飛機(jī)微波著陸模擬器計(jì)量參數(shù)指標(biāo)體系及方法研究

黎瓊煒才 瀅

(1.航空儀器設(shè)備計(jì)量總站,北京100070;2.計(jì)量測試中心,葫蘆島125000)

飛機(jī)微波著陸模擬器計(jì)量參數(shù)指標(biāo)體系及方法研究

黎瓊煒1才 瀅2

(1.航空儀器設(shè)備計(jì)量總站,北京100070;2.計(jì)量測試中心,葫蘆島125000)

本文首先對MLS模擬器各項(xiàng)性能特性指標(biāo)進(jìn)行了綜合論證,確定了模擬器計(jì)量參數(shù)指標(biāo)體系;然后從角度制導(dǎo)原理出發(fā),將制導(dǎo)角度信號轉(zhuǎn)換為通用脈沖參數(shù),并給出了各參數(shù)的具體數(shù)值,使MLS角度制導(dǎo)信號可通過不間斷溯源鏈溯源至國家最高標(biāo)準(zhǔn);最后,簡述了計(jì)量方法。本文的研究成果攻克了飛機(jī)MLS模擬器的計(jì)量難題,對提高飛行安全具有重要意義。

微波著陸系統(tǒng) 模擬器 角度制導(dǎo) 計(jì)量

1 引 言

1983年開始,國際民航組織(ICAO)正式引入了新的精密進(jìn)近和著陸系統(tǒng)——基于時基掃描波束的(TRSB)微波著陸系統(tǒng)(MLS)[1]。自2000年以來,我國飛機(jī)開始采用微波著陸系統(tǒng)(以下簡稱MLS)進(jìn)行進(jìn)近著陸。相比于傳統(tǒng)的飛機(jī)儀表著陸系統(tǒng)(ILS)著陸方式,MLS引導(dǎo)信號的覆蓋空間大,精度高,所提供的進(jìn)近方式也更靈活。

MLS制導(dǎo)的原理是:MLS地面臺發(fā)出角度制導(dǎo)信號,MLS機(jī)載設(shè)備接收信號后,解算出飛機(jī)相對于跑道的坐標(biāo)位置信息。MLS機(jī)載設(shè)備性能指標(biāo)準(zhǔn)確可信是飛機(jī)安全著陸的前提。由MLS模擬器來完成MLS機(jī)載設(shè)備各項(xiàng)功能和性能的測試。因此,按照要求,必須對MLS模擬器進(jìn)行檢定或校準(zhǔn),以保證MLS機(jī)載設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確一致,飛機(jī)安全著陸。

MLS模擬器計(jì)量參數(shù)和指標(biāo)的確定是實(shí)施模擬器計(jì)量的依據(jù)和關(guān)鍵所在。MLS模擬器涉及的性能參數(shù)很多,功能和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其計(jì)量參數(shù)不能簡單地等效為其各項(xiàng)功能和性能特性:有些特性必須計(jì)量,有些則無需計(jì)量;有些性能特性對應(yīng)的信號參數(shù)沒有對應(yīng)的計(jì)量溯源體系,不能通過不間斷的溯源鏈直接溯源到國家最高標(biāo)準(zhǔn)。為此,本文從MLS使用特點(diǎn)和測試需求出發(fā),結(jié)合功能、結(jié)構(gòu)等要素,開展了計(jì)量參數(shù)指標(biāo)體系的研究論證。

2 MLS模擬器計(jì)量參數(shù)體系綜合論證

MLS模擬器主要由CPU控制部分、調(diào)制綜合部分、ARINC429接口部分、射頻產(chǎn)生部分及電源部分組成。控制部分完成各部分之間的協(xié)調(diào)和通信;調(diào)制綜合部分產(chǎn)生所有MLS序號格式和射頻控制信號以及多路徑信號,產(chǎn)生各種視頻同步信號; ARINC429接口部分提供模擬器和機(jī)載設(shè)備之間的通信;射頻產(chǎn)生部分決定了頻率、調(diào)制和電平選擇等,其原理框圖如圖1所示。

MLS模擬器主要功能包括:模擬MLS地面臺站發(fā)播的角引導(dǎo)信號,基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字,模擬干擾信號;接收機(jī)載設(shè)備輸出的信號,經(jīng)處理后產(chǎn)生控制運(yùn)動噪聲和路徑跟隨誤差[4]。MLS模擬器性能特性有31種[1,5],詳見表1。

表1 飛機(jī)MLS模擬器性能特性

表1中,射頻輸出頻率和功率為模擬器基準(zhǔn)參數(shù);主路徑和多路徑的角度特性、波束特性直接關(guān)系到MLS制導(dǎo)精度,為MLS機(jī)載設(shè)備測試關(guān)鍵參數(shù),這些參數(shù)都必須計(jì)量。

另外,OCI脈沖寬度、扇擺頻率、DPSK調(diào)制、螺旋槳調(diào)制、6.75Hz調(diào)制、消除信號脈沖、更新率選擇、CMN濾波器和PFE濾波器由軟件產(chǎn)生,只需出廠驗(yàn)收時檢查,無需周期檢定或校準(zhǔn);頻譜特性對機(jī)載設(shè)備測試影響較小,無需計(jì)量;方位/仰角功率比由模擬器中無源衰減器確定,故障率極低,也可不計(jì)量;數(shù)據(jù)字為數(shù)字編碼信號,且有奇偶校驗(yàn)功能,無需計(jì)量;波束電平準(zhǔn)確則OCI信號幅度準(zhǔn)確,故OCI脈沖幅度無需計(jì)量;高速方位波束和仰角波束來源于同一軟件包,只需測高速方位波束寬度即可。

3 關(guān)鍵計(jì)量指標(biāo)建模與計(jì)算

MLS角度制導(dǎo)信號是一個時分多路復(fù)用的調(diào)制信號,由主路徑和多路徑的角度特性、波束特性表征,沒有直接對應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn),無法溯源。為此,從角度制導(dǎo)原理出發(fā),通過計(jì)算,將角度特性和波束特性轉(zhuǎn)換為通用脈沖參數(shù)。這樣,MLS角度制導(dǎo)信號可通過脈寬、時間間隔、長度的不間斷溯源鏈溯源至國家最高標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 制導(dǎo)角度

在MLS中,地面的方位臺(或仰角臺)天線產(chǎn)生一個垂直方向較窄的扇形波束,在比例覆蓋區(qū)內(nèi)進(jìn)行往返掃描,從而實(shí)現(xiàn)角度測量,如圖2所示。沿天線輻射方向看出去,波束自左而右(順時針)的掃描稱為往掃描,自右向左(逆時針)的掃描則稱為返掃描,兩次掃描之間有一個固定600μs停歇時間。在一個完整的掃描周期內(nèi),進(jìn)近飛機(jī)的MLS機(jī)載接收機(jī)檢測到“往”和“返”兩個脈沖,然后測量兩者之間的時間差。從圖3可以看出,機(jī)載接收機(jī)所接收到兩個脈沖之間的時間差t,實(shí)際上決定著進(jìn)近飛機(jī)的角位置。由此可以推出,制導(dǎo)角度值與脈沖間隔時間差之間存在線性函數(shù)關(guān)系[1],即

式中:θ——方位或仰角制導(dǎo)角度值,°;t——“往”“返”掃描波束之間的時間間隔;T0——相對0°的“往”“返”掃描波束中心之間的時間間隔,μs;V——掃描速度比例常數(shù),°/μs。

在我國的MLS中,V為0.020°/μs,高速進(jìn)近方位T0為4 800μs,仰角T0為3 350μs。MLS模擬器各制導(dǎo)角度計(jì)量指標(biāo)見表2。

表2 MLS模擬器各制導(dǎo)角度計(jì)量指標(biāo)

3.2 波束寬度

根據(jù)GJB 2275—95《微波著陸系統(tǒng)性能要求和測試方法》,MLS地面設(shè)備落在瞄準(zhǔn)方向上的方位、仰角掃描波束,其包絡(luò)的-3dB點(diǎn)離開波束中心線應(yīng)在0.5倍波束寬度上,-10dB點(diǎn)離開波束中心線應(yīng)在0.7～0.9倍波束寬度之間,空間信號形狀如圖4所示。波束寬度可由公式(2)計(jì)算:

式中:BW——波束寬度,°;ΔT——2個-3dB點(diǎn)之間的時間間隔,μs;V——掃描速度比例常數(shù),°/μs。

MLS模擬器各波束寬度計(jì)量指標(biāo)見表3。

表3 MLS模擬器波束寬度計(jì)量指標(biāo)

4 計(jì)量方法

MLS模擬器的所有計(jì)量參數(shù)均可以用通用測量標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行檢定/校準(zhǔn):射頻輸出頻率用頻率計(jì)進(jìn)行測量(如圖5所示);射頻輸出功率可以用功率計(jì)來測量(如圖6所示);波束電平及及輸出功率動態(tài)范圍用頻譜儀進(jìn)行測量(如圖7所示);角度及其步進(jìn)量、波束寬度可以用示波器進(jìn)行測量(如圖8所示)。在圖 8中,由于 MLS輸出信號電平很低(-110dBm～-17dBm),且頻率較高(5.031GHz～ 5.091GHz),示波器直接測量比較困難,所以需對MLS模擬器輸出信號進(jìn)行放大和檢波。

在選擇測量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備時,各標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的測量參數(shù)范圍應(yīng)覆蓋MLS模擬器的測量參數(shù),且標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備與模擬器參數(shù)之間測試不確定度比需滿足1:4(頻率準(zhǔn)確度應(yīng)滿足1:10)。

這樣,MLS模擬器的所有計(jì)量參數(shù)均可直接溯源到國家標(biāo)準(zhǔn):頻率溯源到頻率標(biāo)準(zhǔn)、功率溯源到小功率標(biāo)準(zhǔn)、波束電平和功率溯源范圍溯源到衰減標(biāo)準(zhǔn),角度和波束寬度溯源到脈沖參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5 應(yīng)用

基于上述研究成果,筆者研究制定了基于通用設(shè)備的MLS模擬器計(jì)量方法,并編寫了相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范,該校準(zhǔn)規(guī)范現(xiàn)已被MLS模擬器生產(chǎn)廠家、使用單位、計(jì)量部門普遍認(rèn)可并采納,即將上升為國軍標(biāo)。

2006年和2008年,依據(jù)上述研究成果,我站對2型MLS模擬器進(jìn)行了驗(yàn)收測試,檢測并定位了MLS模擬器的故障,MLS模擬器的生產(chǎn)部門認(rèn)可了測量結(jié)果。2011年,計(jì)量部門對維修后的3臺微波著陸模擬器進(jìn)行了計(jì)量,計(jì)量結(jié)果表明,1臺修理后電平動態(tài)范圍不足,再次修理后,電平動態(tài)范圍滿足要求。自2009年以來,上述校準(zhǔn)規(guī)范已成功用于多臺MLS模擬器的周期計(jì)量,有效確保了MLS模擬器量值準(zhǔn)確一致。

6 結(jié)束語

本文從我國微波著陸系統(tǒng)使用特點(diǎn)和測試需求出發(fā),系統(tǒng)論證建立了微波著陸模擬器計(jì)量參數(shù)指標(biāo)體系,并對角度制導(dǎo)信號參數(shù)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換和計(jì)算,使模擬器各項(xiàng)參數(shù)可溯源到國家最高標(biāo)準(zhǔn)。本文的研究成果為MLS模擬器計(jì)量驗(yàn)收、周期檢定、修理后檢定提供了依據(jù),對確保飛機(jī)MLS機(jī)載設(shè)備各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)準(zhǔn)確性和一致性有著重要意義。

[1] 周其煥.微波著陸系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1992.

[2] GJB 2598—1996,微波著陸機(jī)載設(shè)備通用規(guī)范[S].

[3] GJB 2275—1995,微波著陸系統(tǒng)性能要求和測試方法[S].

[4] GJB 5586—2006,微波著陸系統(tǒng)機(jī)載接受機(jī)地面測試設(shè)備通用規(guī)范[S].

[5] Lee Qiongwei,Yu Suya,Xue Fei,et al.Research on metrology for microwave landing system simulator[C].Proceedings of 2013 IEEE 11th International Conference on Electronic Measurement&Instruments,Harbin,China,2013.8.

Analysis on Metrology Specifications and Methology of Calibration for Microwave Landing System Simulator

LEE Qiong-wei1CAI Ying2
(1.Aero-instrument Test and Calibration Center,Beijing 100070;
2.Test and Calibration Center,Hulu Island 125000,China)

The authors start with the comprehensive demonstration of performance specifications of MLS stimulator to establish the parameter system for stimulator verification/calibration.Then,based on the principle of angle guidance,they convert the parameters of guidance angel signal to general pulse parameters and reach the value of respective parameters,which can make angle guidance signals measured by normal measurement equipments and traced back to the national standards by uninterruptible traceability chains.They lastly bring forth with the methology of verification/calibration accordingly.The analysis conclusion has dissolved technical obstacles for MLS simulator support and made the MLS specifications accurate and consistent.

Microwave landing system(MLS) Simulator Angle guidance Methology

1000-7202(2017)01-0014-05

TH802

A

2016-07-01,

2016-07-15

黎瓊煒(1972-),女,高級工程師,主要研究方向:航空裝備計(jì)量測試和型號計(jì)量工程技術(shù)。