儀表著陸系統監控網絡的原理及調整

簡建紅

摘 要：該文從儀表著陸系統的重要性出發，簡單介紹了儀表著陸系統的工作原理。利用空間信號矢量合成及鏡像天線原理，對航向、下滑信標臺的監控網絡進行了分析，闡述了航向、下滑監控網絡信號合成的幅度及相位關系，揭示了航向、下滑信標監控網絡的理論要求。其后，介紹了Normarc公司7000B系列設備監控網絡的實現方法，以及在這種實現方式下監控網絡的調試方法及步驟。該文對儀表著陸系統監控系統的調試、維護及維修提供有價值的理論依據，同時為后續對航向、下滑信標的進一步研究提供參考。

關鍵詞：儀表著陸系統 監控 網絡 空間信號合成 調整

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0060-02

儀表著陸系統（Instrument Landing System），俗稱盲降。這是在精密進近程序的最后階段，為飛機提供航向道和下滑道信號，引導飛機沿預定的軌跡下降著陸。儀表著陸系統信號準確性及完好性直接影響到航空安全，也關系到機場運行的天氣標準及航班的正常率。在民航的設備運行維護規程中要求導航設備運行的完好率要達到90%，而正常率要達到99.98%。由此，需要一套完整的系統對設備發出的信號進行監控。

1 儀表著陸系統簡介

ILS的地面設備包括航向信標臺（LOC）、下滑信標臺（GP）及測距儀（DME）。航向信標臺設置在飛機著陸方向的對端，其天線陣通常設置在跑道中線延長線上，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，為進場著陸的飛機提供相對于跑道中心線的水平方位引導信息。下滑信標臺則設置在跑道入口端，位于跑道的一側，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，為進場著陸的飛機提供垂直方位引導信息。

為了能給飛機提供水平方向及垂直方向的引導信號，在《國際民航公約》的附件10中對航向及下滑的信號的場型、分布及強度等進行了詳細的規定。如在附件10中第三章第一節“儀表著陸系統（ILS）規范”中，“3.1.3甚高頻航向信標及其監視器”對航向的射頻、覆蓋、航道結構、載波調制、航道對準的準確度、位移靈敏度及監控提出了要求，而在3.1.4中則對下滑相應的內容提出了具體的要求。

如何形成符合要求的空間場型呢，航向的實現方法就在跑道延長線上在與跑道垂直的方向上安裝一排的航向天線陣，而下滑則是根據場地地形設置在跑道的一側，在鐵塔上垂直安裝2～3個下滑天線來實現。分配網絡將航向機房送來的射頻信號CSB和SBO（雙頻系統還有CLR CSB及CLR SBO）進行幅度與相位的分配，以特定的幅度和相位關系饋給每個天線單元，將信號輻射到出去后在空間合成，形成航道及下滑道扇區。

當天線將信號發射出去后在空間合成，給飛機提供引導信號。但怎樣才能保證信號的符合附件10要求的呢。當然，每180天的飛行校驗，讓校驗飛機在空中接收航向信號，通過分析來檢查信號是否合格是最好的方法。但在平時，我們怎么檢查信號是否正常呢，這就要依靠監控系統了。通過監控網絡，對發射出去的信號進行取樣分析，來保證信號的正常。下面就以國內使用最普遍的Normarc設備為例對監控網絡進行討論分析。

2 航向監控網絡分析

為了監控航向發射的信號，我們可以在外場接收信號，對信號進行取樣分析。比如為了檢查航道的位置，在天線前端約100 m處的跑道中心延長線上安裝一個近場監控天線。對這個天線所收到的信號進行分析，得到它的信號強度、調制度和及調制度差。由此來監控航道信號的正確與否。

但是，其它位置的信號是否正確呢？比如寬度信號點，余隙信號點等等。當然，我們也可以在這些位置放置接收天線來分析信號的正確與否。但在實際工作中，這種實現方法比較復雜，同時，不是所有的機場都有合適的位置來放置這些天線。進一步想，如果環境沒有什么變化，那么，空間信號就是由發射天線所發出的信號所決定。因此，重要的是發射天線發出去的信號一定要正確，不能有偏差。通過校飛，我們知道了空間的信號符合附件10的要求，但隨著時間的變化，由于環境溫度的變化，元器件的老化，甚至設備故障，都會導致空間信號發生變化。因為這些變化都是由發射信號的變化所引起的，因此我們監測發射信號的變化就可以體現空間信號的變化了。

那么應該如何監測發射信號呢。變化是必然有的，但變化多少是在容許的范圍內呢，變化多少又必須關閉設備，以免誤導飛機呢。在附件10的“3.1.3.11監控”部分對此有要求：“a）對于Ⅰ類設備性能的航向信標，在ILS基準數據點處，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）；......d）使用單頻系統提供基本功能的航向信標，輸出功率降低到額定值的50%；......f）位移靈敏度的變化超過航向信標設備頻率定值的17%”。因此，我們對發射信號進行取樣，對幾個關鍵的參數進行模擬，就可以監控外場信號是否正確了。對此，航向監控網絡對每個天線的發射信號進行取樣，模擬了跑道中心的航道信號、航道寬度點處的信號及余隙信號。

當我們模擬遠場的信號時，我們認為測量點P足夠遠，這樣各個天線到達測量點的信號是平行的，只是因為位置的不同，到達測量點有路程差。這個路程差與角度θ（P點與天線陣中心點的連線與跑道中心線的夾角）有關，與天線陣的各天線到1號天線的距離有關，當選定天線類型時，各天線之間的距離是確定的，而當P點確定后，角度θ也是確定的。當P點在跑道中心線上時，θ=0，各天線的取樣信號同相合成，這樣得到航道的模擬信號。當P點在寬度點時，將各個天線的采樣信號移相合成。根據天線陣的類型及航道寬度不同，各天線采樣信號的移相多少也不同，這些信號移相的多少在出廠時已經定做好了的，在現場只做微調就可以了。同樣，當P點處于余隙位置時，同將采樣信號移相合成即可。圖1顯示了20單元航向天線的監控網絡信號合成示意圖：信號分配器將天線采樣信號分成三路，分別合成航道、寬度及余隙信號。其中圖中只畫出了航道CL這一路信號的合成圖。endprint

3 航向監控網絡的調整

航向監控網絡的調整就比較簡單，首先，要保證取樣信號的正確及一致性，這樣，就要測量從天線取樣回來的信號是否能正確反映天線所發射的信號。我們通過網絡分析儀測量每個監控天線對發射信號的采樣是否一致，相對于1號天線，采樣信號相對發射信號的幅度與相位要求在一定的范圍內，如Normarc要求在±0.2 dB及±3 °的范圍內。如果是幅度達不到要求，則要檢查天線、發射電纜及監控電纜是否有故障。如果是相位達不到要求，則要修剪監控電纜長度，使之達到要求。

在保證取樣信號正確后，就需要對監控網絡進行調整。由于不同機場的跑道長度不一樣，這樣航道的寬度就不一樣。而航道寬度不一樣，則合成寬度信號時信號的相移就不一樣。在出廠時設備廠家針對不同寬度范圍配備了幾條電纜來更換，以滿足不同的寬度要求。接上合適的電纜后，對監控網絡的調整則是改變CL及DS移相器，使得CL DDM值為0，DS DDM的值為15.5%即可。

4 下滑監控網絡分析

對于下滑而言，同樣有一個近場監控天線監控著下滑道的信號，看下滑道是否有偏移。而對下滑道及寬度、余隙的遠場信號模擬同樣是通過對發射信號的采樣及合成。與航向不同的是，航向信號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工作的，所以模擬遠場下滑的信號時要考慮地面鏡像天線的影響。

如圖1所示，遠場P點收到下滑天線的直射信號，同時收到下滑天線從地面的反射信號。信號從下滑天線輻射到地面后反射到P點，其效果就類似于在地面以下存在著另個一個天線，它發射的信號與地面上天線所發射的信號幅度相等，相位相差180度。考慮到下滑天線與其鏡像天線到P的距離差遠遠小于天線到P點的距離，我們認為這兩個天線發出的信號到達P點時幅度相等，只有相差。這樣的兩個信號在P點空間合成后，其合成信號的相對幅度為：

（1）

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

在Normarc下滑設備天線掛高的計算中，下天線掛高的計算公式為：

（2）

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

（3）

在一個確定的機場，其下滑角是不變的。因此，這個幅度的大小只與檢測點P的角度θ有關。

同理，中天線及上天線的掛高為下天線的2倍及3倍，因此其相對幅度為：

下滑設備監控網絡監控3個方位的下滑信號，分別是：下滑道信號（θ0），下滑寬度信號（θ0-0.12θ0）及下滑余隙信號（θ0-0.7θ0）。

當θ0為3 °角時，下滑寬度及余隙的角度分別為2.64 °及0.9 °。將這3個值分別代入，則各天線信號在P點的相對幅度如表1。

查看下滑監控網絡的出廠測試報告，其相對值與上述結果相一致。

5 下滑監控網絡調試

下滑監控網絡的調整步驟如下。

（1）關閉余隙信號，使下天線只發射CSB信號（將分配網絡H4的1端接假負載），上天線只發射SBO信號，在SBO通道加90 °線，外場接收機接監控網絡的CL輸出端，調整移相器PH1使CL的DDM為0。

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

（3）在SBO通道加90 °線，外場接收機接監控網絡的DS輸出端，調移相器PH2使DS端的DDM為0。

（4）去掉90°線，調衰減器AT2使DS端的DDM為8.75%。

（5）外場接收機接監控網絡的CLR輸出端，調移相器PH3使CLR的DDM盡可能地大（150Hz占優）。

（6）開CLR信號，檢查CLR的DDM不少于38%。

由以上的調整步驟可以看出，第1、2步的目的是調整上天線監控信號相對下天線監控信號的相位及幅度，第3、4步的目的是調整中天線監控信號相對于下天線監控信號的相位及幅度，這樣，就使得上、中、下天線監控信號相對的幅度及相位達到要求。第5、6步則是調整中天線監控信號余隙支路相對的相位，使得余隙信號符合要求。

6 結語

由于儀表著陸系統的重要性，每180天就要對其發射的信號進行空中校驗，以保證發射信號的正確性。而在其運行期間，對發射信號的偏差也有嚴格的要求，所以在飛行校驗時，不僅要對正常工作時的信號進行空中校驗，而且對設備的告警門限也要進行飛行校驗，以保證航向及下滑信號的變化不會超出門限，能滿足飛行安全的要求。同時，由于環境因素的變化、元器件的老化及性能漂移，在每次校飛后，設備參數都會有所變化，這樣，在每次的校飛后就要對監控網絡進行調整，以保證它能正常工作。

參考文獻

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