DME测距机精度问题和信号覆盖分析

一、DME测距机简介1目的测距机（DME）系统提供飞机与地面站之间斜距（视线）距离的测量。2总体概述DME系统有两个询问器和两个天线。询问器获得人工调谐输入和来自导航控制面板的飞行管理计算机系统（FMCS）的自动调谐输入。如果导航控制面板调谐输入故障，则询问器从FMC直接获得自动调谐输入。DME系统将数据发送到显示电子组件以显示在主要飞行显示器（PFD）和导航显示器（ND）上。DME系统向下列部件发送数据：①飞行操纵计算机（FCC）②飞行管理计算机系统（FMCS）③飞行数据获取组件（FDAU）④遥控电子组件（REU）FCC使用DME数据作为一个输入来计算在自动驾驶仪在VOR模式下的VOR捕获点。DME数据同时被用在VOR模式来查找对于特定VOR地面站何时被感测到飞越该站。FMCS使用DME来计算FMC位置更新。飞行数据获取组件接收DME数据，将它格式化后送到飞行数据记录器。REU接收来自DME台站的音频信号并送到驾驶舱头戴式收受话器和扬声器。DME系统在下列组件间发送和接收抑制脉冲：①DME②ATC③TCASDME询问器接收台站音频标识符并将它们传送到遥控电子组件（REU）。3部件位置（1）驾驶舱其中在驾驶舱内且与DME系统有接口的部件：①左内侧和外侧显示组件②左右EFIS控制面板③右内侧和外侧显示组件④机长和副驾驶导航控制面板⑤机长和副驾驶音频控制面板。（2）电子设备舱和天线其中在电子设备舱中：DME1询问器、DME2询问器。在飞机外面：DME1天线、DME2天线。4功能描述（1）正常调谐输入导航控制面板是调谐输入的正常来源。飞行管理计算机（FMC）向导航控制面板发送多达四个频道的自动调谐信号。导航控制面板增加一路人工频道，并将这五路调谐频道发送到DME询问器。（2）备用调谐输入如果导航控制面板有故障，FMC直接向DME发送自动信号。（3）离散输入当导航控制面板故障时，它接地发出一个频率源选择离散信号到DME中央处理器（CPU）。CPU将输入从导航控制面板改变到FMC。接近电门电子组件（PSEU）提供一个空/地离散信号以防止飞机在空中时执行DME检测。该离散信号也提供飞行阶段数据。（4）工作CPU使用调谐输入来调谐频率合成器。CPU向发射机提供一个信号来发射询问脉冲。发射脉冲经过一个循环器然后到达天线。发射机向抑制电路发送一个信号。在发射过程中，DME1询问器内的抑制电路向DME2询问器，ATC1和2应答机（XPNDR），以及TCAS计算机发送抑制脉冲。该抑制脉冲阻止其它LRU内的接收机工作以防止内部电路损坏。在接收机上有一个CPU接口和一个内存卡插槽。该插槽用于车间使用并能下载故障存储器信息。（5）接收循环器向接收机发送它自天线接收来的RF脉冲对。接收机将该脉冲对传送到CPU。CPU计算斜距。它使用发射脉冲对并从地面站得到回复所花费的时间。当其它L波段系统发射时，一个禁止脉冲阻止该接收机工作。（6）询问器输出CPU计算斜距后，CPU将它发送到两个ARINC429发射机。一个ARINC429将范围数据发送到DEU用于驾驶舱显示和其它系统。第二个ARINC429发射机将范围数据发送到飞行操纵计算机。CPU将脉冲对发送到脉冲对解码器。解码器向REU发送DME音频。（7）BITE组件CPU内的机载检测设备（BITE）监测DME询问器内电路的故障。DME内的故障存储器保存每次飞行的故障数目。车间人员可读取故障存储器内容。（8）检测当CPU接收到来自导航控制面板的检测指令时，它执行询问器检测。也可以按压询问器前面板的检测电门。检测结果显示在DME询问器前面板的LCD显示屏上。二、影响DME测距精度的因素分析对于距离的测量是机载接收机发出询问脉冲，测距器地面台接收到询问脉冲后，经过一个固定延时，发出含有编码信息的应答脉冲，机载接收机接到应答脉冲后，通过发送与接收脉冲的时间间隔计算出相对于地面台站的直线距离信息。当飞机按照导航信息进港并准备着陆时，飞行高度会逐渐降低，机场周围的山体、房屋、停放的大型飞机等物体可能会引发多路径干扰，影响测距器发出的脉冲波形，脉冲波形的畸变会导致机载接收机测得的间隔时间出现偏差。经过实际运行的经验，多路径干扰是影响DME测距精度的最主要原因。另外，也有一些其他因素也会引发测距误差，以下进行详细介绍。1多径干扰在机场周围，不可避免的存在一些房屋、金属设备、停放飞机等各类物体，当信号照射到这些物体的表面时，都可能产生反射。反射的信号的大小、相位或者持久度的变化是很复杂的。这些干扰信号都会不同程度的对测距器地面台天线和机载接收机天线造成影响。不同类型的干扰信号会和正确信号混合一起进入接收机，改变信号的脉冲波形。处理器是通过检测脉冲波形得到时间间隔的，这种畸变后的波形就会使测量到的时间间隔不够准确，严重影响飞行安全。各类金属或水泥物体所反射的多路径干扰信号，传播的路程通常比设备发射的正确信号所经历的路程长。因此，对正确信号脉冲波形前沿的起始上升部分的影响是非常小的。根据这种情况，我们可以将检测时门限的电平设置的低一些，就可以大幅减小干扰信号做造成的误差。需要注意的是，在脉冲前沿的开始部分，设备内部的噪声对信号的干扰也比较大，要从噪声中检测出正确信号的难度比较的。针对种种原因，建议将信号脉冲波形的前沿的上升幅度增快，也就是加大前沿的上升角度，同时，再将门限电平设置的低一些。通过这些方法就可以有效的缩小多路径干扰对测距精度造成的影响。2应答器收到的询问信号幅度强弱不等所产生的误差当测距器开机，应答器开始运行时，需要在同一时刻接收空中距离相差不等，甚至很远的各类飞机发送的询问脉冲信号，距离不同，应答器收到的询问信号的强弱不同，一般可相差大约80dB。如果在这种情况下，使用相同的检测门限电平值来进行测量，那么较强信号将比弱信号早一定的时间到达这个相同的检测门限电平值，这个时间的差异也会测距误差。如果接收信号的动态范围比较大，我们就可以对电路做一些改良，例如，使用瞬时自动增益控制（IAGC）电路。但是，在瞬时自动增益控制情况下，往往要采用具有一定数值的时间常数电路来完成控制作用，这样就会严重改变接收脉冲波形的前沿形状，从而造成测距误差。以上造成测距误差的各类因素，对于飞机上的询问器是不存在的，因为对于任一飞机询问器，在同一瞬间只需接收一个地面台的回答信号，这样，利用自动增益控制电路（AGC），就可以保持输出信号电平基本不变。3脉冲幅度、判决门限电平不稳定产生的误差测距误差不仅取决于脉冲前沿的上升时间，还与其所测量距离有关。这是由于辐射功率的大小、接收机增益的大小直接影响到判决门限电平与脉冲上升沿的相交时间，由于它们的变化，就可直接影响到测距精度的大小。对精密测距器，测距精度用航迹跟踪误差（PFE）参数来测量，以保证达到必需的测距精度。4其他一些影响测距精度的因素由DME工作原理可知，它的测距公式02TTLC中的To为固定的50μs系统延时，这样，在所测的时间间隔中，就应去掉50μs这样一个固定值，才是所测距离对应的延时时间。但是，由于设备工作环境的影响，以及电路的非一致性，会使To有一些变化，从而产生测量误差。另外，在目前所采用的测距系统中，往往利用数字计数器完成时间间隔的测量，这样，不可避免地会出现量化误差，或因计数时钟的频率不稳定带来计数误差，这样都会给测距带来误差。但是，对于上述两种产生误差的因素，可以在电路上采取一些相应的措施，如利用导脉冲法，提高计数时钟的频率，采用高频率稳定度的计数时钟等，可以使误差减至最小。根据日常设备的使用经验，为了确保设备工作稳定可靠，较小飞机的测距误差，确保飞行安全。技术人员需要定期对测距器的主要工作参数进行定量测量。包括：射频功率、应答机的发射功率、脉冲间隔、发射速率、应答延时、频率稳定性、脉冲频谱特性、接收机灵敏度、邻波道抑制、识别码等。三、DME信号覆盖分析1DME/DME导航有效覆盖区域单个DME台无法定位，只有同时收到2个或2个以上DME台信号时才能确定飞机的位置，即DME/DME导航。飞行中目标飞机必须处于该DME台的最大作用范围之内才为有效覆盖区域。因此，飞机必须满足以下条件：（1）飞机必须位于2个DME台的公共覆盖范围之内；（2）必须保证飞机与两DME台站之间的夹角必须在30°~150°之间。2有效覆盖区域的确定：A，B为两DME台站的位置，首先以A，B两点为圆心，以A，B两点间距离为半径作圆，两圆的交点为o，o’，可以看出o，o’为以A，B两点间距离为半径且过A，B两点的圆的圆心，C，C’，D分别为两圆上三点。由上图可知60'''BAoAoBABBoAooBoA则弧AC’B所对应的圆心角30060360'ABo由圆周角定理：在同圆中，同弧所对应的圆周角等于圆心角的一半，得以下条件：15030ADBACB当飞机在弧ACB和弧AC’B上任意一点时，飞机与两DME台的夹角为30°；当飞机在弧ADB和弧AEB上运动时，飞机与两DME台的夹角为150°，综上DME/DME信号有效覆盖范围如下图阴影部分所示。3影响DME覆盖能力的因素影响DME覆盖能力的因素除了其天线方向性图外，主要有地形以及飞行高度层。（1）地形对DME信号覆盖范围的影响单个DME信号覆盖范围是个三维空间，通过不同方位的垂直剖面将DME的覆盖范围转化为多个二维问题，即在指定高度上，连接信号水平方向上360°的各个方向上能够达到的最远点所形成的闭合曲线。进行地形遮蔽情况的分析，首先要对接收机附近的地形进行可视性分析。可视性分析也称通视分析，它的实质属于对地形进行最优化处理的范畴，已经广泛应用在地理信息系统的各个方面。可视性分析的一种常用方法是斜率判断法：比较目标仰角是否大于地物的最大遮蔽角。分析模型如下图所示设DME台站坐标为),,(aaah，某一方位上障碍物坐标为),,(iiih，DME台站到飞机的水平距离为di，仰角为θi，Re=8493km是考虑大气折射时的等效地球半径。DME台站与障碍物最高点的地心夹角为：)sinsin)cos(cosarccos(cosiaiaia障碍物到DME台站的仰角i为：sin)()(cos)(arctanieaeieihRhRhR由此式可求得该方位上的仰角，将{θi}的最大值作为本方位的基准遮蔽角θ0i。图为某一具有复杂地形区域的DEM数据，该区域的海拔分布在0~288m范围内，相应的等高线图如图4所示，图中“+”号所在位置为DME台站位置，该点的海拔高度为21m。该地区不同海拔高度DME信号覆盖情况如图（a）（b）（c）所示。图(a)为飞行高度为400m时DME信号覆盖情况，虚线和实线分别为不考虑地形影响和考虑地形影响时DME信号覆盖情况，由图可知在不考虑地形遮蔽影响时DME信号覆盖为一常数，360°内覆盖情况相等，但考虑地形影响则不同。(a)飞行高度400m时DME信号覆盖情况(b)飞行高度3000m时DME信号覆盖情况(c)飞行高度8900m时DME信号覆盖情况结合地数据可以看出，在DME台站方位角在65°到154°的方位角高程值较高，这些方位上DME信号覆盖范围较小，最大遮蔽角达到0.7160°，最小覆盖范围为27.743km，其他方位上地势平坦基本不受地形影响。地形遮挡直接影响到DME信号覆盖范围的大小，且遮蔽角大的方位角上覆盖范围较小，因此在对DME台站进行选址时需要对地形影响予以考虑。（2）飞行高度对DME信号覆盖范围的影响DME信号的覆盖范围同样受到飞行高度层的影响。对比图(a)~图(c)，图(a)和图(b)在34°和287°时覆盖范围相对周围都有所减小，但减小程度有所不同，而图(c)在这2个角度上却未发生变化，可见DME台站对高空的覆盖情况明显优于对低空的覆盖情况。这主要是因为高空目标处于DME天线增益最强的方向上，同时受地形的影响逐渐减小。对于此类区域，通常将DME台站建在区域最高点处，以消除周边地形对DME信号覆盖范围的影响。