儀表著陸系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的原理及調(diào)整

簡(jiǎn)建紅

摘 要：該文從儀表著陸系統(tǒng)的重要性出發(fā)，簡(jiǎn)單介紹了儀表著陸系統(tǒng)的工作原理。利用空間信號(hào)矢量合成及鏡像天線原理，對(duì)航向、下滑信標(biāo)臺(tái)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析，闡述了航向、下滑監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信號(hào)合成的幅度及相位關(guān)系，揭示了航向、下滑信標(biāo)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的理論要求。其后，介紹了Normarc公司7000B系列設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法，以及在這種實(shí)現(xiàn)方式下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試方法及步驟。該文對(duì)儀表著陸系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試、維護(hù)及維修提供有價(jià)值的理論依據(jù)，同時(shí)為后續(xù)對(duì)航向、下滑信標(biāo)的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：儀表著陸系統(tǒng) 監(jiān)控 網(wǎng)絡(luò) 空間信號(hào)合成 調(diào)整

中圖分類號(hào)：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0060-02

儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System），俗稱盲降。這是在精密進(jìn)近程序的最后階段，為飛機(jī)提供航向道和下滑道信號(hào)，引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)定的軌跡下降著陸。儀表著陸系統(tǒng)信號(hào)準(zhǔn)確性及完好性直接影響到航空安全，也關(guān)系到機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的天氣標(biāo)準(zhǔn)及航班的正常率。在民航的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)規(guī)程中要求導(dǎo)航設(shè)備運(yùn)行的完好率要達(dá)到90%，而正常率要達(dá)到99.98%。由此，需要一套完整的系統(tǒng)對(duì)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控。

1 儀表著陸系統(tǒng)簡(jiǎn)介

ILS的地面設(shè)備包括航向信標(biāo)臺(tái)（LOC）、下滑信標(biāo)臺(tái)（GP）及測(cè)距儀（DME）。航向信標(biāo)臺(tái)設(shè)置在飛機(jī)著陸方向的對(duì)端，其天線陣通常設(shè)置在跑道中線延長(zhǎng)線上，它由一組垂直于跑道中心線的天線組成，向前輻射出航向信號(hào)，為進(jìn)場(chǎng)著陸的飛機(jī)提供相對(duì)于跑道中心線的水平方位引導(dǎo)信息。下滑信標(biāo)臺(tái)則設(shè)置在跑道入口端，位于跑道的一側(cè)，其天線陣由一組掛在下滑鐵塔上的垂直于地面的天線組成，向前輻射出下滑信號(hào)，為進(jìn)場(chǎng)著陸的飛機(jī)提供垂直方位引導(dǎo)信息。

為了能給飛機(jī)提供水平方向及垂直方向的引導(dǎo)信號(hào)，在《國(guó)際民航公約》的附件10中對(duì)航向及下滑的信號(hào)的場(chǎng)型、分布及強(qiáng)度等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。如在附件10中第三章第一節(jié)“儀表著陸系統(tǒng)（ILS）規(guī)范”中，“3.1.3甚高頻航向信標(biāo)及其監(jiān)視器”對(duì)航向的射頻、覆蓋、航道結(jié)構(gòu)、載波調(diào)制、航道對(duì)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度、位移靈敏度及監(jiān)控提出了要求，而在3.1.4中則對(duì)下滑相應(yīng)的內(nèi)容提出了具體的要求。

如何形成符合要求的空間場(chǎng)型呢，航向的實(shí)現(xiàn)方法就在跑道延長(zhǎng)線上在與跑道垂直的方向上安裝一排的航向天線陣，而下滑則是根據(jù)場(chǎng)地地形設(shè)置在跑道的一側(cè)，在鐵塔上垂直安裝2～3個(gè)下滑天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。分配網(wǎng)絡(luò)將航向機(jī)房送來(lái)的射頻信號(hào)CSB和SBO（雙頻系統(tǒng)還有CLR CSB及CLR SBO）進(jìn)行幅度與相位的分配，以特定的幅度和相位關(guān)系饋給每個(gè)天線單元，將信號(hào)輻射到出去后在空間合成，形成航道及下滑道扇區(qū)。

當(dāng)天線將信號(hào)發(fā)射出去后在空間合成，給飛機(jī)提供引導(dǎo)信號(hào)。但怎樣才能保證信號(hào)的符合附件10要求的呢。當(dāng)然，每180天的飛行校驗(yàn)，讓校驗(yàn)飛機(jī)在空中接收航向信號(hào)，通過(guò)分析來(lái)檢查信號(hào)是否合格是最好的方法。但在平時(shí)，我們?cè)趺礄z查信號(hào)是否正常呢，這就要依靠監(jiān)控系統(tǒng)了。通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)發(fā)射出去的信號(hào)進(jìn)行取樣分析，來(lái)保證信號(hào)的正常。下面就以國(guó)內(nèi)使用最普遍的Normarc設(shè)備為例對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論分析。

2 航向監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分析

為了監(jiān)控航向發(fā)射的信號(hào)，我們可以在外場(chǎng)接收信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣分析。比如為了檢查航道的位置，在天線前端約100 m處的跑道中心延長(zhǎng)線上安裝一個(gè)近場(chǎng)監(jiān)控天線。對(duì)這個(gè)天線所收到的信號(hào)進(jìn)行分析，得到它的信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)制度和及調(diào)制度差。由此來(lái)監(jiān)控航道信號(hào)的正確與否。

但是，其它位置的信號(hào)是否正確呢？比如寬度信號(hào)點(diǎn)，余隙信號(hào)點(diǎn)等等。當(dāng)然，我們也可以在這些位置放置接收天線來(lái)分析信號(hào)的正確與否。但在實(shí)際工作中，這種實(shí)現(xiàn)方法比較復(fù)雜，同時(shí)，不是所有的機(jī)場(chǎng)都有合適的位置來(lái)放置這些天線。進(jìn)一步想，如果環(huán)境沒(méi)有什么變化，那么，空間信號(hào)就是由發(fā)射天線所發(fā)出的信號(hào)所決定。因此，重要的是發(fā)射天線發(fā)出去的信號(hào)一定要正確，不能有偏差。通過(guò)校飛，我們知道了空間的信號(hào)符合附件10的要求，但隨著時(shí)間的變化，由于環(huán)境溫度的變化，元器件的老化，甚至設(shè)備故障，都會(huì)導(dǎo)致空間信號(hào)發(fā)生變化。因?yàn)檫@些變化都是由發(fā)射信號(hào)的變化所引起的，因此我們監(jiān)測(cè)發(fā)射信號(hào)的變化就可以體現(xiàn)空間信號(hào)的變化了。

那么應(yīng)該如何監(jiān)測(cè)發(fā)射信號(hào)呢。變化是必然有的，但變化多少是在容許的范圍內(nèi)呢，變化多少又必須關(guān)閉設(shè)備，以免誤導(dǎo)飛機(jī)呢。在附件10的“3.1.3.11監(jiān)控”部分對(duì)此有要求：“a）對(duì)于Ⅰ類設(shè)備性能的航向信標(biāo)，在ILS基準(zhǔn)數(shù)據(jù)點(diǎn)處，平均航道線從跑道中心線的位移大于10.5 m（35英尺），或線性等于0.015DDM（以小者為準(zhǔn)）；......d）使用單頻系統(tǒng)提供基本功能的航向信標(biāo)，輸出功率降低到額定值的50%；......f）位移靈敏度的變化超過(guò)航向信標(biāo)設(shè)備頻率定值的17%”。因此，我們對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行取樣，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行模擬，就可以監(jiān)控外場(chǎng)信號(hào)是否正確了。對(duì)此，航向監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)每個(gè)天線的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行取樣，模擬了跑道中心的航道信號(hào)、航道寬度點(diǎn)處的信號(hào)及余隙信號(hào)。

當(dāng)我們模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的信號(hào)時(shí)，我們認(rèn)為測(cè)量點(diǎn)P足夠遠(yuǎn)，這樣各個(gè)天線到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的信號(hào)是平行的，只是因?yàn)槲恢玫牟煌?，到達(dá)測(cè)量點(diǎn)有路程差。這個(gè)路程差與角度θ（P點(diǎn)與天線陣中心點(diǎn)的連線與跑道中心線的夾角）有關(guān)，與天線陣的各天線到1號(hào)天線的距離有關(guān)，當(dāng)選定天線類型時(shí)，各天線之間的距離是確定的，而當(dāng)P點(diǎn)確定后，角度θ也是確定的。當(dāng)P點(diǎn)在跑道中心線上時(shí)，θ=0，各天線的取樣信號(hào)同相合成，這樣得到航道的模擬信號(hào)。當(dāng)P點(diǎn)在寬度點(diǎn)時(shí)，將各個(gè)天線的采樣信號(hào)移相合成。根據(jù)天線陣的類型及航道寬度不同，各天線采樣信號(hào)的移相多少也不同，這些信號(hào)移相的多少在出廠時(shí)已經(jīng)定做好了的，在現(xiàn)場(chǎng)只做微調(diào)就可以了。同樣，當(dāng)P點(diǎn)處于余隙位置時(shí)，同將采樣信號(hào)移相合成即可。圖1顯示了20單元航向天線的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信號(hào)合成示意圖：信號(hào)分配器將天線采樣信號(hào)分成三路，分別合成航道、寬度及余隙信號(hào)。其中圖中只畫出了航道CL這一路信號(hào)的合成圖。endprint

3 航向監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整

航向監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整就比較簡(jiǎn)單，首先，要保證取樣信號(hào)的正確及一致性，這樣，就要測(cè)量從天線取樣回來(lái)的信號(hào)是否能正確反映天線所發(fā)射的信號(hào)。我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量每個(gè)監(jiān)控天線對(duì)發(fā)射信號(hào)的采樣是否一致，相對(duì)于1號(hào)天線，采樣信號(hào)相對(duì)發(fā)射信號(hào)的幅度與相位要求在一定的范圍內(nèi)，如Normarc要求在±0.2 dB及±3 °的范圍內(nèi)。如果是幅度達(dá)不到要求，則要檢查天線、發(fā)射電纜及監(jiān)控電纜是否有故障。如果是相位達(dá)不到要求，則要修剪監(jiān)控電纜長(zhǎng)度，使之達(dá)到要求。

在保證取樣信號(hào)正確后，就需要對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。由于不同機(jī)場(chǎng)的跑道長(zhǎng)度不一樣，這樣航道的寬度就不一樣。而航道寬度不一樣，則合成寬度信號(hào)時(shí)信號(hào)的相移就不一樣。在出廠時(shí)設(shè)備廠家針對(duì)不同寬度范圍配備了幾條電纜來(lái)更換，以滿足不同的寬度要求。接上合適的電纜后，對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整則是改變CL及DS移相器，使得CL DDM值為0，DS DDM的值為15.5%即可。

4 下滑監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分析

對(duì)于下滑而言，同樣有一個(gè)近場(chǎng)監(jiān)控天線監(jiān)控著下滑道的信號(hào)，看下滑道是否有偏移。而對(duì)下滑道及寬度、余隙的遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)模擬同樣是通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)的采樣及合成。與航向不同的是，航向信號(hào)的合成只要移相合成即可，但下滑不一樣，下滑是利用地面反射來(lái)工作的，所以模擬遠(yuǎn)場(chǎng)下滑的信號(hào)時(shí)要考慮地面鏡像天線的影響。

如圖1所示，遠(yuǎn)場(chǎng)P點(diǎn)收到下滑天線的直射信號(hào)，同時(shí)收到下滑天線從地面的反射信號(hào)。信號(hào)從下滑天線輻射到地面后反射到P點(diǎn)，其效果就類似于在地面以下存在著另個(gè)一個(gè)天線，它發(fā)射的信號(hào)與地面上天線所發(fā)射的信號(hào)幅度相等，相位相差180度。考慮到下滑天線與其鏡像天線到P的距離差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天線到P點(diǎn)的距離，我們認(rèn)為這兩個(gè)天線發(fā)出的信號(hào)到達(dá)P點(diǎn)時(shí)幅度相等，只有相差。這樣的兩個(gè)信號(hào)在P點(diǎn)空間合成后，其合成信號(hào)的相對(duì)幅度為：

（1）

其中H0為天線的掛高，A0為天線發(fā)射信號(hào)的幅度，而角度θ則為PA的連線與反射面（地面）的夾角，λ為發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)。而合成信號(hào)的相位則相當(dāng)于從兩個(gè)天線之間發(fā)射信號(hào)的相位加90度，即A點(diǎn)信號(hào)的相位加90度。因此，下滑3個(gè)天線到達(dá)P點(diǎn)的相位是相等的，只有幅度不同。

在Normarc下滑設(shè)備天線掛高的計(jì)算中，下天線掛高的計(jì)算公式為：

（2）

其中θ0為下滑角。將式（2）代入式（1），則得到下天線在P點(diǎn)的合成信號(hào)幅度為：

（3）

在一個(gè)確定的機(jī)場(chǎng)，其下滑角是不變的。因此，這個(gè)幅度的大小只與檢測(cè)點(diǎn)P的角度θ有關(guān)。

同理，中天線及上天線的掛高為下天線的2倍及3倍，因此其相對(duì)幅度為：

下滑設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控3個(gè)方位的下滑信號(hào)，分別是：下滑道信號(hào)（θ0），下滑寬度信號(hào)（θ0-0.12θ0）及下滑余隙信號(hào)（θ0-0.7θ0）。

當(dāng)θ0為3 °角時(shí)，下滑寬度及余隙的角度分別為2.64 °及0.9 °。將這3個(gè)值分別代入，則各天線信號(hào)在P點(diǎn)的相對(duì)幅度如表1。

查看下滑監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的出廠測(cè)試報(bào)告，其相對(duì)值與上述結(jié)果相一致。

5 下滑監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)試

下滑監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整步驟如下。

（1）關(guān)閉余隙信號(hào)，使下天線只發(fā)射CSB信號(hào)（將分配網(wǎng)絡(luò)H4的1端接假負(fù)載），上天線只發(fā)射SBO信號(hào)，在SBO通道加90 °線，外場(chǎng)接收機(jī)接監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的CL輸出端，調(diào)整移相器PH1使CL的DDM為0。

（2）去掉SBO通道的90 °線，恢復(fù)H4，調(diào)衰減器AT1使CL的DDM為0。

（3）在SBO通道加90 °線，外場(chǎng)接收機(jī)接監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的DS輸出端，調(diào)移相器PH2使DS端的DDM為0。

（4）去掉90°線，調(diào)衰減器AT2使DS端的DDM為8.75%。

（5）外場(chǎng)接收機(jī)接監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的CLR輸出端，調(diào)移相器PH3使CLR的DDM盡可能地大（150Hz占優(yōu)）。

（6）開(kāi)CLR信號(hào)，檢查CLR的DDM不少于38%。

由以上的調(diào)整步驟可以看出，第1、2步的目的是調(diào)整上天線監(jiān)控信號(hào)相對(duì)下天線監(jiān)控信號(hào)的相位及幅度，第3、4步的目的是調(diào)整中天線監(jiān)控信號(hào)相對(duì)于下天線監(jiān)控信號(hào)的相位及幅度，這樣，就使得上、中、下天線監(jiān)控信號(hào)相對(duì)的幅度及相位達(dá)到要求。第5、6步則是調(diào)整中天線監(jiān)控信號(hào)余隙支路相對(duì)的相位，使得余隙信號(hào)符合要求。

6 結(jié)語(yǔ)

由于儀表著陸系統(tǒng)的重要性，每180天就要對(duì)其發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行空中校驗(yàn)，以保證發(fā)射信號(hào)的正確性。而在其運(yùn)行期間，對(duì)發(fā)射信號(hào)的偏差也有嚴(yán)格的要求，所以在飛行校驗(yàn)時(shí)，不僅要對(duì)正常工作時(shí)的信號(hào)進(jìn)行空中校驗(yàn)，而且對(duì)設(shè)備的告警門限也要進(jìn)行飛行校驗(yàn)，以保證航向及下滑信號(hào)的變化不會(huì)超出門限，能滿足飛行安全的要求。同時(shí)，由于環(huán)境因素的變化、元器件的老化及性能漂移，在每次校飛后，設(shè)備參數(shù)都會(huì)有所變化，這樣，在每次的校飛后就要對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整，以保證它能正常工作。

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