基于無人機的ILS飛行校驗機載接收機設計

曹 陽，孟 茁

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

在飛機的整個飛行過程當中，著陸是非常重要的一個階段。根據民航局相關統計數據結果顯示，有超出59%的飛行事故發生在飛機著陸環節當中。飛行員在駕駛飛機進行著陸過程中，如果依靠目視進行著陸，對天氣條件、環境因素等要素會有相當高的要求，否則很難保障著陸安全。為了保障飛機在各種惡劣的氣象環境下都能夠完成100%安全著陸，需要采用無線電導航等輔助設備，為飛機著陸提供高精度的安全引導方案，同時實時地把航道的偏差度等精準數據提供給飛行員作為參考。儀表著陸系統（ILS）是目前國內最為普遍的飛機著陸引導系統[1]。

常規的機場地面導航設備需要定期進行校驗，目前由中國校飛中心承擔此項工作，采用灣流飛機按照校驗飛行手冊規定的航線及科目進行校飛。通過機載設備采集空間信號傳送至地面，由調校技術人員使用專業調校設備對地面導航設備進行調校工作，用來確保儀表著陸系統的高精準度。

傳統設備造價昂貴，靈活性差，很難滿足對于ILS的周期性校驗需要，為了解決這一問題，設計一款基于無人機的航向、下滑校驗機載設備，充分利用無人機校飛靈活、校飛過程中可以懸停等優勢，替代灣流飛機及相關機載校驗設備，模擬調校驗機實現ILS的航向、下滑線各項校飛項目的精準校驗[2]。

2 機載接收機設計

機載接收機按照功能可以分為LOC/VOR通道、下滑通道、信標通道、模擬分機、控制分機、電源/機架分機幾個部分[3]，其總體結構框圖如圖1所示。

圖1機載接收機總體結構框圖

在圖1所示的各部分模塊當中，控制分機單元負責對接收機的加電控制，也負責對工作模式的控制；電源/機架分機單元負責為接收機各個分機進行信號交換及通路供電。機載接收機通過設計的工作模式，接收并處理地面電臺發送的信號。設備在接收處理下滑臺或航向臺的信號時，通過對接收到的90Hz頻率的信號與150Hz頻率的信號的調制度差進行計算[4]，同時在航向通道當中還要解出1020Hz臺址識別音頻信號。

3 儀表著陸系統信號處理

3.1 ILS信號處理流程

儀表著陸的信號處理流程大致如下：

首先航向以及下滑的中頻信號要經過A/D采樣，將直流信號的波形通過高通濾波器進行濾除，然后AM調制解調器將處理后的信號進行解調，解調之后，再次使用帶通濾波器將不同頻率的信號分離出來，并計算其強度，最終得出調制度差，算出莫爾斯碼。

這個信號處理過程使用的帶通濾波器是有要求的，要求配有鑒頻器，使得輸出信號的頻率誤差在可接受的范圍之內。如果符合要求，系統會將信號處理結果以及CIC濾波器的中頻信號強度自動產生告警和自檢信號，并根據告警情況，將最終信號處理結果輸入到雙口RAM所對應的單元中去。信號處理流程如圖2所示。

圖2信號處理流程圖

3.2 調制度差計算方案

在儀表著陸系統當中，90Hz頻率的信號和150Hz頻率的信號的調制度，在航向通道上的值為40%，而在下滑通道上的值為80%[5]，由此根據AM信號產生公式如下：

AM信號解調后的公式則為：

從上述公式可得出如下結論：在調制信號當中，交流部分的幅值跟調制度成正比關系，依據ILS當中的信號特征，在此利用調制度和為固定值的這一特性，就能夠在不需要知道載波信號強度的條件下，根據90Hz頻率的信號以及150Hz頻率的信號的比例情況，從中計算出調制度差。調制度差的計算公式為：

式中A代表了90Hz頻率的信號的幅度，B代表了150Hz頻率的信號的幅度，這兩種信號調制度差計算結果為DDM。把上面公式中的40%數值替換成80%的數值，就可以進行下滑通道的測試。

4 濾波器設計

4.1 IIR濾波器

信號在經過A/D采樣之后，分別會將90Hz頻率的信號和150Hz頻率的信號濾出。在計算調制度差時，會用到90Hz頻率的信號和150Hz頻率的信號濾出的結果，對于IIR的數字濾波器，設計可通過如下五個步驟實現[6]：

1)把數字濾波的技術指標通過相應規則，進一步轉換成為模擬低通濾波器的技術指標；

2)將轉換后的結果，使用濾波器階數選擇函數，計算得出最小階數N以及固有頻率Wn；

3)根據最小階數N產生的結果，作為模擬濾波器的原型；

4)模擬低通濾波器原型，根據固有頻率Wn將其轉換成模擬的高通、低通以及帶通、帶阻濾波器；

5)根據雙線性變換法或者沖激響應不變法兩種法則，將模擬濾波器轉換成為數字濾波器。具體實現框圖如圖3。

圖3 IIR濾波器原理框圖

4.2 CIC濾波器

在儀表著陸系統設計當中，由于部分信號對濾波器的濾波要求相對比較寬，設計采用積分梳狀濾波器（CIC），負責為低通濾波器濾出二次諧波，可在濾波過程中避免不必要的運算，為機載設備充分節省資源。在積分梳狀濾波器當中，沖激響應形式如下列公式所示：

式中，D代表濾波器階數。CIC濾波器對Z的變換可由下式所示：

式中：

CIC濾波器實現過程框圖如圖4所示[7]。

圖4 CIX濾波器原理框圖

4.3 高通濾波器

由于A/D轉換器在工作過程中的直流偏置不夠準確，在濾波濾出的數字中頻信號中包含了直流分量，如果不把這些直流分量去除，就會影響到AM解調結果，從而降低最終精度。本系統中，直流分量信號通過高通濾波器濾除[8]。高通濾波器的設計結構如圖5所示。

圖5高通濾波器原理框圖

通過計算輸入信號與CIC濾波器的輸出內容的差值，就得出了高通濾波器的濾波后的結果。CIC濾波器本質上是一種滑動均衡器，所以CIC濾波器的輸出本質上就是信號中的直流成分大小。輸入信號減去直流成分，即實現了高通濾波器的功能。

5 結束語

該型機載接收機在無人機測控方面屬于國內首創。作為一款基于無人機的ILS飛行校驗機載接收機，其具有高精度的運行標準，掛載也方便快捷，加上設計重量輕、占用空間小、工作能耗低等諸多優勢，可為無人機校飛提供有力的硬件條件支撐。