陳斌

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

微波著陸系統(tǒng)（Microwave Landing System，MLS）是一種精密引導(dǎo)進(jìn)場(chǎng)著陸系統(tǒng)，目前已得到廣泛應(yīng)用。MLS通過實(shí)時(shí)測(cè)量飛機(jī)的方位角、仰角和距離確定飛機(jī)坐標(biāo)，為進(jìn)場(chǎng)著陸的飛機(jī)提供靈活多樣的進(jìn)場(chǎng)引導(dǎo)、拉平引導(dǎo)和復(fù)飛引導(dǎo)，以保證飛機(jī)安全著陸。MLS除了能提供方位、仰角和距離引導(dǎo)信息外，還具有一個(gè)向飛機(jī)發(fā)播信息的地-空數(shù)據(jù)鏈路，其中涵蓋了地面設(shè)備功能識(shí)別、信號(hào)覆蓋范圍、最低下滑角、MLS臺(tái)站參數(shù)和機(jī)場(chǎng)信息等內(nèi)容。機(jī)載接收機(jī)在收到MLS地-空數(shù)據(jù)鏈路發(fā)播的數(shù)據(jù)后，將會(huì)用于處理角度、修改或調(diào)整接收機(jī)輸出量等功能，以提供給其它機(jī)載設(shè)備使用。所以確保MLS數(shù)據(jù)信號(hào)的正確產(chǎn)生就顯得十分重要。

本文介紹了一種 MLS數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生的方法，通過采用高性能的FPGA，在時(shí)鐘的同步下按一定格式產(chǎn)生不同功能的 MLS數(shù)據(jù)信號(hào)。該方法調(diào)試簡單、可靠性高，充分利用FPGA的工作特性，有效保證產(chǎn)生的MLS數(shù)據(jù)信號(hào)的正確性和完好性。

1 組成[1][3]

MLS數(shù)據(jù)信號(hào)包括：前導(dǎo)碼、基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字。

前導(dǎo)碼[3]是在 MLS信號(hào)整個(gè)覆蓋扇區(qū)范圍內(nèi)發(fā)播的用于識(shí)別其后隨信號(hào)功能的數(shù)據(jù)，包括載波捕獲時(shí)間、接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼和功能識(shí)別碼。

基本數(shù)據(jù)字[3]是由地面設(shè)備發(fā)播的與著陸引導(dǎo)系統(tǒng)工作直接有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括地面設(shè)備狀態(tài)信息、信號(hào)覆蓋范圍、最低下滑角、地面設(shè)備識(shí)別碼等內(nèi)容。

輔助數(shù)據(jù)字[3]是除基本數(shù)據(jù)以外，發(fā)播的供精確飛機(jī)位置計(jì)算使用的地面設(shè)備位置信息和其它補(bǔ)充信息的數(shù)據(jù)，包括地面設(shè)備位置信息、MLS數(shù)據(jù)點(diǎn)位置信息、跑道信息、場(chǎng)面風(fēng)速等內(nèi)容。

2 信號(hào)格式與發(fā)播時(shí)序

2.1 信號(hào)格式

MLS數(shù)據(jù)信號(hào)以射頻載波 DPSK調(diào)制的方式發(fā)播。DPSK是利用前后碼元之間載波相位的相對(duì)變化來傳遞信息的一種編碼方式。“0”碼由 0°±10°相移表示，“1”碼由 180°±10°相移表示，調(diào)制速率為15625 bit/s，每個(gè)碼元占一個(gè)時(shí)鐘脈沖，即每個(gè)碼元的寬度為64 μs。

2.2 發(fā)播時(shí)序

MLS信號(hào)發(fā)播是按周期進(jìn)行的，其發(fā)播周期是一個(gè)最大為615 ms長的時(shí)間段，如圖1所示，其中包含了4個(gè)順序?qū)腿舾蓵r(shí)隙，每個(gè)順序?qū)χ信帕兄枰獔?zhí)行的各種角功能時(shí)隙和數(shù)據(jù)字時(shí)隙，如圖2所示。

MLS數(shù)據(jù)信號(hào)按照?qǐng)D1和圖2的要求依次產(chǎn)生。角功能時(shí)，只產(chǎn)生前導(dǎo)碼即可。數(shù)據(jù)字功能時(shí)，則要產(chǎn)生前導(dǎo)碼、地址碼（僅限輔助數(shù)據(jù)字）、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位，其發(fā)播順序如圖3和圖4所示。

圖1 MLS順序?qū)ε帕信c全周期信號(hào)格式

圖2 全周期信號(hào)格式中的發(fā)播順序?qū)?/p>

圖3 基本數(shù)據(jù)字發(fā)播順序

圖4 輔助數(shù)據(jù)字發(fā)播順序

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 前導(dǎo)碼的設(shè)計(jì)

前導(dǎo)碼由載波捕獲時(shí)間、接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼和功能識(shí)別碼組成。

載波捕獲時(shí)間共占832μs，即13個(gè)碼元，通常按照全“0”碼發(fā)播。

接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼共占320μs，即5個(gè)碼元，其形式固定為11101。根據(jù)DPSK編碼方式，產(chǎn)生的信號(hào)波形如圖5所示。

功能識(shí)別碼共占448μs，即7個(gè)碼元，前5位是信息位，可提供多至31種功能識(shí)別，后2位是奇偶校驗(yàn)位（滿足偶校驗(yàn)）。MLS中，常用的功能識(shí)別碼如圖5所示。根據(jù)DPSK編碼方式，在圖5中給出了產(chǎn)生的信號(hào)波形。

圖5 接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼和功能識(shí)別碼

上述各信號(hào)均通過VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

3.2 基本數(shù)據(jù)字的設(shè)計(jì)

基本數(shù)據(jù)字共有6個(gè)，每個(gè)字占45位，其中前25位是前導(dǎo)碼，最后2位是校驗(yàn)位，中間18位是數(shù)據(jù)位。

根據(jù)《ICAO附件10》中的有關(guān)規(guī)定，要求18位數(shù)據(jù)位（I13～I(xiàn)30）的2位校驗(yàn)位（I31～I(xiàn)32）滿足奇校驗(yàn)，具體關(guān)系[3]如下：

I13+I14+I15+…+I29+I30+I31=ODD

I14+I16+I18+…+I28+I30+I32=ODD

將上述關(guān)系用VHDL語言進(jìn)行描述，程序如下：

--計(jì)算校驗(yàn)位I31

process(BDW_bit)

variable tmp1,tmp1n:std_logic;

begin

tmp1:='0';

for i in 0 to 17 loop

tmp1:=tmp1 xor BDW_bit(i);

tmp1n:=not tmp1;

end loop;

I31＜=tmp1n;

end process;

--計(jì)算校驗(yàn)位I32

process(BDW_bit)

variable tmp2,tmp2n:std_logic;

begin

tmp2:='0';

for i in 0 to 8 loop

tmp2:=tmp2 xor BDW_bit(2*i+1);

tmp2n:=not tmp2;

end loop;

I32＜=tmp2n;

end process;

根據(jù)DPSK信號(hào)特點(diǎn)可知，每種碼元的第一位碼元都以前一種碼元的最后一位碼元作為調(diào)制基準(zhǔn)，故基本數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)據(jù)位的第一位碼元應(yīng)以相應(yīng)功能識(shí)別碼的最后一位碼元作為基準(zhǔn)，而隨后的數(shù)據(jù)位碼元據(jù)此類推即可。同理，可產(chǎn)生校驗(yàn)位的信號(hào)波形。使用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，部分程序如下：

--產(chǎn)生數(shù)據(jù)位第一位碼元

if BDW1(0)='1' then

DPSK_temp0＜=not FUNCCODE_BDW1(6);

DPSK＜=not FUNCCODE_BDW1(6);

if cnt＜63 then

cnt＜=cnt+1;

else

cnt＜=0;

w＜=13;

end if;

else

DPSK_temp0＜=FUNCCODE_BDW1(6);

DPSK＜=FUNCCODE_BDW1(6);

if cnt＜63 then

cnt＜=cnt+1;

else

cnt＜=0;

w＜=13;

end if;

end if;

3.3 輔助數(shù)據(jù)字的設(shè)計(jì)

輔助數(shù)據(jù)字分A、B和C三部分，每部分最多可達(dá)64個(gè)字，每個(gè)字占89位，其中前25位是前導(dǎo)碼，隨后8位是地址碼，最后7位是校驗(yàn)位，中間49位是數(shù)據(jù)位。

根據(jù)《ICAO附件10》中的有關(guān)規(guī)定，要求8位地址碼（I13～I(xiàn)20）、49位數(shù)據(jù)位（I21～I(xiàn)69）的7位校驗(yàn)位（I70～I(xiàn)76）滿足偶校驗(yàn)，具體關(guān)系[3]如下：

（ I13+…+I18） +I20+I22+I24+I25+I28+I29+I31+I32+I33+I35+I36+I38+I41+I44+I45+I46+I50+（I52+…+I55）+I58+I60+I64+I65+I70=EVEN

（ I14+…+I19） +I21+I23+I25+I26+I29+I30+I32+I33+I34+I36+I37+I39+I42+I45+I46+I47+I51+（I53+…+I56）+I59+I61+I65+I66+I71=EVEN

（ I15+…+I20） +I22+I24+I26+I27+I30+I31+I33+I34+I35+I37+I38+I40+I43+I46+I47+I48+I52+（I54+…+I57）+I60+I62+I66+I67+I72=EVEN

（ I16+…+I21） +I23+I25+I27+I28+I31+I32+I34+I35+I36+I38+I39+I41+I44+I47+I48+I49+I53+（I55+…+I58）+I61+I63+I67+I68+I73=EVEN

（ I17+…+I22） +I24+I26+I28+I29+I32+I33+I35+I36+I37+I39+I40+I42+I45+I48+I49+I50+I54+（I56+…+I59）+I62+I64+I68+I69+I74=EVEN

（ I13+…+I17） +I19+I21+I23+I24+I27+I28+I30+I31+I32+I34+I35+I37+I40+I43+I44+I45+I49+（I51+…+I54）+I57+I59+I63+I64+I69+I75=EVEN

I13+I14+…+I68+I69+I70+I71+I72+I73+I74+I75+I76=EVEN

將上述關(guān)系用VHDL語言進(jìn)行描述，由于產(chǎn)生I70～I(xiàn)75的程序類同，這里僅給出產(chǎn)生I70、I76的程序，具體如下：

--計(jì)算校驗(yàn)位I70

process(ADW_bit)

begin

I70＜=ADW_bit(0) xor ADW_bit(1) xor ADW_bit(2) xor ADW_bit(3)

xor ADW_bit(4) xor ADW_bit(5) xor ADW_bit(7) xor ADW_bit(9)

xor ADW_bit(11) xor ADW_bit(12) xor ADW_bit(15) xor ADW_bit(16)

xor ADW_bit(18) xor ADW_bit(19) xor ADW_bit(20) xor ADW_bit(22)

xor ADW_bit(23) xor ADW_bit(25) xor ADW_bit(28) xor ADW_bit(31)

xor ADW_bit(32) xor ADW_bit(33) xor ADW_bit(37) xor ADW_bit(39)

xor ADW_bit(40) xor ADW_bit(41) xor ADW_bit(42) xor ADW_bit(45)

xor ADW_bit(47) xor ADW_bit(51) xor ADW_bit(52);end process;

--計(jì)算校驗(yàn)位I76

process(ADW_bit)

variable tmp3:std_logic;

begin

tmp3:='0';

for i in 0 to 56 loop

tmp3:=tmp3 xor ADW_bit(i);

end loop;

I76_temp＜=tmp3;

end process;

I76＜=I76_temp xor I70 xor I71 xor I72 xor I73 xor

I74 xor I75;

輔助數(shù)據(jù)字地址碼、數(shù)據(jù)位以及校驗(yàn)位的信號(hào)波形產(chǎn)生原理與基本數(shù)據(jù)字相同，這里不再贅述。

3.4 數(shù)據(jù)字發(fā)播控制的設(shè)計(jì)

在圖1所示的全周期信號(hào)格式中，通常會(huì)指定基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字的發(fā)播位置，該位置稱之為數(shù)據(jù)字時(shí)隙，即基本數(shù)據(jù)字時(shí)隙和輔助數(shù)據(jù)字時(shí)隙。每個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)隙發(fā)播哪一個(gè)數(shù)據(jù)字由用戶指定，將正確的數(shù)據(jù)字內(nèi)容填入相應(yīng)數(shù)據(jù)字時(shí)隙是確保數(shù)據(jù)字發(fā)播正確的基礎(chǔ)。下面就如何將數(shù)據(jù)字內(nèi)容正確的填入相應(yīng)數(shù)據(jù)字時(shí)隙進(jìn)行介紹?；緮?shù)據(jù)字共有6個(gè)，種類少、便于實(shí)現(xiàn)，只需對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)字時(shí)隙的指定標(biāo)識(shí)進(jìn)行判斷，就可將正確的基本數(shù)據(jù)字內(nèi)容填入數(shù)據(jù)字時(shí)隙。具體程序如下：

--功能識(shí)別碼和數(shù)據(jù)字內(nèi)容選擇

process(NUM_BDW)

begin

case NUM_BDW is

when＂001＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂0110000

BDW ＜= BASICDW1;

when＂010＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂0101000

BDW ＜= BASICDW2;

when＂011＂=＞FUNCCODE_BDW＜=＂1100000

BDW ＜= BASICDW3;

when＂100＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂1111000＂;＂;＂;＂;

BDW ＜= BASICDW4;

when＂101＂=＞FUNCCODE_BDW＜=＂1001000＂;

BDW ＜= BASICDW5;

when＂110＂=＞FUNCCODE_BDW＜= ＂0001001＂;

BDW ＜= BASICDW6;

when others =＞ null;

end case;

end process;

輔助數(shù)據(jù)字共3類，每類包括64個(gè)，涉及種類較多。將正確的輔助數(shù)據(jù)字內(nèi)容填入數(shù)據(jù)字時(shí)隙主要需進(jìn)行以下工作：

（1）功能識(shí)別碼選擇；

（2）地址碼選擇；

（3）數(shù)據(jù)位選擇等。

由于程序較長，這里不再逐一介紹。

綜上，產(chǎn)生基本數(shù)據(jù)字信號(hào)波形的流程如圖6所示。產(chǎn)生輔助數(shù)據(jù)字信號(hào)波形的流程如圖7所示。

圖6 基本數(shù)據(jù)字信號(hào)波形產(chǎn)生流程

圖7 輔助數(shù)據(jù)字信號(hào)波形產(chǎn)生流程

4 設(shè)計(jì)應(yīng)用

本文所介紹的 MLS數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法，目前已應(yīng)用于工程實(shí)際。

圖8 HAZ前導(dǎo)碼的信號(hào)波形圖

圖9 EL前導(dǎo)碼的信號(hào)波形圖

高速率進(jìn)近方位（HAZ）前導(dǎo)碼的信號(hào)波形如圖8所示。進(jìn)近仰角（EL）前導(dǎo)碼的信號(hào)波形如圖9所示?；緮?shù)據(jù)字（BD）的信號(hào)波形如圖10所示。輔助數(shù)據(jù)字（AD）的信號(hào)波形如圖11所示。

圖10 BD的信號(hào)波形圖

圖11 AD的信號(hào)波形圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的 MLS數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生方法原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、精度高、可靠性好，目前已在某型無線電導(dǎo)航設(shè)備中得到了應(yīng)用。通過外場(chǎng)試驗(yàn)，證明該方法能有效保證產(chǎn)生的 MLS數(shù)據(jù)信號(hào)的正確性和完好性。

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