ILS導(dǎo)航天線信號特性與選址分析

李雙星　于曉紅

摘 要：精密儀表著陸系統(tǒng)能夠為飛機提供垂直引導(dǎo)和水平引導(dǎo)，通過虛擬下滑道引導(dǎo)飛機進近降落。利用FEKO軟件對ILS航向天線和下滑天線進行建模，計算得到信號輻射特性。根據(jù)航向天線的CSB和SBO信號在跑道中心線延長線方向最強特性得到航向面，與下滑面相交得到下滑道，并進行仿真。仿真結(jié)果證明了仿真ILS對飛行器的終端區(qū)進近著陸優(yōu)化控制的準(zhǔn)確性。針對華北某新建支線機場制定ILS臺站選址方案，消除周邊信號遮蔽和信號干擾，選址結(jié)果表明ILS臺站滿足后期校飛和飛行運行要求。

關(guān)鍵詞：儀表著陸系統(tǒng) 輻射場型 導(dǎo)航臺選址

中圖分類號：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0056-03

ILS Navigation Antenna signal Characteristics and Location Analysis

Li Shuangxing1 Yu Xiaohong2

（1.China Airport Construction Group Corportation North branch，Beijing，100621；2.Hwa Create Corporation Ltd，Beijing，100193，China）

Abstract：Precision Instrument Landing System can provide vertical guidance and lateral guidance for the aircraft， guide the aircraft approach landing through a virtual glide path .According to the radiation characteristics， ILS antenna is modeled by the electromagnetic simulation software FEKO. The course surface is structured by the characteristic that CSB and SBO signals are strongest at direction of centerline of the runway extension cords， so the glide slope is obtained by intersecting with glide surface. The simulation shows the accuracy of the approach and landing optimal control by ILS simulation. The navigation siting plan is developed for a new regional airport. Eliminate the signal shielding and signal interference， the result shows the navigation beacons satisfy the airport operation requirements.

key Words：Instrument Landing System；Radiation field；Navigation Siting

精密儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System，ILS）是目前應(yīng)用最廣泛的進近著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，能夠為飛機提供垂直引導(dǎo)和水平引導(dǎo)，通過虛擬下滑道引導(dǎo)飛機進近降落。

精密儀表著陸系統(tǒng)主要利用航向天線、下滑天線和DME測距儀天線發(fā)射無線電信號。天線輻射特定場型信號。天線信號對場地條件、無線電磁干擾等敏感。在導(dǎo)航臺站選址過程中，考慮消除周邊環(huán)境對導(dǎo)航臺站的干擾。

參考文獻(xiàn)[1-2]對I類儀表著陸系統(tǒng)的航向臺和下滑臺電磁環(huán)境仿真進行了分析論述，提出了詳盡的仿真方案，但未考慮航向天線和下滑天線的信號輻射特性，仿真結(jié)果沒有進行三維顯示。參考文獻(xiàn)[3]僅針對下滑信標(biāo)天線進行了研究。

文章首先對ILS天線輻射場型進行研究，利用三維全波電磁仿真軟件FEKO[4]對航向天線和下滑天線進行信號建模，對比分析電磁輻射特性。

結(jié)合實際的導(dǎo)航臺選址，對比臺站選址方案，從無線電磁干擾、保護區(qū)要求等方面，論述擬選臺址滿足國家和民航規(guī)范，可以滿足后期校飛和機場運行要求。

1 精密儀表著陸系統(tǒng)

精密儀表著陸系統(tǒng)又稱為盲降[5]，其作用是由地面發(fā)射的兩束無線電信號來實現(xiàn)航向道和下滑道指引，建立一條由跑道指向空中的虛擬路徑。飛機通過機載接收設(shè)備，確定自身與該路徑的相對位置，使飛機沿穩(wěn)定的下滑角度飛向跑道并且平穩(wěn)下降，最終實現(xiàn)平穩(wěn)安全降落。

儀表著陸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，包括三個臺站：提供水平引導(dǎo)的航向信標(biāo)（LOCALIZER）、提供垂直引導(dǎo)的下滑信標(biāo)（GLIDESLOPE）和提供距離引導(dǎo)的指點信標(biāo)（MAKER BEACON），目前新建機場指點標(biāo)被DME測距儀取代。航向信標(biāo)天線輻射與跑道中心線對準(zhǔn)的航向面，下滑信標(biāo)天線輻射場形成下滑面，這兩個面的交線即是飛機進近著陸的虛擬下滑道。下滑道與跑道的夾角即是下滑角。

I類精密儀表著陸系統(tǒng)的運行標(biāo)準(zhǔn)為決斷高度不低于60 m，能見度不小于800 m或跑道視程不小于550 m的精密進近和著陸[6]。

ILS性能優(yōu)越，能夠提供垂直引導(dǎo)和水平引導(dǎo)。即使機場周圍能見度低或者偶遇風(fēng)暴天氣，飛行員利用機載信號接收系統(tǒng)仍能完成降落。ILS為降落著陸提供一個可靠的進近著陸通道，以便讓飛行員掌握位置、方位、下降高度，從而安全著陸。

2 天線信號場型可視化仿真

針對航向天線和下滑天線工作特性，考慮天線單元的位置、高度、相位、饋電情況等，采用FEKO電磁仿真軟件對航向天線和下滑天線進行輻射信號場型三維可視化仿真。本文以NORMARC公司生產(chǎn)的NM7212A航向天線和NM3545下滑天線為仿真對象，二者均為民航在用導(dǎo)航設(shè)備。

2.1 航向天線仿真分析

NM7212A型航向天線的天線單元是對數(shù)周期偶極子天線，由12個天線單元依次排布，相鄰兩個天線高度不同，12單元航向天線滿足支線機場的使用要求，其天線饋電表如表1所示。

對NM7212A型航向信標(biāo)天線進行建模時，6對平行放置的對數(shù)周期天線以天線排布圖的位置進行排列，設(shè)定計算步長為2°。NM7212A設(shè)備為單向輻射，為便于計算信號輻射場型，仿真范圍在x-y和y-z平面上設(shè)定均為0°-360°。利用 FEKO電磁仿真，得到SBO信號三維輻射線性遠(yuǎn)場場型如圖2（a）所示，對SBO x-y軸極坐標(biāo)方向性圖結(jié)果圖2（b）所示；CSB信號的三維輻射線性場型圖如圖2（c）所示。航向信標(biāo)臺向主降入口方向發(fā)射水平極化的扇形合成場型。依據(jù)《航空無線電導(dǎo)航臺（站）電磁環(huán)境要求》（GB6364-2013）規(guī)定：以航向信標(biāo)臺天線為基準(zhǔn)，在跑道中心延長線±10°以內(nèi)為45 km，在10°～35°之間為30 km。本次建模計算得到：以航向信標(biāo)臺天線陣中心為基準(zhǔn)線，航向臺天線陣的CSB信號波瓣主瓣的半功率波束寬度為22.3°，兩個副瓣之間的夾角約為72.9°，略大于規(guī)定中的覆蓋方向，這說明該航向臺天線達(dá)到航空無線電導(dǎo)航臺電磁環(huán)境要求，且富有余量，滿足飛機允許要求。

分別對比4、8、10、12陣列的天線振子，NM7212A型天線的主瓣對旁瓣的抑制最為突出，主瓣最為突出，說明CSB信號在跑道中心線延長線方向最強。可以將主瓣輻射場型在跑道中心延長線形成了一個面，可以近似比作航向面。

2.2 下滑天線系統(tǒng)仿真分析

下滑臺天線采用兩個不同高度的水平振子組成的天線系統(tǒng)，上下天線通過地面反射，形成下滑面。下滑天線保護區(qū)要求嚴(yán)格，一般場地平整范圍為±4 cm范圍內(nèi)。對下滑天線進行仿真得到三維的信號輻射場型如圖3（a），y-z軸上的方向性圖如圖3（b）所示。最接近x-y平面的扇面即為下滑面，在y-z軸上的方向性圖表示最接近坐標(biāo)軸的扇面即為3°的下滑面。

下滑臺上下天線形成的方向性圖距離地面最近的等信號區(qū)，與跑道形成的夾角即下滑角，下滑角的大小取決于飛行程序設(shè)計，除特殊原因，一般設(shè)置下滑角為3°。依據(jù)下滑信機工作頻率調(diào)節(jié)上下天線距地面的高度。下滑天線水平振子的高度分別取9.6λ、4.8λ。方向圖波瓣的數(shù)量則取決于天線高度與工作半波長的比值，可以從圖3（a）3D輻射場型看出，除需要的下滑面波瓣外，還存在一定數(shù)量傾斜角較大的假等信號區(qū)。假等信號區(qū)與下滑面間隔由圖3（b）計算得到距下滑面較近的4個假等信號與等信號區(qū)的角度分別為10.4°、13.05°、23°、32°，符合下滑天線輻射要求。下滑天線在校飛過程中，需要調(diào)節(jié)信號，保證信號的穩(wěn)定性。

3 導(dǎo)航臺選址方案

針對華北地區(qū)某新建支線機場，跑道主降方向采用I類精密儀表著陸系統(tǒng)。航向天線陣中心設(shè)置在跑道中心線延長線上。依據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]，考慮燈光系統(tǒng)與航向天線位置沖突，航向天線陣位置設(shè)置在距跑道次降入口290 m。航向天線周圍的地勢低，將航向天線高度設(shè)置為2.93 m。經(jīng)計算，航向天線陣處于跑道端安全區(qū)1.6%保護范圍內(nèi)。航向機房設(shè)置在距天線陣60 m的位置，便于安裝航向信標(biāo)機柜。在航向天線陣正前方100 m處設(shè)置航向監(jiān)控天線，用來對航道信號進行監(jiān)控，其取樣信號為進場（NF）監(jiān)控信號，信號傳輸至ILS機柜的監(jiān)控器。

航向天線陣對正前方的大型金屬反射物敏感，合理設(shè)置站坪的位置、塔臺和航站樓的高度，將進近燈光系統(tǒng)的反射面做到最小。航向天線前方±10°，距天線3000 m的區(qū)域內(nèi)杜絕有高于15 m的建筑物、大型金屬發(fā)射物和高壓電線等。

下滑信標(biāo)受場地及其附近的地形地物的影響，其輻射場型會發(fā)生畸變，引起下滑角變化，造成下滑道彎曲、擺動和抖動，直接影響航空器著陸的安全。考慮跑道靠近航站區(qū)一側(cè)人員、車流較多，將下滑臺設(shè)置在遠(yuǎn)離航站區(qū)一側(cè)，距跑道中心線120 m。下滑天線內(nèi)撤距離由如下公式計算。依據(jù)飛行程序計算，跑道入口高度為15 m，下滑角為3°，結(jié)合跑道入口高程和縱軸120 m位置的高程，利用如下公式，計算得下滑天線的內(nèi)撤距離為291.5 m。

下滑天線的高度依據(jù)信標(biāo)工作頻率調(diào)節(jié)上下位置，在下滑天線的正前方設(shè)置近場監(jiān)控天線。在下滑臺內(nèi)增設(shè)DME，DME與下滑天線距跑道入口內(nèi)撤距離一致，偏跑道中心延長線為123 m。

下滑天線的保護區(qū)按A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)劃設(shè)，A區(qū)等級最高。為減小周圍障礙物的影響，采用磚圍界保護。經(jīng)干擾信號排查，確保導(dǎo)航頻段內(nèi)未有信號干擾和頻率占用。航向工作頻段為108.10～111.95 MHz，下滑工作頻段為328.6～335.4 MHz，DME測距儀工作頻段為962～1213 MHz[8]。本次工程機場周邊存在一根10 kVA架空高壓線，對導(dǎo)航信號存在干擾，本次工程對高壓線做埋地處理。

4 結(jié)語

該文對NM7212A航向天線和NM3545下滑天線的輻射場型進行建模和分析，天線輻射場型可以滿足飛機進近著陸。結(jié)合實際機場建設(shè)，針對華北某機場進行導(dǎo)航臺選址，對臺址周圍的環(huán)境進行綜合考慮，消除信號遮蔽和干擾等不良影響。對臺址方案進行論述，導(dǎo)航臺建設(shè)完成后，可以滿足后期校飛和機場運行要求。能為飛機提供準(zhǔn)確的信號引導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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[7] 《民用機場飛行區(qū)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（MH5001-2013）[S].

[8] 《航空無線電導(dǎo)航臺（站）電磁環(huán)境要求》（GB6364-2013）[S].