足附件十对脉宽及频谱功率分布的需求。之所以还选择由高斯波形组成脉冲而不是用三角波或梯形、矩形波等来组成，是因为高斯波形具有能量集中，频谱窄的特点，且能很好的满足附件十对DME/N的其他要求。

3 数据验证

下面我们来计算在这种波形优化思路下，满足ICAO附件十中相关规定的情况下，波形函数需要满足的条件。该波形时域公式为：    （14）

我们知道高斯函数在到上进行积分是满足公式（2）、（3）的，值为，的高斯公式是一个偶函数，故高斯函数在到0上的积分等于0到的积分，为，该波形的频域公式为：

4 结论

通过以上计算我们可知，在本文的优化思路下，DME/N的询问波形上升沿大于0.567微秒、脉宽τ为3.5±0.5微秒，下降沿不超过3.5微秒这几个条件，波形就能完全满足ICAO附件十的要求，而这将带来精度和抗干扰能力提高4倍左右的显著变化，而现阶段新型的DME/N询问器的波形都由数字芯片产生，都能很好的实现该波形的产生。

5 结语

对DME/N的询问和应答波形的研究是一种基础性的研究，随着民航和导航的发展，更高精度、抗干扰能力更强的DME/N有着广泛需求，不断的加强民航设备基础理论的研究是建设民航强国的迫切需求。

参考文献

[1] 吴大正，杨林耀，张永瑞，等.信号与线性系统分析[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2] 刘明亮，陆福敏，朱江淼，等.现代脉冲计量[M].北京：科学出版社，2010.