數字機場校準模型的設計及實現

匡銳丹

(中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川成都610091)

0 前言

機場導航系統的校準分成飛行校驗和地面校準2個部分，由于空域管制和校準專屬問題，導航系統地面設備校準歷來都是各機場以地面維護、實驗室校準和外場測試等方式綜合實現。基于機場導航系統的多樣性，其對應的校準及溯源情況則復雜得多。但是，即使各導航子系統的地面設備全部合格，也不能保證其作用場域內的導航能力滿足既定要求，因為各導航子系統天線發射場彼此有重疊，同時周圍建筑及跑道對無線電信號的折射及反射等原因，機場導航系統的引導準確度還是要通過飛行校驗來確定機場地空場域影響、導航子系統的邊界及起降通道導航能力、地面設備從遠端到著陸點的持續引導能力等其他關鍵參數，飛行校驗是機場能進行導航放飛的最重要和最關鍵校準過程。然而，我國機場的飛行校驗服務能力嚴重不足，在全國近300多個軍(民)用機場，每周期的巡航服務任務極其繁重，因此就各機場操作現狀而言，除了新安裝和大修等特殊情況外，其余的周期性校驗還是以日常維護等方式實現。

1 數字機場校準模型設計

1.1 數字機場校準模型概念

數字機場校準模型的基礎還是各導航子系統的實物計量標準。在這個模型中，有3部分關鍵內容得到了集成與數字化:①校準地面臺站的標準裝置，其核心是集成了10個導航子系統的標準機載接收機;②機載導航子系統校準裝置，其核心是集成了全系統(按照ICAO標準構建的進程導航系)地面臺站的模擬器;③絕對位置基準，其核心是基于GPS或者北斗(理想位置基準)的全球或者區域導航定位系統，主要提供能導出距離、方位和高度信息的經緯度值。經過集成和數字化后的機場校準模型，能夠以3D動畫方式提供以下導航信息:入場/離場飛機在穿越不同導航子系統作用域時的實際位置參數、按照機場導航能力設計的標準下滑/上升軌跡、導航臺站的實施發射參數。

1.2 數字機場校準模型的設計與實現

數字機場校準模型的服務對象是導航地面臺站、機載導航子系統以及導航信號的地空特性，因此該模型中至少應該包含上述三方面的6個緯度:①地面發射式導航專用設備的校準技術;②地面收發式導航專用設備的校準技術;③機載接收式導航專用設備的測試技術;④機載收發式導航專用設備的測試技術;⑤地空導航信道低空層面(高度20 m以下，距離5000 m以內)的信號監測技術;⑥絕對位置基準的建立;⑦各導航系統校準(測試)信號的3D數字化和集成顯示技術——即數字機場校準模型。

要實現數字機場校準模型，必須先要解決各導航子系統的實物模型的校準及溯源問題。即需要建立一系列導航校準裝置，用以監測(修正)實物系統的信號特征。實物計量標準包括導航子系統校準裝置、絕對位置基準類計量標準、輔助測量類計量標準。

1.2.1 各類實物計量標準的建立

1.2.1.1 導航子系統類校準裝置的建立

此類計量標準的作用:①以模擬實際使用方式監測和調校地面信號臺、地面信標、外場測試儀發射信號的準確性，并把這些參數溯源到國防計量基準上;②在天線端面發射半雙工工作方式的詢問信號，識別并提取回答信號中的距離、高度和飛機編碼等重要飛行參數，以此為基礎在數字機場校準模型中形成標準的著陸信息(即標準導航面)，作為與飛機的實時位置作比較的參考端面。

導航類子系統實物計量標準主要是解決導航子系統特征參數的溯源，所以在建立標準時要有效分解各類導航系統的特征參數，并著重考慮這些參數應該通過怎樣的方式溯源到國防最高計量標準上去。因為國防基準只對通用常規參數進行建標，這么這些專用參數在溯源過程中必須經過轉換，即采用間接測量法。因此，用以轉換的這些替代參數能夠便捷進行溯源也是考慮的重點。

表1 近程導航子系統的特征參數

根據表1參數分解建立的計量標準，配合被校準對象的分類要求，至少3類綜合校準裝置的建立是必要的:①全部地面導航臺站發射參數的校準裝置;②全部接收機導航系統的接收參數的校準裝置，③地空“問-答”半雙工工作方式的校準裝置。

發射類導航校準裝置實質上是一個模擬的接收類設備，除了在從射頻到視頻信號的數字化與普通接收機有類似的處理通道外，還必須滿足機載類接收設備的特點，比如高接收靈敏度(-80 dBm或者更低)、各類導航特參數的專用處理、實時環境參數修正等功能。

這類導航校準裝置的技術難點是導航特征參數專用處理模塊，即導航信號IP核。目前通用的做法是采用CPLD/FPGA，把DAC后的信號按照各導航子系統的信號要求進行解調，因為各導航系統的特征參數彼此不同，所以解調信號應該包括多種模式的混合調制信號，必要時應配合專用構造函數對信號進行提純處理和補償，比如微波著陸信號的同步片斷內的DPSK解調，需要構造特殊函數來做差分處理［1］。

與發射類校準裝置相反，接收類導航信號的校準裝置本質是信號模擬源。這類校準裝置的難點有2個:1)視頻端特征信號基點與射頻端面的延遲補償;2)寬頻段的調制發射與天線集成。

收發類綜合校準是專門測試ATC系統(空中交通管制系統)的DME/P系統(普通測距和精密測距系統)，研發這類校準裝置的難點是收發信號通路的隔離，接收通道解調信號的計時與延遲補償;發射通道的調制與信號整形(高斯脈沖)［2］。

上述3類校準裝置按對應導航類系統的使用條件、系統設計、頻譜管理等多方面要求，應偏重綜合校準裝置、便攜式校準裝置和現場校準裝置等設計方式。目前國內各機型均配備了一、二線檢測設備，總體滿足日常飛機及地面臺站的維護，但是隨著機型的變化及飛機服役數量和服役時間的增加，尤其考慮到飛機及其地面維護快速反應能力的至關重要性，對于傳統外場設備校準如果依然停留在信息孤島狀態，會在某些特殊場合與特殊時期帶來以下問題:1)現有的外場校準設備的功能綜合性不強，數量種類多，功能彼此不兼容，機動時需要攜帶大量的外場校準設備;2)現有的通信導航檢測設備技術水平低，自動化程度不高，制約了維護保障能力的提高。

1.2.1.2 絕對位置基準類實物計量標準的建立

以GPS基站為主要標準的絕對位置基準是目前成熟技術的主流，但在特殊時期會受制于人。我國北斗導航系統在衛星發射后會形成區域內導航的主力，因此基于北斗基站的絕對位置基準將是研發的首要選擇。

1.2.1.3 輔助類實物計量標準的建立

輔助類實物計量標準主要是指應地空導航信道地空近程的信號監測要求和無線電監測要求建立的相應測試類計量標準。這類校準(測試)裝置的難點是監測點的布局計算、低空導航通道內信號的推導與預警、突發干擾信號的檢測與定位。在數字機場校準模型中，輔助類計量標準能提供監測到的干擾信號的頻率、功率、經緯度等信號。

針對導航子系統的干擾源有2類:1)無線接入系統、公眾數據通信、移動衛星通信等系統大功率的發射源;2)機場周邊凈空條件的變化引起串擾與多路徑干擾。機載導航系統除接收到正常信號外，還能接收到上述2類干擾信號，二者在空域的疊加，導致空間實際場強隨仰角呈波動分布狀態。當飛機處于波動谷值時，所收到的信號強度會接近于機載接收機靈敏度下限，從而使導航系統工作不穩定，嚴重時飛機無法空中定位，繼而無法起降。

目前機場遇到的無線電干擾基本還是依靠國家各級無線電監測機構去查處，而國家無線電監測機構是按省和地市所在地設置(不是按照機場和航線設置的)，其固定站都建在省會城市中，一般一市一個固定站，覆蓋范圍有限，無法完成機場航道附近干擾信號的實時監測。

2 數字機場校準模型的集成

完成這3類實物計量標準的建立后，就可以構建數字機場。數字機場設計首要是解決機場不滿足凈空條件的建筑物信號折射/反射問題、機場跑道鏡面反射問題、地空信號干擾問題和絕對位置基準漂移問題，在模型設計的初期充分考慮并計算出這4類干擾信號后，數字機場模型才可能貼近現實機場的實際情況。

各類導航信號和對應校準裝置提供的監測信號是有差異的，這個差異在數字機場中就表現為導航信號的誤差帶，而不是常規意義上的誤差數字。當飛機進場著陸時，該模型可以模擬在整個著陸時間內的以下事件:①飛機的實時位置參數(方位、距離、高度、飛機代碼、通信波道);②飛機在各時間點上經歷各導航子系統時的導航區域有效性信息;③飛機在各導航子系統作用域內，位于該誤差帶的位置信息(偏離中心線的程度及是否觸及誤差帶的警戒位置);④突發煩擾信號的位置信息。

數字機場校準模型的集成難點有2個:

1)導航特征信號模塊。這些模塊主要是產生視頻-中頻段的導航信號，或者是解調該頻段的導航信號。采用FPGA為主的技術，把特征信號做成導航IP核的模式，可以擺脫單純以VXI/PXI接口為主使用平臺，采用獨立封裝，內嵌單個系統發射對(即同種導航子系統收發集成)處理程序，可以隨意搭建組合適用于不同導航系統配置的各區域導航臺站的實物計量標準。

圖1 數字機場校準模型方位角界面示意圖

2)構造特殊函數和虛擬系統。為了保持特征信號的實時特點(抖動、延遲畸變)和理想特征信號的平衡，需要在處理過程中構造特殊函數把無用信號剔除。信號處理流程分成2部分，“干凈信號”(剔除后的信號)通過數字化標準處理程序進行分析，其結果送數字機場校準模型中顯示理想的著陸/起飛曲線，被剔除的抖動信號送模型中顯示誤差帶。

3 結束語

數字機場校準模型是全新應用型數字化計量測試方法。導航系統專測設備計量技術在經歷了電路板級測試、實驗室間接校準、外場子系統的分散性校準等發展過程后，數字機場校準模型首次把機場(含環境影響)和飛機視為一體并作為被測對象，在整個飛行過程中對飛機進行有標準導航軌跡指導下的監測。導航信號專測計量技術通過數字機場校準模型實現了2步跨越:一是第一次把計量過程與中端產品(飛機)直接聯系起來，而是第一次把計量過程直接和產品工作的實時環境聯系起來。

［1］張忠興，李曉明，張景偉，等.無線電導航理論與系統［M］.陜西:陜西科學技術出版社，1998.

［2］黎廷璋.空中交通管制機載應答機［M］.北京:國防工業出版社，1992.