一种着陆导航系统电磁环境的评估方法

王崇辉　邹鲲

摘 要： 着陆导航系统是飞机安全飞行的一个重要保障，机场电磁环境的恶化严重影响到飞机着陆引导安全。以仪表着陆系统为例，分析着陆引导的基本原理，给出了着陆引导过程中飞机接收信号的数学模型，并基于此模型提出了一种机场电磁环境的评估方法，最后利用计算机仿真验证了该方法的有效性。

关键词： 着陆系统； 电磁环境； 评估方法； 匹配滤波

中图分类号： TN965?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）19?0149?03

Abstract： The landing navigation system is an important guarantee of flight security for planes. The worsening airport electromagnetic environment has strong impact on the security of planes landing navigation. Taking the instrument landing system as an example， the basic theory of landing navigation system is analyzed， and the mathematic model of planes′ received signal during the landing navigation process is provided. Based on this model， an evaluation method of airport electromagnetic environment is proposed. The validity of this method was verified by using computer simulation.

Keywords： landing system； electromagnetic environment； evaluation method； matched filtering

0 引 言

据不完全统计，将近60%的事故发生在下降、进近和着陆阶段，为此航空界历来格外重视飞机着陆安全问题。随着全球化步伐的加快，机场的周边电磁环境日益复杂，飞机着陆引导信号受到周边电磁环境的影响越来越严重，严重威胁了飞机的着陆安全。因此在考虑机场建设和使用过程中，必须对机场电磁环境进行有效评估。

就目前所掌握的资料来看，国外对机场周边电磁环境的评估工作处于起步阶段，如文献[1]采用了电磁数值计算的方法对机场周围目标进行电磁散射建模，从而获得飞机下滑轨迹上的电磁干扰特性，能够实现对简单目标进行评估。国内目前对此问题的研究还处于理论研究阶段，离实际应用还有一段距离[2]。

本文以仪表着陆系统为例，简单分析了其工作原理，建立了飞机着陆过程中，理想下滑轨迹上的信号模型，采用了类似匹配滤波的方法，对信号沿下滑轨迹方向进行相干处理，提出了一种机场电磁环境的评估方法，并对该方法进行了计算机仿真，仿真结果表明，该方法可以正确评估机场周边各种目标对着陆引导过程的影响。

1 着陆系统工作原理

进近着陆系统的一个主要功能就是在飞机进近着陆所经过的空间内建立适当的电磁场环境，从而使得飞机在着陆过程中，飞行员根据接收到的电磁波特性判断自身位置与理想下滑轨迹之间的偏差，并进行必要修正实现安全着陆。

现以仪表着陆系统为例，如图1（a）所示。仪表着陆引导系统包括对飞机的下滑方向和航向方向的引导，这里仅讨论航向方向的着陆引导原理，对于下滑方向的着陆引导过程，其原理与前者极其类似。为了实现飞机航向方向的引导，必须在下滑轨迹的左右两边电磁场特性有所区别。航向台天线发送的信号通常包含两种频率的信号：将两种频率信号相加（称之为Σ信号）以同相馈电的方式发射，即沿跑道中心线两边对称，且在中心处信号辐射功率最大；两种频率的信号相减（称之为Δ信号）以反相馈电方式发送，即沿跑道中心线两边反对称，在中心处信号辐射功率为零。两种信号在空间的叠加导致沿跑道中心线处两种频率的信号幅度相等，而在下滑轨迹左右两边的同频率信号幅度不一致，通过比较不同频率的信号幅度差异，在飞机座舱内的仪表盘上，就可以判断飞机偏离理想航向的程度，从而实现着陆引导，如图1（b）所示。该数据来自某次校准飞行过程中航向指针的轨迹，其中靠近着陆点的剧烈抖动来自后面将要讨论的多径效应。

2 着陆系统的电磁环境模型

在实际飞机着陆引导过程中，接收的信号并不一定都是来自航向台的信号，如在机场周边还建有其他的导航台站，塔台，停机坪等建筑物，则航向台发射的信号中可能经过这些目标反射到飞机上的接收天线处，从而造成接收信号发生畸变，即所谓的多径效应。用一个简单的几何模型表述，如图2所示。

图中假定航向台的位置为[A]点，[C]点为[t]时刻飞机的位置，[B]为机场周边的一个反射目标。则[C]点处接收的信号存在两条路径：一条直接从[A]点到[C]点的直达波信号；另一条则是从[A]经过[B]反射到达[C]点的间接信号，[C]点接收到的信号是这两种信号的叠加。与直达波相比，多径信号的传播路径差为：

式中：[λc]为载波波长。从式（5）可以分析位置为[dm，αm]的反射目标对接收信号的影响，它包括一个包络延迟和一个相位因子，而相位是时间[t]的非线性函数，因此在不同时刻，这个相位因子也不同，从而导致接收的信号严重畸变。

3 着陆系统的电磁环境评估方法

对着陆系统的电磁环境评估，通常是利用飞机的校正飞行时获取实际数据，并进行适当定性或定量分析获得的。其目的是为了考察机场周边建筑物是否对飞机着陆存在影响以及存在多大影响。通常假定飞机校正飞行过程中，飞机沿理想下滑线着陆。本文给出一种所谓的匹配滤波的方法，其思想来自合成孔径雷达方位向成像中的聚焦算法，即可以沿[t]方向对位置[dm，αm]处的目标的反射信号的相位因子进行补偿，再进行积分：endprint

式中：[K0]是一个积分常数，在通常条件下，可以从后面的仿真结果得到。包络的延迟对积分结果影响并不大，因此在式（8）中忽略了包络延迟[τm]随时间[t]的变化。可以看出，积分后的结果包含两个部分：第一项为第[m]个多径信号，第二项为其他多径信号的叠加。如果考虑到多径相位[?m（t）]之间互不相关，则积分后对[um（τ）]的贡献就可以忽略，这样通过考察[um（τ）]的大小就可以判定第[m]个目标对接收信号的影响程度。

为了考察该算法的有效性，现对该算法进行仿真。这里不考虑目标辐射方向图的变化问题，即在积分区间[t0，t1]内，忽略反射系数随着方向的变化而发生的幅度或相位上的变化。同时考虑到关于跑道中心线对称的目标对接收信号的影响相同，因此在仿真中仅考虑跑道同一侧存在目标反射的情况。仿真参数如表1所示。

在仿真过程中，首先模拟生成[C]处的接收信号，这里假定目标[B，][D]和[E]对[C]的接收信号有贡献，且贡献各不相同，而目标[X]对[C]的接收信号贡献为0，则生成的信号如图3所示。

从图3可以看出，随着飞机靠近着陆点，接收信号的幅度变化越来越快，波形失真越来越严重，多径效应越来越明显，这是因为靠近着陆点附近，飞机运动的单位距离对相位[?m（t）]的影响变大，从而导致叠加后的幅度变化剧烈。而当飞机距离着陆点较远时，多径效应对接收数据的影响表现为缓变性质。因此当飞机即将着陆过程中，受多径效应的影响，飞机仪表显示会剧烈抖动，这与图1（b）显示的实际结果是相符的。在靠近着陆点处，航向指针剧烈抖动，会严重影响飞行员的判读。

采用表1参数，利用式（7）可以构造4个补偿相位因子，分别对图3中的接收信号进行积分，其归一化结果如图4所示。由目标[B，][D]和[E]的积分结果可以看出，他们的峰值功率的大小与反射系数有关，其中[B]的反射系数假定为1，但是积分结果比直达波略小，这是因为在积分过程中忽略了包络延迟以及周围目标的影响（即公式（8）第二项），[D]和[E]的反射系数比较小，因此积分结果的相应峰值功率也比较小，但均在-10 dB以上，而对于目标[X，]由于其反射系数为零，对回波数据无影响，其积分结果中的峰值功率低于-25 dB。由此可见，反射系数与积分后的峰值功率成正比关系，只要获得目标的反射系数，就可以实现对着陆导航系统的电磁环境评估。

该算法在实际应用中，首先根据考察机场周边反射目标的分布情况，确定可疑目标集合，如仿真分析中的[B，][D，][E]和[X，]该集合中有的目标对多径效应起主导作用，有的目标对多径效应的影响可以忽略。然后测量集合中各目标的几何位置，从而利用式（7）构造相位补偿因子，分别对接收数据进行积分处理，对积分结果进行比较，可以获得相应目标对多径效应影响的量化评估。通常可以将-25 dB作为判决门限，即积分结果的峰值功率低于直达波信号功率25 dB的可以认为该目标对多径效应无影响，而对于高于门限的目标，可以通过比较峰值功率的大小，确定不同目标对多径效应的影响程度。

4 结 论

恶劣的着陆导航系统的电磁环境严重威胁了航空安全，对着陆导航系统电磁环境的评估是一项艰巨而复杂的系统工程。本文给出了一种基于匹配滤波算法的着陆导航系统电磁环境的评估方法，从计算机仿真结果来看，该方法不仅可以定性地研究机场周边目标对着陆导航系统的影响，即目标影响的判决门限为-25 dB；还可以得到不同目标对该系统影响的量化结果，从而有效地实现对机场周边电磁环境的评估。

在实际场景中，目标并非理想点目标，如塔台，地面停靠的飞机等，因此式（7）并不准确，还必须考虑反射系数[am]随不同的反射角而引入的幅度、相位的变化，因此必须对可能的目标进行电磁散射建模[3]，获得其在一定角度内的反射系数。其次飞机下滑轨迹上，并不是一直存在严重的多径效应问题，因此可以修改式（6）的积分区间，获得各个不同下滑轨迹段上的电磁环境评估。

参考文献

[1] GREVING G. Statues and capabilities of advanced computer based analysis and simulations for ATC?navigation and radar system [C]// Proceedings of 2006 the 5th IEEE International Symposium on Electronics in the Air Transport Industry. Hong Kong， China： IEEE， 2006： 230?235.

[2] 戴传金.进近着陆系统信道环境预测与仿真[D].西安：空军工程大学，2007.

[3] 邹鲲，梁甸农.低频UWB SAR 天线方向图校准算法[J].信号处理，2005，21（4）：370?374.

[4] 何永勃，苏兴国，刘娜.基于磁流变减震器的起落架着陆建模及仿真[J].现代电子技术，2011，34（1）：70?73.

[5] 赵颖辉，袁安民.机场障碍物对分米波仪表着陆系统可听度系数的影响分析[J].现代电子技术，2006，29（19）：19?21.

[6] 董建涛，胡丽娟.基于矢量信号发生器的微波着陆信号模拟[J].现代电子技术，2014，37（9）：53?55.endprint