探討儀表著陸系統建模與仿真

殷飛 靳龑

【摘要】 儀表著陸系統是通過儀表指針的方法為自動駕駛儀提供控制數據，或為飛行員提供著落時所需的下滑道和航向道。本文根據儀表著陸系統的運行原理建立數學模型，采用通信系統仿真軟件進行儀表著陸系統的仿真，并對該方案的缺陷進行分析，為后期研究工作提供參考依據。

【關鍵詞】 儀表著陸系統 導航 建模 仿真當前，儀表著陸系統存在航線復雜、飛行架次多、設備落后以及檢驗費高等問題[1-2]。對儀表著陸系統飛行檢驗的建模與仿真進行研究，可以在一定程度上改善上述問題，使實際飛行檢驗的效率得到提高，同時還能改善飛機飛行的安全性和易損比[3]。

一、儀表著陸系統建模

儀表著陸系統的主要建模對象有航向信標天線系統、航向信標發射機以及機載接收機，并利用SystemView軟件進行仿真。

1.1航向信標臺發射機建模

通過比較90Hz、150Hz音頻信號的調制度表現航向信息，令

式中，M90：90Hz時的調制度；M150：150Hz的調制度。對進場的飛機而言：在航道上時，二者幅度一樣，DDM=0；在航道右側時，90Hz占優勢，DDM>0；在航道左側時，150Hz占優勢，DDM<0。

航向信標臺包括2臺余隙發射機和2臺航道發射機，其原理相同，假設航道信標臺所反饋的SBO和CSB信號：

（1）

（2）

式中，M90=M150=m，Ω1=2π*90，Ω2=2π*150，w：載波角頻率。

1.2航向信標天線系統建模

按照規定的規律將SBO和CSB信號分配給天線陣的每個單元，給出航道以及偏離航道的信息。

利用對數周期天線陣，結合儀表著陸系統，對八單元的航向天線陣建模。天線陣的橫向間隔是3/4λ，λ代表載波波長。設Di為第i天線的天線中心距離，則天線陣反饋給Ri、Li的信號分別是：

（3）

（4）

假設F（θ）代表對數周期天線的方向性函數，則P點接收的CSB信號：

（5）

若r0>Di，則，，即：

（6）

則第i對天線的方向性函數表達式：

（7）

綜合4對天線，得八單元天線陣的水平方向性函數模型：

（8）

式中，，，則：

（9）

同理可得SBO信號航向信標天線陣方向性函數：

（10）

1.3機載航向信標接收建模

設P點在跑道左側，則：

（11）

式中，K：信號空間損耗，因為SBO信號天線陣左邊天線饋和右邊的相反，所以SBO信號左右兩邊的波瓣相位也相反，則：

左邊： （12）

右邊： （13）

將以上兩式帶入（11）式可得：

（14）

將該信號進入接收機，乘以本陣信號。假設OdB為濾波器增益，則A90和A150的信號幅度分別是：

（15）

整個仿真過程中，振幅降到一半，此時計算調制度差時，應將音頻信號振幅加倍，則：

該式與（14）式相比，分析正確。

二、儀表著陸系統的仿真

SystemView軟件能提供一種可視的動態系統模型，可以用于建立系統模型。通過系統仿真得出調整制度差DDM，使其與DDM對比，得出誤差。利用SystemView軟件建立儀表著陸系統的仿真圖。

在計算DDM時，等接收機濾波器達到穩定狀態后，模塊70輸出則為DDM。為了獲取載波信號和兩個音頻信號的幅值，因為濾波器工作通常都是從不穩定狀態轉換到穩定狀態，所以乘以穩定時刻的的函數模塊。同時，為了計算DDM，在載波幅值輸出模塊滯后加上函數模塊。可以得出模塊5和模塊6的輸出，分別是SBO、CSB信號。根據模塊52的信號輸出，可以看出濾波器在25mm時進入穩定狀態，所以該輸出不計入有效數據。得出模塊70的調制度差DDM和模塊89DDM的輸出誤差。

由此可見，仿真得到的模塊波形與理論相同。濾波器初始狀態一般都不穩定，與實際工作狀態一樣。DDM誤差的主要原因是濾波器輸出信號無法達到原始信號幅值。這可以通過上下截止頻率和設置帶寬來調整，以降低信號幅值誤差。

三、結束語

儀表著陸系統是引導、協助飛機著陸進場的導航系統，它的可靠性會直接影響飛機著陸時的安全性。經過航向信標、機載接收設備以及地面信標的建模，利用SystemView軟件進行仿真，仿真論證了采用該軟件進行儀表著陸系統的仿真是具有可行性的。這為儀表著陸系統的仿真研究做了初探，后續將以此為基礎。