对ILS小功率干扰的效能评估与仿真研究

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(1．西安培华学院智能科学与信息工程学院，陕西 西安 710125； 2. 空军工程大学信息与导航学院，陕西 西安 710077；3. 西安工业大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

随着现代战争不断向信息化方向转变与深入，电子对抗技术也得到了飞速发展。电子对抗技术包括干扰技术与干扰抑制技术两大核心内容，由于电子干扰性价比高，在现代局部战争中得到了广泛应用[1-4]。

导航中的电子对抗又称为导航对抗，导航干扰的研究与应用起始于卫星导航[5-6]，由于在导航中采用了信息冗余的方法来确保运载体的安全，因此，针对卫星导航之外的其他导航手段的干扰问题也得到了广泛关注[7-15]。小功率干扰具有体积小、重量轻、投放方便、不易被发现、工作时间长、电磁干扰区域可控等优势，小功率干扰技术成为了最近研究的热点问题。本文以仪表着陆系统(ILS)为研究对象，定量分析小功率干扰对其着陆引导性能的影响，为ILS在干扰环境下的效能评估提供参考。

1 ILS航向引导原理

仪表着陆系统由地面设备与机载设备组成，地面设备包括航向信标、下滑信标以及指点信标，依靠频率区分，通过特殊方向图形成要求的场型，机载设备通过测量接收的航向信号的调制度差(DDM)获取运载体偏离跑道中心延长线的信息，测量接收的下滑信号的DDM获取运载体偏离下滑线的信息。考虑到ILS的航向引导与下滑引导工作原理的相似性，这里仅分析航向引导的工作原理。

航向信标工作频率为108.1～111.95 MHz，由信标发射机产生的平均功率为15 W的载波加边带(CSB)信号与平均功率为0.12～1.8 W的纯边带(SBO)信号，作用于由天线分配网络与对数周期天线阵组成的场型形成单元，形成要求的场型。天线分配网络按一定规律分别对CSB信号与SBO信号的幅度与相位进行分配，并将分配后的信号送到8元对数周期天线阵，由对数周期天线阵向空间辐射。

CSB信号是一个90 Hz与150 Hz的复合调制信号，为载波加边带信号，其表达式为：

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

=Am(1+msinΩ90t+msinΩ150t)sinωt

(1)

Am为CSB信号的幅度；m为信号调制度；ω为与射频对应的角频率；Ω90，Ω150分别为与90 Hz与150 Hz正弦信号对应的角频率。 SBO信号也是一个90 Hz与150 Hz的复合调制信号，为纯边带信号，其表达式为：

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

=A'm(m' sinΩ90t-m' sinΩ150t)sinωt

(2)

m'为SBO信号的调制度；A'm为SBO信号的幅度；其余变量与上同。经天线分配网络，由对数周期天线阵辐射CSB与SBO信号的方向性函数为：

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)为单个对数周期天线方向性函数。

F'CSB(θ)与F'SBO(θ)的方向图如图1所示，由图可见，F'CSB(θ)在θ=0°时有最大值，其值为1.45，F'SBO(θ)在θ=±18°时有最大值，其值为2.07，F(θ)为单个对数周期天线的方向函数，单个对数周期天线的增益为5～12 dB。根据上述馈电关系，结合单个对数周期天线的增益，8单元对数周期阵列天线对CSB信号的增益为8.2～14.2 dB，对SBO信号的增益为11.3～18.3 dB。

图1 方向图

仪表着陆系统的航向机载接收机对航向台辐射的CSB信号与SBO信号在空间合成的信号进行接收处理(包括包络检波、90 Hz与150 Hz滤波)，得到90 Hz与150 Hz信号的幅度，并依据该幅度信息，计算DDM，从而获取飞机偏离跑道中心延长线的水平角度信息。DDM的定义为：

DDM=m90-m150

(5)

由式(1)～(4)以及式(5)可得到下式：

(6)

m′为SBO信号的调制度；Am，A'm分别为CSB信号与SBO信号的幅度；FCSB(θ)，FSBO(θ)分别为阵列天线对CSB信号与SBO信号的方向函数。

在着陆引导过程中，实时测量的DDM值以十字指针偏离显示器中心的形式显示。当DDM=0时，说明运载体在跑道中心延长线上，指针显示在显示器的中心；当DDM≠0时，说明运载体偏离跑道中心延长线，显示的指针也会偏离显示器中心。飞行员依据指针的显示位置，实时调整飞行方向，直到指针与显示器中心重合，实现安全飞行与着陆。

2 干扰对ILS性能影响分析

干扰对ILS引导性能的影响可由DDM的误差来表示，下面分析航向信号受到调幅波信号干扰时DDM的变化情况。

接收机接收的有用信号可表示为：

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

FSBO(θ)A'm(m'sinΩ90t-m'sinΩ150t)sinωt

(7)

k1为传播衰减因子；其余变量与上同。接收到的干扰信号为：

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

(8)

Ai为发射的调幅干扰信号的幅度；mi为调幅干扰的调制度；φ1，φ2分别为调制信号与已调射频信号的初始相位；k2为传播衰减因子。

对叠加的有用信号与干扰信号进行包络检波，并考虑有用信号功率比干扰信号大，可得到90 Hz与150 Hz信号的近似调制度为：

(9)

(10)

测量的DDM值由下式决定。

(11)

由上式可见，干扰将使得DDM的测量值与真实值产生较大误差，显示器指针偏离不能真实反应飞机偏离跑道情况。特别是飞机在跑道中心线上飞行时，测量的DDM不等于0，而偏离跑道中心线飞行时反而测量的DDM会等于0，无法保障安全飞行。

3 计算机仿真实验

为了验证上述分析结果的正确性以及干扰源的功率、投放位置等关键参数对DDM的影响，用计算机对几种典型情况进行仿真分析。

由式(11)可知，影响DDM的参量有有用信号与干扰信号传播衰减因子k1，k2，阵列天线的CSB与SBO信号方向函数FCSB(θ)，FSBO(θ)，发射机输出的CSB信号、SBO信号以及干扰信号的幅度Am，A'm与Ai，SBO信号与干扰信号的调制度m'，mi，以及初始相位φ1，φ2等。其中FCSB(θ)，FSBO(θ)由式(3)、(4)确定，F(θ)取10 dB，Am，A'm以及m'为已知量，典型值分别为A'm=1,m'=0.2，设mi=1，φ1，φ2为随机量，仿真中取几种极限情况，即cosφ1=1,cosφ2=1；cosφ1=-1,cosφ2=-1以及cosφ1=1，cosφ2=-1和cosφ1=-1，cosφ2=1。Ai为参变量，k1，k2由下式决定。

(12)

(13)

λ为工作波长，取300 m，其余参数如图2所示。

图2 运载体航向信标与干扰源几何关系

考虑到场地环境以及建筑物对干扰信号的遮挡，干扰器一般投放在比较空旷的机场附近，因此，下面以干扰功率为参变量，对干扰器分别投放在离航向台500 m，1 000 m以及3 000 m的跑道中心线附近的三种情况进行仿真。

干扰器放置在距航向台500 m的跑道中心线附近位置的仿真结果如图3所示。由图可见：第一，干扰功率为0.25 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为2°，干扰功率为1 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为4°，干扰功率为2.25 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为7°，干扰功率为4 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为10°。即干扰功率越大，偏离程度越远；第二，由于随机相位的影响，偏离角度也是随机值，这里给出的值为极限值。例如，当干扰信号功率为4 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度在±10°以内；第三，仿真发现，当干扰信号功率大于6 W时，在40 km范围内，有可能出现DDM不等于0的情况。这就意味着，不管飞行员如何调整飞行方向，十字指针将无法与显示屏中心重合。将导致ILS着陆引导失效。

图3 r=500 m时干扰信号功率

干扰放置在距航向台1 000 m的跑道中心线附近位置的仿真结果如图4所示，DDM的变化规律与上基本相同，干扰功率为0.25 W时,DDM为0偏离跑道中心线的角度为2°；干扰功率为1 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为4°；干扰功率为2.25 W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为7°；干扰功率为4W时，DDM为0偏离跑道中心线的角度为10°。另外，干扰功率为4 W时，在3 km以内可能会出现DDM不等于0的情况，当干扰信号功率大于6 W时，在40 km范围内，可能会出现DDM不等于0的情况。与上图不同之处，在3～5 km区间，DDM变化较大，这将引起飞行出现较大抖动。

图4 r=1 000 m时干扰信号功率

干扰放置在距航向台3 000 m的跑道中心线附近位置的仿真结果如图5所示。变化规律与上同，在3～5 km区间，DDM变化更加剧烈。且当干扰信号功率大于4 W时，在40 km范围内，可能会出现DDM不等于0的情况。

图5 r=3 000 m时干扰信号功率

4 结束语

ILS的正常作用距离为40 km，通过理论分析与计算机仿真实验发现，当该系统在调幅体制的干扰环境下工作时，即使干扰源的功率很小，ILS在正常引导区域以内的着陆引导性能将会受到较大影响，具体体现在以下几个方面。第一，在干扰源的影响下，DDM=0会偏离跑道中心延长线，且功率越大，偏离越多，甚至会出现没有DDM=0的情况，即引导失效；第二，干扰源投放在距离航向台3 km的跑道中心延长线附近时，在3～5 km区间，DDM会出现剧烈抖动，对判决点影响非常明显，对于采用自动着陆的运载体会导致运载体无法自动着陆。由此可见，调幅体制干扰对ILS性能影响明显，要改善其引导性能，必须采取相应的干扰抑制技术。