CC BY
120
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№126
УДК 629.7
ПРИМЕНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ РАДИОМАЯКОВ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ILS
Л.А. АЛМАЗОВ, В.И. КОНДРАШОВ
Показаны методики исследования и пути реализации помехоустойчивых трактов низкочастной цифровой обработки сигналов наземных радиомаяков системы ILS в бортовом радиооборудовании инструментальной посадки летательных аппаратов IV поколения ILS-85-01. Дана оценка точностных характеристик таких трактов на соответствие с рекомендациями международных документов “ARINC-710” и “Норм летной годности самолетов - 3”.
1. Введение
В системах посадки летательных аппаратов Instrumental Landing System (ILS) информация о местоположении самолета относительно заданной линии посадки в горизонтальной плоскости (канал курса) и в вертикальной плоскости (канал глиссады) заложена в зависимости коэффициента глубины амплитудной модуляции (РГМ) составляющих сигнала с частотами 90 и 150 Гц. Для получения этой информации в бортовом приемнике сигналов посадочных радиомаяков производится выделение модулирующих составляющих при помощи полосовых фильтров и измерение разности амплитуд этих составляющих [1].
В бортовых приемниках с аналоговой обработкой сигналов [2] полосовые фильтры строились на основе LC контуров, в некоторых современных приемниках зарубежных фирм [3] выделение составляющих 90 и 150 Гц производится при помощи активных фильтров, реализованных на основе операционных усилителей. Недостатками полосовых фильтров на основе LC цепей для данных частот являются большие габариты и масса, а также сложность настройки. Недостатками активных фильтров на основе операционных усилителей являются жесткость требований к элементам фильтров, трудности обеспечения стабильности характеристик фильтров при изменении температуры и сложности при настройке.
В последние годы во многих областях связи, радио и гидролокационных системах большое внимание уделяется применению цифровых методов обработки сигналов. Бурное развитие цифровой обработки сигналов обусловлено несколькими причинами:
высокая эффективность цифровых методов позволяет лучше обрабатывать и анализировать сигналы;
при применении цифровой обработки имеется большая гибкость и возможность легко менять характеристики фильтров;
цифровая обработка стабильна во времени и ее характеристики не зависят от температуры окружающей среды.
Из всех методов, используемых при цифровой обработке сигналов, наиболее важным является цифровая фильтрация. В последнее время она используется во многих важных практических приложениях для обработки одномерных и двумерных сигналов. Это объясняется следующими причинами:
во-первых, наличием эффективных и относительно простых методов построения фильтров;
во-вторых, большими успехами в области микроэлектроники, появлением микросхем с высокой степенью интеграции для умножителей, сумматоров и запоминающих устройств, появлением микропроцессорных наборов с достаточно большим быстродействием.
Результатом этих успехов явилось широкое применение техники цифровой фильтрации в различных областях науки и техники.
2. Цифровая обработка сигналов радиомаяков ILS
Применение микропроцессорной техники в современной бортовой аппаратуре посадки летательных аппаратов [1, 4, 5] делает перспективной реализацию цифровой фильтрации и обработки сигналов посадочных маяков метрового диапазона радиоволн ILS.
Для определения возможности применения методов цифровой фильтрации в посадочной аппаратуре разработана математическая модель цифровой обработки сигналов ILS с учетом возможности её реализации на основе микропроцессорного комплекта.
Цифровая фильтрация осуществляется с помощью нерекурсивного цифрового фильтра, вычисляющего значение массива выходных отсчетов y(i) = 1, 2, 3, ..., по массиву входных отсчетов x(i) = 1, 2, 3, ..., согласно алгоритму:
N
у(0 = 2 h(j)x(i-j),
j=1
где h(j) - импульсная характеристика цифрового фильтра (ЦФ) [6].
Для нахождения амплитуды или фазы входного сигнала требуется организовать выделение квадратурных составляющих определенных гармонических компонент сигнала, что можно сделать, подбирая массив коэффициентов h(i) соответствующим образом. В бортовой аппаратуре "ILS-85-01" [1] для выделения информации об амплитудах составляющих 90, 150 Гц и постоянной составляющей НЧ-сигнала необходимо реализовать пять ЦФ - по 2 квадратурных фильтра на частоты 90 и 150 Гц и один - на постоянную составляющую.
Если обозначить через y1(i) и y2(i) i-e отсчеты двух квадратурных составляющих какой-либо
гармоники, амплитуду сигнала можно вычислить по правилу: y0(i) = yjу2(/) + у2(/) , а его фазу
по формуле: ф (/) = arctg[у2 (/) / у (/)].
Основным результатом исследований явилось создание рабочей программы, позволяющей по заданным требованиям синтезировать цифровые фильтры. К таким требованиям относятся: резонансная частота и заданное ослабление в полосе непропускания (или - в более общем виде - требуемая форма идеальной АЧХ); частота дискретизации; постоянная времени ЦФ; допускаемые отклонения от идеальной АЧХ.
Следует отметить, что в [6] приведена программа расчета ЦФ, однако, попытка реализовать ее функционирование потерпела неудачу из-за наличия неявных ошибок в алгоритме. Поэтому была разработана оригинальная программа, использующая алгоритм многократной замены Ремеза.
Объем разработанной программы, эквивалентной программе [6], оказался примерно в 3 раза меньшим.
На рис.1-5 приведены графики АЧХ пяти указанных выше фильтров. Параметры ЦФ следующие:
частота дискретизации - 640 Гц;
длина импульсной характеристики N = 88;
основное ослабление в полосе непропускания - 50 дБ;
дополнительное ослабление на постоянной составляющей 90 и 150 Гц фильтров минус 20 дБ; дополнительное ослабление на частоте 90 Гц (фильтров О и 150 Гц) и частоте 150 Гц (фильтров 0 и 90 Гц) минус 6 дБ;
погрешность коэффициентов передачи на частотах 90 и 150 Гц при уходе частот сигналов от номинальных на 1,5% составляет 2,4%.
_15Ь 15.1)
1
-30.0 ; : : «о: 15.0
:.... -600 :*•'‘ ЧЩ1 ..... да, л П чг ...... ’*• :: :им
ои.и ^ _ . : - ;■ ;• 5 / : ■ ■: 1 ; : *• : . . ** - . . • : -' ; * : 1 ** • = •
,5.0 : ■ ’ • -
■1 - Г"“ "б ..о 5" I 20 1 о"“ 0 Частота, Г ц
о.о*А6 А
! / 1,
: : :
11!гШ .. : V!: = ив
Ко' : - : . • - ' : 1 • • . * : * : .* : : • ■ - • : .*
;. : - . • - : :
, о Ф 'О о .0 '15 . ... Частота, Г
Рис. 1. А ЧХ полосового цифрового фильтра для 0 Гц. Рис.2. А ЧХ полосового цифрового синусного фильтра 90Гц.
г 1
I г Г 1 = ; г г
l-i.Il 1г|=?1 --1 гг = “ Ц-Ц1\ \1гй' , Г'Л '.ИГ “:11 II
-гг г : = : " * * - ’ * - * - - I ; ' - г - :: - = ■ г — Г — 5 ;; 2 I г
• (ГО ~ 3 - _ ■ , , 1 0 " 15 0 " 1 0 Частота, Гц
'0,0 -20.0 1 ■ :=-5 1 I %
-40.0 1 Г = г 1 г _ —
1**1 Г».!* ни=г>.г* г Г1 ргг1-!! г г - г ~ г - Не- !:|1 «МиЧ.
1 .5 . = "Г ~” = = * г г ~ г : : : : ! - г 1 - I г _ - -
- - - - -
0.0 30 “Х.АБ Рис. 4. АЧХ полосового щ !фрового синусног 15 о фильтра 150Гц. 18 Частота, Гц
1 I ... ?1 1
-40.0 г I ~ г 1 * г г
ЛПЛи' н", !*!,!!.! мв|.П П . Г- -- = - = г ч =: =- * ш!- :=1|1 -!5м=! Г= *- -- II -
1 1 Т8ПП г - = = ” -Г Г ; г - _ “ -Г “ _ 'I I. = *' Г Г 1 - ; ¿ -
! — ~
Рис.5. АЧХполосового цифрового косинусного фильтра 150Гц.
Погрешность определения разности глубин модуляции - РГМ не превышает 1%.
Для расчета постоянной времени ЦФ была разработана программа вывода графика переходной характеристики. Графики переходной характеристики показаны на рис.6,7.
Рис. 6. Переходная характеристика полосового цифрового фильтра при ф =0 о
Рис. 7. Переходная характеристика полосового цифрового фильтра при ф =90о
Из них следует примерное эмпирическое соотношение для постоянной времени ЦФ: т=0,55^^,, где - частота дискретизации.
Оценка времени выполнения алгоритма цифровой фильтрации показывает, что для ее реализации требуется около 20 мс на один выходной отсчет отклонения по курсу или глиссаде.
3. Исследование модели тракта цифровойобработки сигналов маяков ILS
При разработке бортовой посадочной аппаратуры метрового диапазона ILS-85-01 [1] для проверки правильности технических решений создана полунатурная модель тракта цифровой обработки сигналов маяков ILS.
Обычно макетирование разрабатываемой аппаратуры производится с целью проверки принятых технических решений и отладки программного обеспечения. При этом большинство узлов макета не являются оригинальными и не нуждаются в натурной проверке. При разработке полунатурной модели требовалось изготовление некоторых функциональных узлов и синхронизатора. В качестве вычислителя была использована ПЭВМ. Для ПЭВМ были разработаны программы цифровой фильтрации и статистической обработки результатов измерений.
Схема рабочего места, на котором производилось исследование полунатурной модели, приведена на рис.8.
Рис. 8. Схема рабочего места исследования полунатурной модели
Физический макет состоял из следующих функциональных узлов:
- фильтра нижних частот (ФНЧ), предназначенного для подавления паразитных полос пропускания, обусловленных гребенчатой структурой АЧХ цифрового фильтра;
- аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
- буферного запоминающего устройства (БЗУ), которое производит подготовку данных для передачи в ЭВМ;
- синхронизатора, формирующего импульсы интервала дискретизации входного сигнала и управления записью в БЗУ.
Исследование полунатурной модели производилось при воздействии следующих дестабилизирующих факторов:
- шумовая помеха;
- гармоническая помеха;
- отклонение частот от номинального значения.
Низкочастотный сигнал от имитатора сигналов маяков ILS смешивался с сигналами генератора шума или генератора синусоидальных колебаний и поступал на вход ФНЧ.
С выхода ФНЧ смесь полезного сигнала S и помехи N поступает на вход АЦП и преобразуется в двоичный код, соответствующий мгновенному значению смеси полезного сигнала и помехи. Полученные коды засылаются в БЗУ и хранятся до его заполнения. При заполнении БЗУ синхронизатор вырабатывает сигнал требования прерывания, поступающий на ЭВМ. Удовлетворяя требования прерывания, ЭВМ считывает содержимое БЗУ и обрабатывает выборки сигнала по программе цифровой фильтрации. Результатом обработки выборок входного сигнала являются значения РГМ, которые запоминаются в памяти ЭВМ. Накопив 1000 значений измеренных РГМ программа переходит на статистическую обработку полученных результатов. По окончании обработки на экран дисплея выводится следующая информация:
- математическое ожидание измеренных значений РГМ;
- доверительный интервал с вероятностью 0,95;
- допустимая ошибка измерения в соответствии с международными рекомендациями «ARINC-710».
Исследования модели производились при различных значениях РГМ и различных уровнях шумовой помехи. Результаты исследования приведены на рис. 9.
Как видно из графика зависимости ошибки измерения РГМ от уровня шумовой помехи (рис. 9) при отношении сигнал/шум на входе ФНЧ, равном 10 дБ, ошибка измерения в зоне центрирования лишь незначительно превышает допустимое значение ошибки по «ARING-710».
При уровне высокочастотного сигнала 50 мкВ на входе приемника ILS, оговоренного «ARING-710», отношение сигнал/шум на входе ФНЧ будет более 20 дБ, что позволяет реализовать измерение РГМ имея значительный запас по точности.
Исследование восприимчивости модели к гармонической помехе различной частоты позволяет получить сквозную амплитудно-частотную характеристику тракта обработки сигналов маяков ILS. Нормированная сквозная амплитудно-частотная характеристика тракта приведена на рис.10.
Полученные результаты доказали высокую точность совпадения измеренной АЧХ с расчетными значениями, полученными при разработке программы цифрового фильтра. Как видно из графика, частотная характеристика цифрового фильтра обладает крутизной скатов, обеспечивающих высокую помехозащищенность последовательного тракта обработки сигналов.
Рис. 9. Зависимость ошибки измерения РГМ от уровня шумовой помехи
Ширина полосы пропускания цифрового фильтра определяется только требованиями по постоянной времени тракта обработки и является минимально допустимой. Так как стабильность характеристики АЧХ тракта гарантируется стабильностью опорного кварцевого генератора, нет необходимости расширять полосы пропускания фильтров 90 и 150 Гц из-за климатических воздействий.
Исследование точностных характеристик модели тракта обработки сигналов маяков ILS при уходе частоты информативных сигналов 90 и 150 Гц на ±
Рис. 10. Нормированная АЧХ тракта 1% показало что ошибка измерения РГМ составляет величину 0,0004 - 0,0007 РГМ и практически
может не учитываться. Это объясняется тем, что цифровые фильтры составляющих 90 и 150 Гц выбраны равнодобротными и имеют уплощенную вершину. Поэтому амплитуды составляющих 90 и 150 Гц при пропорциональном отклонении от центральной частоты изменяются незначительно, и на одну и ту же величину. Поскольку АЧХ цифровых фильтров определяется весовыми коэффициентами, заложенными в памяти ЭВМ, и частотой дискретизации входного сигнала, которая стабилизирована кварцевым генератором, влияние ухода частоты 90 и 150 в пределах, допустимых нормами на маяки ILS, не приведет к заметным ошибкам измерения РГМ и при воздействии климатических факторов.
Выводы
1. Результаты математического моделирования показали, что точностные характеристики цифровой обработки обеспечивают требования к аппаратуре посадки □ категории ICAO.
2. Существующая элементная база позволяет реализовать цифровую обработку сигналов посадочных маяков ILS в реальном масштабе времени.
3. Создание полунатурной модели тракта цифровой обработки сигналов маяков ILS позволило произвести подробное исследование точностных характеристик тракта обработки сигналов бортовой посадочной аппаратуры метрового диапазона радиоволн IV поколения. Исследование подтвердило высокие, соответствующие международным стандартам, метрологические характеристики, полученные при математическом моделировании этого тракта.
4. Реализация цифровой обработки сигналов в бортовой посадочной аппаратуре позволяет значительно улучшить точностные характеристики радиооборудования ILS-85-01 по сравнению с существующими образцами и обеспечить высокую стабильность этих характеристик при эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кондрашов В.И., Федоренко В.Н. Бортовые радиотехнические средства ближней навигации и инструментальной посадки летательных аппаратов // Научно-технический журнал «Технология и конструирование в электронной аппаратуре», Киев-Одесса, №1, 2002.
2. Хаймович И.А., Иванов П.И., Устроев Ю.Е., Аксамит А.А., Панов Э.А. Бортовые радиоустройства посадки самолетов. - М.: Машиностроение, 1980.
3. ILS-2300. ILS RECEIVER. Проспект фирмы EAS (Франция).
4. Алмазов Л.А., Кондрашов В.И., Морозов И.И., Музыченко В.Н., Потопальский В.Г., Сопрунов В.К.
Приемник инструментальной посадки / Авторское свидетельство СССР на изобретение №1344064 от 8.07.1987.
5. Алмазов Л.А., Кондрашов В.И. Реализация цифровой обработки сигналов в бортовой аппаратуре навигации и посадки метрового диапазона. // Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Проблемы совершенствования радиоэлектронных комплексов и систем обеспечения полетов». - Киев: КИИГА, 13-15.09.1989.
6. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, I978.
APPLICATION OF THE DIGITAL FILTRATION FOR PROCESSING SIGNALS OF RADIO BEACONS OF SYSTEM OF LANDING OF FLYING DEVICES ILS
Kondrashov V. I., Almazov L.A.
Techniques of research and a way of realization of noiseproof tracts low frequency digital processing of signals of ground radio beacons of system ILS in onboard radio equipment of tool landing of flying devices of IV generation ILS -8501 are shown. The estimation exact characteristics of such tracts on conformity with recommendations of international documents “ARINC-710” and “Norms fly is given to the validity of planes-3”.
Сведения об авторах
Кондрашов Виктор Иванович, 1939 г.р., окончил МАИ (1964), доктор технических наук, вицепрезидент, академик Аэрокосмической Академии Украины, главный конструктор радиотехнических систем навигации и посадки летательных аппаратов, лауреат Государственной премии Украины, автор более 240 научных работ, область научных интересов - радионавигация, радио и гидролокация, радиотехнические системы, дистанционное зондирование, синтез структур и обработка сигналов.
Алмазов Леонид Александрович, 1946 г.р., окончил КГУ (1969), кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Укр НИИ РА, лауреат Государственной премии Украины, автор более 50 научных работ, область научных интересов - физика полупроводников, обработка сигналов, математическое моделирование радиотехнического оборудования и систем контроля, программирование вычислительных и управляющих средств.
