基于ILS的航向空域仿真系統研究

陳彥海 康玉祥 由曉峰 姜春英 張曉新

摘 要： 儀表著陸系統（ILS）為飛行器著陸的最后階段提供安全保障。在分析某機場儀表著陸系統工作原理的基礎上，對調制深度差 （DDM）進行理論研究，應用控制變量法和最小二乘法原理建立在DDM線性變化范圍內SBO信號的幅值與航道寬度的關系模型。與實際情況的對比分析驗證了模型的正確性。基于LabVIEW軟件，實現了航道寬度仿真軟件的設計。軟件具有對虛擬航向面三維顯示及航道寬度模擬調節功能。通過與機場實際設備相連接，可實時顯示當前航向空域信息。軟件較傳統的二維顯示更具有直觀性，可以作為機場工作人員的教學工具，提升機場工作人員對儀表著陸系統的認識水平。

關鍵詞： 儀表著陸系統； 飛行器著陸； 最小二乘法； 航道寬度； LabVIEW； 航向空域信息

中圖分類號： TN961?34； V249.32+1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0126?05

Research on heading airspace simulation system based on ILS

CHEN Yanhai1， KANG Yuxiang1， YOU Xiaofeng2， JIANG Chunying1， ZHANG Xiaoxin1

（1. School of Mechatronics， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110136， China；

2. Northeast Regional Air Traffic Management Bureau of CAAC， Shenyang 110136， China）

Abstract： The instrument landing system （ILS） provides security assurance for the final landing stage of the aircraft. On the basis of analyzing the working principle for the ILS of a certain airport， theoretical research on difference in depth of modulation （DDM） is conducted. The control variable method and least square principle are applied to establish the model of relationship between the amplitude of sideband only （SBO） signal and channel width within the linear variation range of DDM. The actual situation comparison analysis verifies the correctness of the model. Based on the LabVIEW software， the design of the channel width simulation software is realized， which has the functions of 3D display of the virtual navigation surface and simulation adjustment of channel width. The current heading airspace information can be displayed in real time by means of connection with the actual equipment of the airport. The software is more intuitive than the traditional two?dimensional display， and can be used as a tool for teaching airport staff， so as to enhance their ILS recognition levels.

Keywords： ILS； aircraft landing； least square method； channel width； LabVIEW； heading airspace information

儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）由航向信標系統、下滑信標系統和指點信標系統組成，是飛機安全著陸的保障[1?2]。該系統為飛行員提供各種飛行數據，如航向角、下滑角、距離等，并將這些數據顯示在儀表盤上。目前，國內主要通過飛行校驗來完成對儀表著陸系統的調試，要求技術人員要有較高的技術水平，而且成本花費巨大，也不利于提高對盲降理論的直觀認識。本文基于LabVIEW開發平臺設計出針對航向空域的模擬仿真軟件。通過模擬航向空域中航道寬度的調節過程來指導空管人員對儀表著陸系統的調試，可以幫助他們更加直觀地認識、調整航向天線設備，也可降低校驗成本，提高飛行效率。

本文在分析某機場儀表著陸系統工作原理的基礎上，對調制深度差DDM（Difference in Depth of Modulation）[3]進行理論研究，建立DDM在線性變化范圍內SBO信號的幅值與航向角、航道寬度的關系模型。并與實際情況進行對比分析，驗證了模型的正確性。基于LabVIEW可視化編程軟件平臺，設計了針對航向空域的仿真軟件。該軟對虛擬航向面進行了三維顯示并對儀表著陸系統調節航道寬度的過程進行了模擬。最后，通過與實際設備的連接，實時顯示了當前航向空域的信息。

本文首先建立了CSB和SBO信號的數學模型，對其方向性函數進行了分析。在分析了飛行器航道控制參數DDM線性變化范圍的基礎上，建立了SBO信號的幅值與航道寬度的數學模型，并對模型誤差進行了分析。最后通過實際設備完成了航向空域的半物理仿真。

1 航向信號模型的建立及仿真

ILS中的航向信標系統由地面設備和機載設備組成，地面設備產生航向信標信號源，機載設備接收航向信標的合成信號[3]。

1.1 CSB信號和SBO信號的數學模型

安裝在航向信標臺地面設備上的發射機會產生載波加邊帶信號CSB（Carrier Plus Sideband Signal）和純邊帶信號SBO（Sideband only Signal）兩種信號[3?4]。信號幅值電壓為：

[UCSB（t）=uCSB（1+m90sin（2πf90t）+ m150sin（2πf150t））sin（2πfct）] （1）

[USBO（t）=uSBO（m90sin（2πf90t）- m150sin（2πf150t））sin（2πfct）] （2）

式中：U代表CSB和SBO信號的電壓值；[uCSB]，[uSBO]分別代表CSB，SBO信號的幅值；m90，m150為調制因子，調制因子與邊帶信號和載波信號的相位、幅值有關，通常取m90=m150=0.2；f90，f150是90 Hz與150 Hz信號的頻率[3?6]；fc為載波頻率，航向信標天線[4?6]的工作頻段是108～111.95 MHz，某機場航向天線的載波頻率fc=111.1 MHz。

1.2 某機場航向天線系統信息的確定

儀表著陸系統航向信標天線采用對數周期天線陣，本文中某機場航向天線型號為7220A，是20單元的天線陣，天線陣工作數據如表1所示，表中R代表右天線，L代表左天線。

1.3 遠場時航向信號的方向性函數

對上述天線系統，空間任意一點P所接收到的信號是10對天線輻射信號之和[3?4]。建立第i對天線在P點處的信號接收模型圖如圖1所示。

由于遠場（Far Field，FF）[4?6]情況為r≥100D。當P為遠場接收點時，[rRi]，[rLi]可以認為與r近似平行。

在遠場時可以通過以下公式[4?6]近似計算[rRi]，[rLi]：

[rRi≈r-Dsin θ] （3）

[rLi≈r+Dsin θ] （4）

在遠場條件下，第i對天線的方向性函數[4]為：

[f=2Eicos2πDλsin θ+ψ1-ψ22∠ψ1+ψ22] （5）

式中：[Ei]為第i對天線的饋電幅值；θ是航向角；[ψ1，ψ2]分別表示其左天線信號的相位和右天線信號的相位。

[λ=cfc=3×1081.111×108=2.7]

式中：λ是航向信號的載波波長（m）；c為光速。

為了方便計算，定義變量：

[β=2πDλ]

由式（5）可知，相位差為0°的某對天線的方向性函數為[4] ：

[f0°=2Ecos（βsin θ）∠ψ1+ψ22] （6）

相位差為180°的某對天線的方向性函數為 [4]：

[f180°=2Esin（βsin θ）∠ψ1+ψ22] （7）

根據表1中的數據，第i對天線產生的CSB和SBO信號的相位差分別為0°和180°，相位和均為0°，所以它們的方向性函數分別表示為：

[fCSB=2i=110Eicos（βisin θ）∠0°] （8）

[fSBO=2i=110Eisin（βisin θ）∠0°] （9）

2 SBO信號幅值與航道寬度的數學模型

航向信標系統的機載設備用于接收航向信標的合成信號，并計算出調制深度差DDM，用于控制飛機航向角。飛機在比例引導區內DDM線性變化，此時，航道左右DDM=0.155所限制的扇區角[7]即為航道寬度a，用角度表示。如圖2所示，a為航道寬度，θ為DDM=0.155時的航向角。航道寬度a是航向角θ的2倍。

2.1 DDM的確定

儀表著陸系統是通過比較150 Hz和90 Hz信號的調制度來給出航向信息的[8?9]，即調制深度差DDM。

[DDM=M90-M150] （10）

式中，M90和M150分別為90 Hz，150 Hz信號的調制度。調制深度是用于度量調制信號的幅值占載波信號幅值的比。

假設飛機在圖1中遠場P點，此時，P點的合成信號為[3?4] ：

[EP=fCSBUCSB+fSBOUSBO] （11）

將式（1）～式（4）、式（8）、式（9）分別代入式（11）可得：

[M90=m·fSBOuSBOfCSBuCSB] （12）

[M150=-m·fSBOuSBOfCSBuCSB] （13）

將式（12）、式（13）代入式（10）得到DDM：

[DDM=M90-M150=2m·fSBOuSBOfCSBuCSB] （14）

式（14）顯示了DDM值與航向角的關系。取航向角范圍為-4°～4°，將表1的數據代入式（14），得到DDM與航向角的關系圖如圖3所示。圖3中航向角在-4°～4°范圍內時DDM近似呈現線性變化。在航向角為0°時，DDM=0，這與實際情況相符合。

2.2 SBO信號幅值與航道寬度的函數關系式

現役儀表著陸設備主要是通過調整航向信號SBO幅值uSBO來完成對航道寬度調整[10?11]。根據式（14），在DDM值和CSB信號幅值uCSB一定的情況下，影響航向角θ的主要因素是SBO信號的幅值uSBO。

根據某機場現役儀表著陸設備的測量結果[12]，在DDM=±0.155時， uCSB=0.292。將DDM=0.155，uCSB =0.292，m=0.2代入式（14），得：

[F（θ）=0.113 2uSBO] （15）

式中：

[F（θ）=fCSBfSBO， -4°<θ<4°， θ≠0°] （16）

將表1中的數據代入式（16），可得在θ>0°情況下，[F（θ）]的函數圖像如圖4所示。函數[F（θ）]在比例引導區內圖像呈現單調遞減的趨勢。可得結論：在幅值增大時航道寬度減小，幅值減小時航道寬度增大。

式（15）為SBO信號幅值uSBO關于航向角的函數關系式。為了求得航向角θ關于SBO信號幅值uSBO的函數關系式，對式（15）求解反函數（為了求得反函數，取比例引導區內的航向角）。式（15）的反函數為：

[θ=F-1uSBO] （17）

式（17）即為所求的航向角關于SBO信號幅值變化的函數。由于式（16）的[F（θ）]函數結構復雜，人工求解其反函數難度較大，經觀察發現函數[F（θ）]圖像與反比例函數圖像類似，所以本文考慮應用最小二乘原理，采用形如[F（θ）=H（θ）=1kθ]的反比例函數來代替式（16），以便計算反函數。計算得到當[θ]>0°時。[H（θ）]的函數為：

[H（θ）=1（0.216 9θ）， θ>0°] （18）

繪制函數[F（θ）]，[H（θ）]的圖像如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，在[θ]>0°的區域內擬合效果可以表達實際曲線的信息。

將式（15）、式（18）代入式（17）得到SBO信號幅值與航向角公式為：

[θ=0.521 9uSBO， DDM=0.155， θ>0°-0.5219uSBO， DDM=-0.155， θ<0°] （19）

式（19）即為所求的在DDM線性變化的區域之內，航向角關于SBO信號幅值的函數關系式。根據a=2θ求得航道寬度：

[a=2θ=1.043 8uSBO] （20）

式（20）即為本文所要求得的航道寬度關于SBO信號幅值的數學表達式。

為使得公式具有普遍指導意義，現引入影響因子k來反映擬合誤差（本文中影響因子k=1）、機場不同、環境等因素引起的誤差。則式（20）變為：

[a=2kθ=1.043 8kuSBO] （21）

2.3 模型的驗證

取部分uSBO值進行測試，測試結果如表2所示。根據測試結果相對誤差控制在1%內，所以該數學模型可以作為航道寬度調節模型。

3 實 驗

實際實驗測試設備由NM7000調試設備（見圖7a））、工控機（見圖7b））、安裝有LabVIEW軟件的筆記本電腦組成。

通過Null Modem串口線將調試設備與工控機相連接，如圖8所示，工控機通過網線連接筆記本電腦。

通過調節NM7000調試設備上的SBOlevel按鈕來調節航道寬度，航道寬度的變化過程可實時地在仿真軟件界面上顯示。結果顯示該仿真軟件能準確地顯示航道寬度的變化過程，仿真結果能夠達到飛行校驗的調試要求。

4 結 語

本文通過建立某機場航向信號的模型，對航向信標模型進行分析，實現航向信標信號的仿真。建立SBO信號幅值和航向角的數學模型。應用該數學模型，借助LabVIEW軟件開發平臺，設計出針對ILS航向空域的模擬系統軟件。軟件顯示了SBO幅值改變時航道寬度的變化情況，繪制了航向信號的方向性圖和三維場型圖。最后的實驗結果表明，該系統可以為民航工作人員提供幫助，使其更好地掌握儀表著陸系統，保證其工作準確性，提高工作效率。

參考文獻

[1] 苗強，吳德偉，郭華，等.基于Simulink儀表著陸系統鏈路級仿真[J].系統仿真學報，2009，21（11）：3259?3263.

MIAO Qiang， WU Dewei， GUO Hua， et al. Link level simulation of instrument landing system based on Simulink [J]. Journal of system simulation， 2009， 21（11）： 3259?3263.

[2] 鄒鯤，張斌，李玉林，等.基于DSP的ILS機載接收機基帶信號處理[J].現代電子技術，2008，31（17）：60?62.

ZOU Kun， ZHANG Bin， LI Yulin， et al. ILS base band signal processing based on DSP [J]. Modern electronics technique， 2008， 31（17）： 60?62.

[3] 李紫丹.基于回波模型多徑效應對航向信標系統的影響研究[D].長春：吉林大學，2014.

LI Zidan. Study on the influence of multipath effect on the localizer system based on the echo model [D]. Changchun： Jilin University， 2014.

[4] QU C Q. Research on signal of field monitor of 7220A localizer beacon subsystem of ILS [J]. Open journal of antennas and propagation， 2015（3）： 37?50.

[5] 劉志剛，郭艷穎.NM7000B儀表著陸系統實訓平臺設備改造方案[J].現代電子技術，2015，38（20）：88?91.

LIU Zhigang， GUO Yanying. Reforming scheme for training platform equipment of NM7000B ILS [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（20）： 88?91.

[6] 武云云，朱愛雅，米正衡.儀表著陸系統航向信標調制度差的仿真分析[J].現代導航，2013（6）：420?424.

WU Yunyun， ZHU Aiya， MI Zhengheng. Simulation and analysis on difference in depth of modulation of course beacon in ILS [J]. Modern navigation， 2013（6）： 420?424.

[7] 劉繼軍.飛行校驗中航道寬度的調整方法[J].空中交通管理，2004（2）：39?41.

LIU Jijun. Adjustment methods for air route width in flight inspection [J]. Air traffic management， 2004（2）： 39?41.

[8] 季玉龍，徐偉，葉培華.飛行器的儀表著陸仿真系統[J].系統仿真學報，2011，23（z1）：135?137.

JI Yulong， XU Wei， YE Peihua. Instrument landing simulative system of aircrafts [J]. Journal of system simulation， 2011， 23（S1）： 135?137.

[9] 沈笑云，孟健，焦衛東.ILS對進近著陸支持情況的三維可視化仿真[J].計算機仿真，2013，30（5）：63?67.

SHEN Xiaoyun， MENG Jian， JIAO Weidong. 3D visualization of supporting situation of approach and landing of aircraft [J]. Computer simulation， 2013， 30（5）： 63?67.

[10] 殷飛，靳龑.探討儀表著陸系統建模與仿真[J].中國新通信，2015（4）：100?101.

YIN Fei， JIN Yan. Exploration on modeling and simulation of instrument landing system [J]. China new telecommunications， 2015（4）： 100?101.

[11] Scientific Research Publishing Inc. Normarc 7000B ILS （2013） training manual 24036?042 [EB/OL]. [2013?09?01]. http：//www.scirp.org/reference/ReferencesPapers.aspx？ReferenceID=1641110.

[12] 秦偉，王芳，張銀輝.儀表著陸系統地面檢測技術研究[J].科協論壇（下半月），2013（12）：198?199.

QIN Wei， WANG Fang， ZHANG Yinhui. Research on ground detection technology for instrument landing system [J]. Science & Technology Association Forum， 2013（12）： 198?199.