数字信号处理(论文)

摘要

为分析和评估多路径效应对微波着陆系统（MLS）测角误差影响，提出了一种有效降低多径条件下机载接收机的测角误差的数字信号处理方法。该方法依据几何光学和几何绕射理论在获得多径信号与直达信号电压比的基础上，通过射线寻迹计算多径直达信号相位差，而后对叠加包络的角度误差方向图分解为波束内和波束外多路径误差进行研究，实现角度误差数字仿真。利用该方法对某机场典型环境的多路径问题进行了数字仿真。并将仿真结果与经典模型进行了对比，验证了其可行性。

关键词:多径效应微波着陆系统数字信号处理测角误差

ABSTRACT

In order to analyze and compute the multi-path effects on angle error of microwave landing system(MLS), brings forward a digital signal processing method that can effectively reduce the angle measuring error of airborne receiver under the multi-path condition. In the new method, through the geometric optical and geometric diffraction theory, the signal level ratio of multi·path signal relative to direct signal can be effectively acquired. And through ray-tracing theory, the phase displacement can be computed to achieve the angle error pattern. Through the simulation, the angle error pattern is divided into in-beam region and out-of-beam regions. It is found that the in-beam error is key point of angle error. The new method is applied to simulate the multi-path scenario in an airport. And the results are compared with results of the experience methods to validate its feasibility.

Key Words: multi-path effect, microwave landing system, digital signal processing, angle measuring error

目录

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 (4)

第二章测角原理及多径误差分析 (5)

2.1 测角原理 (5)

2.2 多径误差分析 (5)

第三章中频数字信号处理的设计 (7)

3.1 带通滤波器的设计 (7)

3.1.1 切比雪夫型滤波器的特点 (7)

3.1.2 切比雪夫型滤波器的设计 (7)

3.2 波束包络滤波器的设计 (8)

第四章多径信号的处理 (10)

第五章实验验证 (12)

第六章结束语 (16)

参考文献 (17)

第一章绪论

微波着陆系统(MLS, microwave landing system)作为新一代飞机精密引导着陆系统，为等待着陆的飞机提供方位、仰角和距离信息，是一种工作在C波段的机上导出引导数据的自主式进场着陆系统，其引导精度是飞机安全着陆的关键因素。然而系统在工作过程中，由于附近障碍物(如机棚、建筑物、大型飞机等)对电磁波的散射作用，会产生多路径效应。尤其当表面比较光滑时，多路径效应比较严重，使得机上接收到的微波信号发生变形，解算出的位置信息偏离实际飞机位置，降低了系统引导精度。另外，MLS系统对多路径干扰的影响比对现在正使用的仪表着陆系统(ILS, instrument landing system)更为敏感。原因有两方面：一是MLS为满足提供多条进场航道的需求，可容忍的误差余量小，而ILS允许的误差余量可以达到航道宽度的33.33％；二是MLS的工作频率高，较小的散射体从电波长方面讲就是较大的散射体。类似于静止或移动的车辆、飞机等这类障碍物的多径散射在ILS的工作频率内是表现不出来的，而在MLS的频率范围内产生的影响就很明显了。再者，现阶段对MLS多路径效应影响的评估方法存在诸多不足之处：设备安装和试验过程都需要很长时间，花费巨大。且仅能向已有场地提供有关MLS 状况的信息等。这样，就引发了对场地环境多路径效应的数字仿真研究。

20世纪，国际民航组织(ICAO, international civil aviation organization)推荐并使用了由Mathias等人建立的MLS多路径误差模型。该模型以经验数据为基础，将接收包络3dB门限误差近似为直达信号对主瓣宽度扫描时间的商。这一假定对于在合理的计算时间内确定多路径误差是必要的，但忽略了多路径效应引起的3dB 门限的前后沿测量误差。为更清楚地研究评估多路径效应对MLS系统的引导误差影响，文中给出了多路径效应存在的条件下，有效确定MLS性能好坏的数值仿真方法。该方法的理论基础是反射模型的GO理论和绕射模型的GTD理论以及散射点搜索的射线寻迹理论。为验证该模型的可行性，对某机场的典型场景进行了数字仿真，并将仿真结果与Mathias结果进行对比分析。结果表明，该模型能更为真实地反映机场实际环境对测角误差的影响，且计算时间和费用也不大，适合于现代计算机系统。