載波通信方式實現(xiàn)高級場面引導（A-SMGCS）系統(tǒng)對助航燈光隔離變壓器的要求

林建華

（元翔< 福州> 國際航空港有限公司 福建 福州 350000）

0 引言

近年來，我國民航業(yè)飛速發(fā)展，隨著機場航班流量的增長，機場規(guī)模逐漸加大，滑行道布局復雜，在低能見度的運行條件下，靠管制員在指揮室監(jiān)視地面航空器的滑行引導方式已不能滿足日益增長的航班量需要，機場地面雷達也存在受氣候影響的缺點。高級場面引導（A-SMGCS）系統(tǒng)通過預埋集成了各類傳感器的監(jiān)控單元提供自動航空器路由規(guī)劃、沖突算法等功能，很好地解決了高密度航班地面滑行時的監(jiān)視和引導，福州機場二期工程將對兩條跑道設置A-SMGCS 系統(tǒng)。A-SMGCS 系統(tǒng)的每一監(jiān)控單元通過隔離變壓器將現(xiàn)場數(shù)據(jù)以電力載波的方式傳輸至集控中心，作為該傳輸通道上的主要器件，其容量、效率、衰減、漏感等均對A-SMGCS 系統(tǒng)信號穩(wěn)定造成影響，因此，隔離變壓器選擇設計時也是關注的重點。

1 助航燈光功能與回路組成

機場助航燈光是提供復雜氣象條件下如降雨、霧天等低能見度以及夜間航空器起飛著陸提供目視引導的重要設施[1]。根據(jù)《民用機場飛行區(qū)技術標準》中助航燈光回路構成的要求[2]（見圖1），由調光器、助航燈具、隔離變壓器構成的串聯(lián)回路。通過調光器改變輸出的電流大小，達到控制助航燈具在相應光級下符合要求的光強，滿足不同氣象條件下提供飛行員足夠的目視參考。根據(jù)串聯(lián)回路特性，即等流分壓的回路特性，該回路連接的燈具因功率相同，電流一致，所以其在同一光級下光強一致[3]；而串聯(lián)回路另一特性，即點開路會導致整個回路開路，燈泡損壞會導致整個回路無法正常開啟，所以每個助航燈具均配有隔離變壓器，當燈泡損壞時不會影響回路正常運行或造成回路開路故障。

圖1 助航燈光回路構成

2 高級場面引導控制系統(tǒng)

2.1 定義

根據(jù)國際民航組織《先進的場面活動引導和控制系統(tǒng)手冊》[4]，機場高級場面活動引導和控制系統(tǒng)（Advanced Surface Movement Guidance and Control System，A-SMGCS），是在滿足機場能見度運行等級的所有氣象條件下，航空器和車輛能保持運動速率安全性而對其提供路由、引導及監(jiān)視進行控制的自動化系統(tǒng)。A-SMGCS 的使用將減少飛機與飛機、飛機和車輛以及車輛與車輛在滑行道、跑道和機坪范圍內的運行沖突。飛機、車輛能夠按照程序設定的最佳路線運行，在提高機場的周轉率和運行效率方面起到積極、安全的作用[5]。

2.2 功能及等級劃分

主要功能：（a）場面監(jiān)視；（b）控制告警；（c）路徑規(guī)劃；（d）自動引導；（e)狀態(tài)感知。（見表1）

表1 ICAO A-SMGCS 系統(tǒng)分級定義

2.2.1 監(jiān)視功能（I 級系統(tǒng)）

監(jiān)視功能是對在機場飛行區(qū)域范圍內運動的航空器和車輛進行連續(xù)定位與標識，在管制員席位界面上顯示場面運動目標的運行態(tài)勢和運行環(huán)境，通過使用該功能，即使在低能見度等惡劣天氣條件下也不會降低機場運行的安全標準。

2.2.2 告警功能（Ⅱ級系統(tǒng)）

告警功能是系統(tǒng)通過自動產(chǎn)生與機場活動相關的各類告警信息，如：路由沖突/交叉告警、偏離跑道/滑行道告警、跑道/限制區(qū)侵入告警、場面活動目標間隔(過小)告警、速度過快/過慢告警等，為管制員提供對場面活動進行控制的信息，從而確保場面活動的安全、順暢和高效運行。

2.2.3 滑行路徑規(guī)劃功能（Ⅲ級系統(tǒng)）

依據(jù)空中與地面的運行情況為起飛或降落的航空器自動提供最優(yōu)的滑行路徑建議，并能自動解決滑行過程中的潛在沖突。

2.2.4 燈光引導功能（IV 級系統(tǒng)）

燈光引導功能是指系統(tǒng)根據(jù)航空器滑行路線、場面運動航跡、跑道視程等數(shù)據(jù)，自動產(chǎn)生滑行路徑上助航燈光的點亮、熄滅、燈光強度等控制數(shù)據(jù)，發(fā)送給助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)助航燈的燈光段控制，形成與航空器同步運行的“引導燈光段”，自動引導航空器沿規(guī)劃的路由滑行、停止和穿越交叉口。

2.2.5 狀態(tài)感知（Ⅴ級系統(tǒng)）

機載設備具備可視化導航功能后，管制員、飛行員、車輛駕駛員具備相同態(tài)勢感知能力，從而實現(xiàn)A-SMGCS V級的功能。

3 單燈控制

A-SMGCS IV 級條件下要實現(xiàn)自動引導功能，即航空器在脫離跑道后向指定機位滑行過程或從機位推出向指定跑道等待起飛位置滑行過程中，根據(jù)路由規(guī)劃設定的燈光回路劃分規(guī)則，通過指定的單個或多個滑行的中線燈、停止排燈開啟和關閉，引導航空器按照指定路徑滑行，從而實現(xiàn)指定路由上的助航燈光開啟，非指定路由上的助航燈光熄滅，實現(xiàn)引導功能[6]。

3.1 控制要求

A-SMGCS 按照50 km/h 的飛機滑行速度，且滑行道中線燈間距為30 m 條件下，評估控制每一盞燈開關響應時間應不超過2 s，才能滿足系統(tǒng)的控制要求。

3.2 控制實現(xiàn)

目前全世界第一個也是唯一一個全場、全天候、全架次使用A-SMGCS Ⅳ級條件下引導航空器的機場是北京大興國際機場。其單燈監(jiān)控方案采用的是電力載波技術，使用燈光一次供電回路作為通信線路（見圖2），其原理是在現(xiàn)有燈光回路的隔離變壓器二次輸出側加裝單燈信號，將以燈光回路電纜和隔離變壓器一次側為介質，在通信介質構建的信號閉合回路中流動。通過隔離變壓器的耦合將燈的狀態(tài)信息經(jīng)由燈光一次電纜進行載波通信；單燈監(jiān)控系統(tǒng)給每個單燈單元設定地址，以此作為回路中唯一識別的標志，每個燈具都與單燈監(jiān)控單元對應，通過電力載波通信技術對可尋址的單燈監(jiān)控單元發(fā)送命令和接收狀態(tài)信息，控制燈具開啟和關閉，同時反饋燈具狀態(tài)。

圖2 通信線路

4 隔離變壓器的重要性

單燈監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求是必須建立一個安全、穩(wěn)定和準確的電力載波通信鏈路。實際使用的助航燈光回路中，連接燈光站的主機和放置在燈具回路的單燈之間的通訊媒介是回路本身。由于單燈裝置安裝在隔離變壓器和燈具之間的二次側載波通信包括主機對單燈或單燈對主機的通信，無論何種通信均需要解決隔離變壓器對通信產(chǎn)生的影響。標準隔離變壓器基于工頻設計，在電氣隔離將能量傳遞至燈具，避免某個燈具故障而影響整個回路的正常運行，而不是設計用來通訊。對于電力線載波通信的單燈監(jiān)控器，漏感對其信號頻率（一般為2 kHz～200 kHz）的作用就非常顯著，漏感的感抗隨信號頻率的提高而遞增，令載波信號產(chǎn)生不同程度的衰減。本次抽測了國內普遍使用的隔變樣品，其衰減在100 kHz 下達到了18 dB 左右。另外，隔離變壓器還會影響到整體回路濾波器的選擇、通訊頻段、主機和單燈的通信功率等。

圖3 隔離變壓器衰減率曲線

4.1 信號調制方案

目前的電力線載波方案分為寬帶方案和窄帶方案。根據(jù)上圖隔離變壓器衰減率曲線，隔離變壓器可用帶寬一般不會超過100 kHz，所以寬帶載波方案實現(xiàn)難度較大。以下是不同的調制技術簡介[7]：

調幅（ASK）振幅調變，簡稱為調振幅，通過改變輸出信號的振幅，來實現(xiàn)傳送信息的目的；

調相（PSK）是載波的相位對其參考相位的偏離值隨調制信號的瞬時值成比例變化的調制方式相；

調頻（FSK）是對無線電進行信息加載，得到調制波。它是一種以載波的瞬時頻率變化來表示信息的調制方式，通過利用載波的不同頻率來表達不同的信息。

窄帶方案中，普遍采用的是頻移鍵控（FSK）和正交頻分復用（OFDM）。

對于在助航燈光串聯(lián)回路中進行電力線載波通信技術而言，構建通信道只能滿足基本的通信要求，而不能解決回路中的衰減、噪聲或諧波帶來的通信干擾。大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，任何一種基于中高頻為數(shù)字傳輸頻點的載波方式，在理想變壓器上的傳輸幾乎沒有什么衰減而在以屏蔽電纜（燈光電纜）構建的回路上，隔離變壓器的漏感、電纜的感性與電纜的分布電容特性會在回路中構建多個信號濾波器，加劇了局部信號的衰減[8]。為解決此類問題,國際上以FSK 為核心載波技術的單燈監(jiān)控系統(tǒng)采用一個以LC諧振為機理、中心頻段為發(fā)生衰減頻段的濾波設備安裝在整個回路的物理中心點,以此抬升由于分布電容造成的較低的信號幅度[9]。

4.2 隔離變壓器對信號調制解調和濾波的影響

單燈監(jiān)控系統(tǒng)的信號調制首先作用于隔離變壓器[10]，因此隔離變壓器的漏感對信號的影響不可忽略。系統(tǒng)設計時所選擇的信號頻率應考慮隔離變壓器漏感的影響，降低頻率以適應標準隔離變壓器或者選擇漏感更低的隔離變壓器改善信號通路，都是系統(tǒng)設計階段需要考慮的重要方面。另外，A-SMGCS 對系統(tǒng)期望達到的響應時間要求與信號的頻率有直接關系，如果考慮適應標準隔離變壓器，要達到A-SMGCS 要求的響應時間，對回路中監(jiān)控的燈具數(shù)量勢必要減少；采用低漏感隔變可令信號頻率提高達到更快的響應速度。

要實現(xiàn)可靠的單燈監(jiān)控功能，建立完整的信號通路和消除干擾是非常重要的。濾波器是單燈監(jiān)控系統(tǒng)設計的必要組成部分。燈光回路中隔離變壓器的組成就是一個巨大的無源濾波器網(wǎng)絡；另外，濾波器另有一個重要的指標，就是階數(shù)。階數(shù)的定義就是無功器件（電感或電容）的數(shù)量，一個無功器件就是一階。所以一個基礎燈光回路中，如果有100 個燈具，就表示有100 個隔離變壓器，也就是表示這是一個至少100 階的無源濾波器網(wǎng)絡。隔離變壓器構成的通信網(wǎng)絡是一個典型的低通網(wǎng)絡，濾波器的階數(shù)越高，隔絕高頻的效果越好，這也就是通信不能走高頻或寬帶的原因。如果隔離變壓器選擇不當，感抗較大，再加上數(shù)量眾多，這會直接影響到整個回路的截止頻率，直接把載波信號衰減掉。

4.3 隔離變壓器漏感的影響

變壓器的漏感實際上可等效為信號在隔離變壓器輸入側接入了一個電感（如圖4），在漏感上的這部分能量是不能傳遞到變壓器的輸出側的，對信號而言，漏感在變壓器輸出側也有相同的作用。人們所說的信號衰減很大程度上取決于隔離變壓器的漏感。漏感越低越有利于將信號以最小的衰減傳遞到燈光回路中。

圖4 隔離變壓器的等效電路

隔離變壓器漏感測量方案，在隔離變壓器帶載的情況下，在初級加載1 KHz～200 KHz 的信號，通過測量初級電壓、次級電壓，計算在不同頻率下的衰減率。

信號衰減計算方式：

當信號通過隔離變壓器時，信號會有所損失，計算方式如下：

信號衰減=20log（V 初級/V 次級）

衰減-20 dB 即信號在次級的電壓降低為初級電壓的十分之一。將次級短路，就能得到隔變的漏感。

單個隔離變壓器的等效電路（如圖5），其中L1 對應的就是漏感，L2 對應的就是開路電感，當然實際使用中還有直流阻抗Rs 和分部電容C，但由于值較小，在此忽略不計，R1 為隔變后的等效負載。

圖5 單個隔離變壓器的等效圖

通過等效電路進行回路的仿真，測試不同漏感與信號強度的關系得到如圖6所示的波特圖。

圖6 漏感與信號強度的關系

研究人員發(fā)現(xiàn)隔離變壓器的漏感，不是越大越好，或者越小越好。從理論上來說，根據(jù)等效圖L1 和L2 對應的阻抗是Z1 和Z2，而整個隔離變壓器可以等效于Z2//（Z1+R1），由于L2 是遠大于L1 的，L1 和L2 是正相關的，即L1 越大，L2 也越大，所以在相同頻率下，Z2 也是遠大于Z1 的。當Z1 極小的時候，等效阻抗Z2//（Z1+R1）就會變小，而電纜阻抗不會變化，此時R1 上的信號也會因為隔變阻抗變小而減小。當Z1 極大的時候，等效阻抗Z2//（Z1+R1）也會變大，此時R1 上的分壓會因為Z1 的變大而減小。

5 結論

在民航標準和FAA 標準中，對隔離變壓器的漏感都沒有具體數(shù)據(jù)要求，實際上隔離變壓器的漏感會對整個回路的通信產(chǎn)生極大的影響。本文針對以電力載波通信方式，配以單燈監(jiān)控單元模式構成的助航燈光單燈控制系統(tǒng)，對信號傳輸與助航燈光隔離變壓器之間的關聯(lián)進行分析。通過仿真結果可知，采用低漏感隔離變壓器是實現(xiàn)高級地面引導系統(tǒng)助航燈光引導功能穩(wěn)定運行的關鍵；同時理論模型給設計院在設計階段的設備選型提供依據(jù)：隔離變壓器漏感值小于100 u，也為民航行業(yè)完善關于隔離變壓器的標準提供了參考依據(jù)。